专利名称：包含金属涂覆的磨料的玻璃质研磨工具的制作方法
本申请要求在1996年4月10日申请的美国临时申请06/015,112的权利。
本发明的背景本发明涉及包含在玻璃化粘结剂中的金属涂覆的超级磨料(superabrasives)的研磨工具。该工具特别可用于对陶瓷的高性能磨削。
合成金刚石，包括用诸如镍或铜等金属涂覆的合成金刚石，是最初在各种树脂粘结和金属粘结的研磨工具中使用的。早期的这种工具的种类披露于美国专利A-3,925,035和美国专利A-3,984,214中。在金属粘结的磨轮中，对于不太剧烈的磨削条件，金属涂覆的金刚石就可以了。涂覆在金刚石上的薄的镍或铜涂层显然改进了合成金刚石在磨轮上的粘合性和热传递。
由于金刚石不容易粘结到玻璃化粘结剂基体的玻璃上，并且烧结玻璃化粘结的研磨工具所需的高温烧制过程遇到困难，当首先加入这些颗粒时，合成金刚石CBN起初并没有使用在采用玻璃化粘结剂的研磨工具中。近年来，如在美国专利A-4,157,897和美国专利A-4,951,427中所述，业已提出将金属涂覆的金刚石和立方氮化硼(CBN)用于玻璃化粘结的研磨工具。
提出了其它的保护性涂层。如在美国专利A-5,300,129中所述，为了在烧制玻璃化粘结的工具过程中保护CBN不发生氧化，可以将反应性的玻璃或陶瓷的薄内层，或者还加上玻璃质材料的外层涂覆到磨料颗粒上。金属或玻璃涂层能防止CBN和粘结剂中的碱金属氧化物之间的反应，防止产生气态副产物并阻止在烧制粘结剂过程中颗粒/粘结剂界面上的鼓胀。鼓胀可能会使研磨工具的形状改变。
自从采用金属涂覆的超级磨料以来，玻璃质粘结工具的许多改进都与磨削钢和其它金属，尤其是与使用CBN磨料磨削金属有关。对磨削陶瓷和其它非亚铁材料，玻璃质粘结工具中使用经涂覆的金刚石是很少有报道的。
在美国专利A-4,157,897中，提出了将铜、银、镍、钴、钼及其合金用来涂覆玻璃化粘结工具中所用的金刚石，所述玻璃化粘结工具含23％-53％(以粘结剂体积为基准计)结晶(薄片)石墨，该工具可用于干磨削烧结的碳化物制品。该发明的研磨工具包括总孔隙度不大于10％的磨轮和孔隙度不大于15％的磨石。金属覆层是该研磨工具的一个可用或不用的组分，据称对于磨削烧结碳化钨，镍涂覆的金刚石比未涂覆的金刚石并没有什么改进。
现在已经发现，金属涂覆的超级磨料将显著地改进孔隙度至少为10％并含约2％-20％固体润滑剂(如石墨)的玻璃质粘结的研磨工具的磨削性能。这里磨削性能的改进包括材料移去速度与磨轮磨损速度之比(G比值)的提高和在被磨削工件上表面纹路的减少。这些改进在对零售店扫描装置中常用的蓝宝石窗户的表面磨削是特别有用的。
本发明的概述本发明涉及一种玻璃质粘结的研磨工具，它含有12％-50％粘结剂，5％-50％金属涂覆的超级磨料，至少10％孔隙和2％-20％的固体润滑剂。这种研磨工具最好含有钛、铜或镍涂覆的金刚石。与含有不涂覆的金刚石的相同研磨工具相比，含涂覆金刚石的研磨工具的特征在于其较高的弹性模量和较高的G比值。这种研磨工具较好是经下述过程制造的磨轮，即在成品磨轮所需尺寸和形状的模具中，对含有粘结剂、金属涂覆的超级磨料、固体润滑剂或者还含有辅助磨料或填料的混合物进行热压。
较好实施方案的描述本发明的研磨工具包括粘结的磨轮、磨盘、磨轮片断和磨石，烧制后以体积计，它含有12％-50％粘结剂，5％-50％金属涂覆的超级磨料，至少10％的孔隙，2％-20％固体润滑剂，有时还含有达40％的填料、辅助磨料和加工助剂。
研磨工具所用的超级磨料是用0.5重量％-80重量％，较好为0.5重量％-35重量％，最好为0.5重量％-10重量％的至少一种金属或金属合金涂覆的天然和合成金刚石、CBN和它们的结合体。对于涂覆的金刚石，0.5重量％-10重量％的金属涂层是较好的。涂层超过60％容易在冷压磨轮中产生鼓胀，而涂层超过35％时，表面磨削操作所用的热压磨轮会产生差的磨削结果。
用金属涂覆磨料颗粒，是为了在烧制过程中改进颗粒与粘结剂玻璃的润湿性，改进粘结剂/颗粒的后胶结(post size)和强度，并减少在磨削过程中由于粘结剂的破坏而使颗粒过早的剥落。已经提出金属和/或金属氧化物或碳化物能在玻璃和磨料颗粒之间形成较好的结合。除了金属外，在涂层中或烧制过程中形成的碳化物或氧化物的存在被认为改进了研磨工具的性能。可以认为，这些效果是能获得较高的材料移去速度/工具磨损之比，较高的磨轮强度和较佳的加工件表面质量，提供更安全、费用更节省的研磨工具。
尽管任何与玻璃质粘结剂相容的金属都可以使用，但较好的金属是钛、镍、铜、银、钴、钼，它们的组合和合金。钛涂覆的金刚石对磨削陶瓷材料特别是蓝宝石来说是较好的。用镍和镍合金涂覆同样是较好的。合适的磨料颗粒例如是用约8-10％钛涂覆的购自General Electric的RVG金刚石。
超级磨料颗粒的任何粒度都可以使用。对于磨削陶瓷材料所用的金刚石，可以选择美国标准筛目粒度50/80-325/400，较好为80/120-270/325(100-320粒度)。对于CBN来说，也宜用这种粒度。在某些用途中，微米范围(即0.5-500微米)的非常细的颗粒是合适的。
任何许多已知的玻璃化或玻璃粘结剂都可以使用，它们包括含有二氧化硅、氧化硼、氧化钠、氧化铝和碱金属和碱土金属的典型粘结剂。粘结剂材料可为原料组分的混合物、经粉碎并筛选成所需粒度的玻璃料，或这两种形式的组合。适用于本文的代表性粘结剂披露于美国专利A-5,472,461和美国专利A-5,203,886中，此两专利的内容参考结合于此。
为了充分发挥经涂覆金刚石在研磨工具中的作用，必须提供以研磨工具的体积计，孔隙度至少为10％，较好至少为15％，最好为20％的多孔研磨工具。通过调节在制造研磨工具中的热压过程，可以获得达约25％的孔隙度。也可以在磨料颗粒和粘结剂组分的混合物中，添加空心陶瓷球以及其它具有能在烧制的工具中产生气泡、孔隙或通道的合适几何结构的耐高温的材料，来产生孔隙。在美国专利A-5,472,461中所述的空心陶瓷球和较小直径的类似球是最好的。由于加入这种填料，以经烧制的研磨工具体积计，总孔隙度较好可以达到10％-50％。
孔隙与作为工具组成一部分的固体形式的润滑剂或在湿磨操作过程中加入的液体冷却剂相结合，有助于从工具表面和加工件上除去磨削碎屑，并有助于为磨削表面提供润滑剂用以冷却并润滑工具和加工件，提高磨削性能。熟练的专业人员将能在工具组成中选择孔隙度和固体润滑剂的平衡，以便最大程度地发挥这些优点，使工具既适于干磨，又适于润磨。以烧制后的工具总体积计，孔隙和固体润滑剂加起来占12％-60％,20％-40％更好。
较好的固体润滑剂是石墨，特别是细小的石墨薄片。合适石墨的一个例子披露于美国专利A-5,472,461中，它可来自Asbury Graphite Mills,Inc.。在本发明研磨工具中同样有用的是硫化钼、聚四氟乙烯、六方形氮化硼和其它已知适用于玻璃化粘结研磨工具的固体润滑剂。
还可以使用其它的研磨工具组分。熟练的专业人员通常会在包含超级磨料的工具混合物中加入辅助磨料，以降低工具的总费用。辅助磨料包括，但不局限于氧化铝和熔凝氧化铝磨料、加入晶种和未加有晶种的溶胶凝胶、α-氧化铝磨料、碳化硅等，以第一研磨工具的体积计，其用量可约为0.1％-40％，较好约为1％-20％。以研磨工具的体积计，超级磨料和辅助磨料颗粒的总量较好约为40％-50％。同样地，可以加入提高工具制造性能和/或其磨削性能有效量的填料，它们包括(但不局限于)金属粉末、空心陶瓷或玻璃球、碳化硅、氧化铝、固体富铝红柱石、烟熏法二氧化硅、二氧化钛在内的各种形状和物理形式的填料，以经烧制的研磨工具体积计，其用量例如约为0.1％-40％，较好为4％-10％。加工助剂，如已有技术中已知的暂时粘合剂，也可以使用。
一般将研磨工具的这些组分进行混合、筛选，然后装入适用于压制和烧制的模具中。可用已有技术中已知的任何方法进行压制，包括冷压、热压以及热压印。较好的热压技术是那些在美国专利A-4,157,897和美国专利A-5,472,461中所披露的技术，此两专利的内容参考结合于此。在一个较好的方法中，视砂轮的尺寸和几何形状，热压可在600℃-900℃的温度下进行1分钟至4小时。若采用冷压，可将冷压后的研磨工具生坯再用已有技术中已知的方法在典型的工业烧制条件下进行烧制，成为最终的制品。视压制的类型与磨轮的尺寸和几何形状，烧制一般在600℃-1200℃的温度下进行几小时至几天。
可以选择采用在制造玻璃化粘结研磨工具中已知的方法，制成最后的研磨工具成品。本发明的这些研磨工具可用于制造各种需要精密磨削操作的陶瓷、磨料制品和硬化金属制品中。
下述实施例是用来说明本发明的，但绝不会限制本发明的范围。除非另有说明，所有的组成都以烧制研磨工具后的体积百分数为基准计。
实施例1使用来自General Electric公司的钛涂覆的金刚石磨料颗粒(在220粒度的RVG金刚石上有8-10％的钛)，按下述组成制造分段表面磨轮，与含未涂覆金刚石(220粒度)的参考例进行比较。磨轮的组成样品 1 C-1 C-2 C-3金刚石经涂覆的37.50 37.5 37.5金刚石未经涂覆的 0 37.500SiC填料 10.510.510.5 10.5石墨粉末 4.8 4.8 14.8 19.8玻璃料粘结剂 27.227.227.2 27.2孔隙度20.020.010.0 5.0样品1代表本发明，C-1是未涂覆金刚石的参考例，样品C-2和C-3代表Keat的美国专利A-4,157,897中的磨轮，但Keat磨轮中的金刚石是用镍而不是钛涂覆的。
所用粘结剂是来自Ferro Corporation的玻璃料形式的典型的二氧化硅-铝硼酸盐粘结剂。
碳化硅辅助磨料(220粒度)来自Norton Company。石墨(4434级别)来自Asbury Graphite Mills,Inc.，粒度很细，约为100至325目。按这些组成经Li在美国专利A-5,472,461中实施例1所述的热压法制造磨轮(直径为25.4cm，厚度为3.2cm)(10英寸×1/8英寸)。在下述条件下对磨轮进行湿磨试验机器 Blanchard磨床磨轮速度 1150rpm工作台转速 64rpm向下进料 0.010cm(0.004英寸)冷却剂 来自Interservice Dynamics,Bethel CT的Challenge 300HT冷却剂，用其1％的去离子水液剂被磨削的材料 蓝宝石磨削试验结果样品1 C-1C-2C-3G比值(材料移去量/砂轮磨损量之比)30536 87 150功率(瓦)1415602922963 0 0上述结果表明，在相同含量的润滑剂和孔隙度条件下，与未涂覆的金刚石样品相比，本发明钛涂覆的金刚石样品的G比值有了显著的提高(约为9倍)。而在钛涂覆的金刚石样品中，孔隙度较低对G比值和能量产生(power draw)有不利的影响。使用Keat专利所述的经涂覆的金刚石在5％和10％孔隙度时，其G比值比本发明所达到的G比值的一半还小，而能量产生却是本发明的两倍。
权利要求
1．一种玻璃质粘结的研磨工具，它含有12％-50％粘结剂，5％-50％金属涂覆的超级磨料，至少10％孔隙和2％-20％固体润滑剂。
2．如权利要求1所述的玻璃质粘结的研磨工具，它还含有4％-10％的填料和0％-20％的辅助磨料。
3．如权利要求1所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中金属涂覆的超级磨料是用金属涂覆的金刚石，所述金属选自钛、铜和镍以及它们的合金和组合。
4．如权利要求3所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中金属涂覆的超级磨料是用0.5重量％-35重量％的钛涂覆的合成金刚石。
5．如权利要求1所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中固体润滑剂是石墨。
6．如权利要求5所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中玻璃质粘结的研磨工具是一磨轮，它是在一模具中在约600℃-900℃的温度下，对含有粘结剂、金属涂覆的超级磨料和石墨的混合物进行热压约1分钟至4小时制得的。
7．如权利要求6所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中玻璃质粘结的研磨工具的弹性模量至少是含未用金属涂覆的金刚石的同样玻璃质粘结的研磨工具的两倍。
8．如权利要求6所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中玻璃质粘结的研磨工具在对陶瓷材料进行表面磨削过程中的G比值至少是含未用金属涂覆的金刚石的同样玻璃质粘结研磨工具的两倍。
9．如权利要求8所述的玻璃质粘结的研磨工具，其中陶瓷材料是蓝宝石。
全文摘要
一种玻璃质粘结的研磨工具含有12%—50%粘结剂,5%—50%金属涂覆的超级磨料,至少10%孔隙和2%—20%固体润滑剂。含有钛或镍涂覆的金刚石的研磨工具对磨削陶瓷材料如蓝宝石是特别有效的。
文档编号B24D3/04GK1218429SQ97193678
公开日1999年6月2日 申请日期1997年4月7日 优先权日1996年4月10日
发明者R·利 申请人:诺顿公司