硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮及其加工方法与流程

本发明属于砂轮技术领域，特别涉及一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮及其加工方法。

背景技术：

蓝宝石、超硬陶瓷等脆硬材料由于具有高硬度和高脆性，被广泛应用于手机、精密电子元器件、精密光学器件和高档手表中，但是同样是因为本身的质地具有高硬度和高脆性的特点，研磨加工难度非常大。一般加工玻璃用的电镀砂轮在加工这类超硬材料时，磨削效率低，使用寿命短，难以大规模生产使用。

烧结砂轮具有把持力强，耐磨性好的特点，尤其适用于超硬材料的加工。但烧结砂轮在制造过程中也面临的诸多难题，例如需要模具成型、大压力成型、高温炉烧结、精度修磨等工序，这些工艺导致砂轮生产周期长，产能低，成本远高于电镀砂轮。针对烧结砂轮存在的这些问题，本领域的研究方向主要集中在烧结砂轮的生产工艺上。目前烧结砂轮普遍采用模具压力成型方式，这种方式存在如下几个问题：

(1)模具设计复杂，尤其针对小直径砂轮，无法承受过高压力；

(2)模具寿命低，高压力带来金刚石与模具表面挤压，造成模具表面划伤严重；

(3)生产效率低，一台压力设备要经过填料，保压等过程，设备占用时间长。

技术实现要素：

针对目前模具压力成型方式形成的烧结砂轮存在的模具设计复杂、模具寿命低无法承受高压以及生产效率低下等问题，本发明提供一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮及其加工方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由砂轮基材以及经浇筑、烧结于所述砂轮基材表面的磨料层组成；

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

以及，所述硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法，至少包括以下步骤：

对砂轮基材进行表面粗糙化处理；

将称取的所述金刚石粉末与结合剂进行混料处理，得到第一混合物料；

将所述纳米硅溶胶制成硅溶胶水溶液；

将所述硅溶胶溶液与所述第一混合物料进行混料处理，同时加入所述分散剂、增稠剂，混合均匀，加入去离子水调节粘度，得到磨料层浆料；

向砂轮模具中喷涂脱模剂，并将经过粗糙化处理的所述砂轮基材置于所述砂轮模具中，然后注入所述磨料层浆料；

将所述模具置于干燥箱中70℃～100℃保温1.5～2.5h，获得砂轮胚体；

将所述砂轮胚体置于250℃～1000℃环境中烧结处理，得到所述烧结砂轮。

相对于现有技术，本发明上述提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，由于磨料层包含具有较大的比表面积、吸附性、耐高温性及化学稳定性的纳米二氧化硅，由纳米二氧化硅凝胶聚集形成网状胶体，对金刚石和结合剂起到良好的固定和粘接作用，得到较高强度的砂轮胚体，烧结时高温下纳米二氧化硅不与混合料中的金刚石及金属成分发生反应，不影响砂轮烧结后的性能，并且获得的烧结砂轮具有良好的磨削效果。

相对于现有技术，本发明提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法，采用浇灌(浇筑)成型，使得不受砂轮形状和基材形状的限制，可以制作成任何形状的砂轮，且其成型的砂轮性能与传统加工得到的砂轮性能相同，而且对模具材质及加工要求低，不需要使用超硬材质的模具，模具磨损小，寿命长；成型工艺简单，可采用自动化流水线生产，自动化程度高，生产效率高；而且磨料层厚度小最小可达到0.2mm，磨料使用量少，烧结后变形量小。

附图说明

图1为本发明硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮。该烧结砂轮由砂轮基材以及经浇筑粘附并经烧结于所述砂轮基材表面的磨料层组成；

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

下面对本发明的技术方案做进一步的解释说明。

砂轮基材在砂轮中具有起到支撑砂轮磨料层的作用。

有选地，砂轮基材为铜基材或不锈钢基材或者钨钢基材，这类型的基材具有耐高温、不易氧化等特点。

优选地，磨料层的厚度为0.2mm～2mm。

在将磨料层的材料浇筑或者浇灌于所述砂轮基材上时，需要采用砂轮模具以确保磨料层材料能够成型。同时，磨料层材料在混合过程中，需要添加适量的去离子水，使得磨料层的各个组分混合均匀成为浆料，但是由于去离子水在烧结过程中，挥发掉，因此不作为磨料层的组分。除了采用去离子水溶解磨料层的各个原料，还可以采用其他溶剂，只要这些溶剂不与磨料层的原料发生化学反应，并且在高温烧结时也不发生化学反应还能挥发掉，那么均适用于作为本发明的溶剂。

在上述技术方案中，金刚石粉末主要起到磨料作用。

优选地，所述金刚石粉末粒度为100#～800#，金刚石颗粒过大会造成金刚石沉积，颗粒过小会造成金刚石漂浮在上层，不利于金刚石颗粒的均匀分布。

在任何一个实施例中，结合剂，起到将金刚石粉末、纳米硅溶胶、分散剂、增稠剂等粘合于砂轮基材表面的作用，还能增强磨料层材料组分之间的粘结力，同时，与所述纳米硅溶胶发生协同作用，使得磨料层粘附力更强。

优选地，结合剂为树脂结合剂、金属结合剂、陶瓷结合剂中的任一种。

选用树脂结合剂时，在烧结时只需要在250℃左右并且不需要真空环境即可；如果选用金属结合剂，那么烧结时，烧结温度为800～900℃，并且需要在真空环境或者惰性气体保护氛围中，以避免烧结时金刚石和铜粉发生氧化反应；同样地，如果选用陶瓷结合剂，在烧结时，烧结温度为900～1000℃，并且需要在真空环境下或者惰性气体保护氛围中，以避免烧结时金刚石和铜粉发生氧化反应。

进一步优选地，所述树脂结合剂为酚醛树脂结合剂、环氧树脂结合剂、聚氨酯树脂结合剂中的任一种结合剂。

在任何实施例中，纳米硅溶胶为具有较大的比表面积、吸附性、耐高温性及化学稳定性的纳米二氧化硅，由纳米二氧化硅凝胶聚集形成网状胶体，可以起到对金刚石和树脂粘接剂起到良好的固定和粘接效果，得到具有较高强度的砂轮胚体，烧结时高温下纳米二氧化硅不与混合料中的金刚石及金属成分发生反应，不影响砂轮烧结后的性能。

在任一实施例中，分散剂主要起到分散磨料层材料的作用，避免磨料层各个组分发生团聚。

优选地，所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯、水玻璃中的任一种。

在任何实施例中，增稠剂可以有效增加溶液的粘稠度，有利于金刚石颗粒均匀分布在结合剂溶液中。

优选地，所述增稠剂可以是有机增稠剂或者无机增稠剂。

进一步优选地，所述有机增稠剂为羟丙基甲基纤维素；所述无机增稠剂为膨润土、硅藻土中的任一种。

本发明上述实施例提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，由于同时包含结合剂、纳米硅溶胶，两者能够发生协同作用使得磨料层的各个组分强有力的粘附于砂轮基材表面，尤其是纳米二氧化硅具有较大的比表面积、吸附性、耐高温性及化学稳定性，在凝胶过程中聚集形成网状胶体，对金刚石和结合剂起到良好的固定和粘接作用，得到较高强度的砂轮胚体，烧结时高温下纳米二氧化硅不与混合料中的金刚石及金属成分发生反应，不影响砂轮烧结后的性能，并且获得的烧结砂轮具有良好的磨削效果。

本发明在上述实施例提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的基础上，进一步提供了该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的一种加工方法。

如图1所示，在一实施例中，所述硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法至少包括以下步骤：

按照如上所述的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的配方称取各组分；

对砂轮基材进行表面粗糙化处理；

将称取的所述金刚石粉末与结合剂进行混料处理，得到第一混合物料；

将所述纳米硅溶胶制成硅溶胶水溶液；

将所述硅溶胶溶液与所述第一混合物料进行混料处理，同时加入所述分散剂、增稠剂，混合均匀，加入去离子水调节粘度，得到磨料层浆料；

向砂轮模具中喷涂脱模剂，并将经过粗糙化处理的所述砂轮基材置于所述砂轮模具中，然后注入所述磨料层浆料；

将所述模具置于干燥箱中70℃～100℃保温1.5～2.5h，获得砂轮胚体；

将所述砂轮胚体置于250℃～1000℃烧结处理，得到所述烧结砂轮。

相对于传统压力挤压成型的砂轮，本发明的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法，采用非压力的方式达到粉末成型的目的，也就是采用浇灌(浇筑)成型，使得不受砂轮形状和基材形状的限制，可以制作成任何形状的砂轮，且其成型的砂轮性能与传统加工得到的砂轮性能相同，此外，本发明的加工方法，不需要复杂的加工过程即可得到磨料层最薄达到0.2mm的砂轮。

下面对上述加工方法做进一步的解释说明。

在任何实施例中，为了使得纳米硅胶能够很好的分散于磨料层组分中，将纳米硅胶制成溶液。

优选地，所述纳米硅胶水溶液质量浓度为25％～35％。

优选地，所述磨料层浆料的粘度为500cps～1000cps，在形成该磨料层浆料时，如果粘度不在该范围内，浇筑或者浇灌成型时，容易发生变形等等。因此，可以加入适当的溶剂如去离子水或者不与磨料层原料发生化学反应并且高温会发生分解的溶剂。

在浇筑或浇灌磨料层浆料前，需要向模具喷涂脱模剂，主要是为了方便脱模。

优选地，所述脱模剂为二甲基硅油脱模剂、凡士林中的任一种。

优选地，上述烧结时，根据选用的结合剂不同，可以采用真空环境或者非真空环境，并且烧结温度也不相同。如选用树脂结合剂时，在烧结时只需要在250℃左右并且不需要真空环境即可，如果温度过高，树脂结合剂发生分解，而250℃左右，金刚石和铜粉并不会发生任何化学反应，因此不需要真空环境；如果选用金属结合剂，那么烧结时，烧结温度为800～900℃，并且需要在真空环境或者惰性气体保护氛围中，以避免烧结时金刚石和铜粉发生氧化反应；同样地，如果选用陶瓷结合剂，在烧结时，烧结温度为900～1000℃，并且需要在真空环境下或者惰性气体保护氛围中，以避免烧结时金刚石和铜粉发生氧化反应。

所述烧结处理后采用自然冷却的方式进行冷却。

优选地，砂轮模具为不锈钢模具，不锈钢模具耐高温，耐氧化，且不易发生反应。

本发明提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法，对模具材质及加工要求低，不需要使用超硬材质的模具，模具磨损小，寿命长；成型工艺简单，可采用自动化流水线生产，自动化程度高，生产效率高；而且磨料层厚度最小可以达到0.2mm，磨料使用量少，烧结后变形量小，如磨料层厚度为0.2mm时，烧结变形量仅为0.03mm左右，形变率为15％，而如果磨料层厚度为1mm，形变量也仅为0.2mm左右，形变率为20％。

为了更好的说明本发明提供的硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮及其加工方法，下面通过多个实施例进一步解释说明。

实施例1

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由铜砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述铜砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对铜砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将酚醛树脂结合剂、600#金刚石粉末混合均匀，得到第一混合料；

(3)将占总混合料质量7％的质量百分含量为30％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量1％的聚乙二醇以及占总混合料质量2％的羟丙基甲基纤维素加入所述第一混合料中，加入适量去离子水调制成粘度800cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的铜基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为80℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)非真空环境下高温加热烧结，烧结温度为250℃，得到外径为d6的600#树脂金刚石砂轮。

实施例2

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由铜砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述铜合金砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对铜砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将铜粉结合剂、600#金刚石粉末混合均匀，得到第一混合料；

(3)将占总混合料质量5％的质量百分含量为25％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量1％的聚乙二醇以及占总混合料质量2％的羟丙基甲基纤维素加入所述第一混合料中，加入适量去离子水调制成粘度1000cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的铜砂轮基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为80℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)真空环境(真空度约为0.15毫巴)下高温加热烧结，烧结温度为900℃，得到外径为d6的600#铜基金刚石砂轮。

实施例3

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由陶瓷砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述陶瓷砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对陶瓷砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将陶瓷结合剂、600#金刚石粉末混合均匀，得到混合料；

(3)将占总混合料质量5％的质量百分含量为25％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量1％的聚乙二醇以及占总混合料质量2％的羟丙基甲基纤维素加入混合料中，加入适量去离子水调制成粘度500cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的陶瓷基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为100℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)真空环境下高温加热烧结，烧结温度为1000℃，得到外径为d6的600#陶瓷基金刚石砂轮。

实施例4

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由陶瓷砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述陶瓷砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对陶瓷砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将陶瓷结合剂、800#金刚石粉末混合均匀，得到混合料；

(3)将占总混合料质量1.5％的质量百分含量为25％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量1％的聚乙二醇以及占总混合料质量2.5％的羟丙基甲基纤维素加入混合料中，加入去离子水调制成粘度500cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的陶瓷基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为100℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)真空环境下高温加热烧结，烧结温度为950℃，得到外径为d6的800#陶瓷基金刚石砂轮。

实施例5

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由陶瓷砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述陶瓷砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对陶瓷砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将陶瓷结合剂、700#金刚石粉末混合均匀，得到第一混合料；

(3)将占总混合料质量3.5％的质量百分含量为25％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量0.5％的聚乙二醇以及占总混合料质量1％的羟丙基甲基纤维素加入所述第一混合料中，加入适量去离子水调制成粘度500cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的陶瓷基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为100℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)真空环境下高温加热烧结，烧结温度为900℃，得到外径为d6的700#陶瓷基金刚石砂轮。

实施例6

一种硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮，所述烧结砂轮由陶瓷砂轮基材以及经过浇筑粘附并经过烧结于所述陶瓷砂轮基材表面的磨料层组成，其中所述磨料层的厚度为0.5mm。

以制备所述磨料层的原料材料质量100％计，所述磨料层采用包括如下的原料组分进行制备：

该硅溶胶凝胶成型的烧结砂轮的加工方法如下：

(1)对陶瓷砂轮基材的表面进行粗糙化处理；

(2)将陶瓷结合剂、600#金刚石粉末混合均匀，得到第一混合料；

(3)将占总混合料质量10％的质量百分含量为25％的碱性纳米硅溶胶溶液、占总混合料质量1％的聚乙二醇以及占总混合料质量1％的羟丙基甲基纤维素加入所述第一混合料中，加入适量去离子水调制成粘度500cps左右的浆料；

(4)向不锈钢模具型腔中喷涂脱二甲基硅油脱模剂；

(5)将经过粗糙化处理的陶瓷基材固定在模具内，注入步骤(3)中调制好的浆料；

(6)将不锈钢模具连同注入的浆料放入干燥箱中放置2h，且控制保温温度为100℃；

(7)将不锈钢模具取出脱模，得到砂轮胚体；

(8)真空环境下高温加热烧结，烧结温度为900℃，得到外径为d6的700#陶瓷基金刚石砂轮。

为了验证本发明实施例1～6得到的砂轮与现有挤压成型制备的砂轮(对比例1～3)的特性差异，分别对其进行相应的测试，具体测试数据如表1所示。

由表1可知，本发明采用凝胶法浇筑得到的砂轮，其性能与常规挤压法制备的砂轮，性能相似。也就是采用浇灌(浇筑)成型(或者说非压力)的方式达到粉末成型的目的，使得不受砂轮形状和基材形状的限制，可以制作成任何形状的砂轮，且其成型的砂轮性能与传统挤压加工得到的砂轮性能相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。