磨料表面改性改善金属基磨具加工光洁度的方法.pdf

本发明公开了一种磨料表面有机化改性提高金属结合剂磨具加工光洁度的方法，主要通过硅、钛、铝、锆、硼等元素的有机化合物活化剂，对金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉等磨料微粉进行表面改性处理，使磨料微粉表面有机化，提高金属结合剂磨具混料时磨料的分散性，降低磨料聚集成团形成大颗粒的几率，减少大颗粒磨料对加工工件的划伤，从而提高加工光洁度。磨料表面所附有机物在金属结合剂磨具烧结时，可在磨料表面形成氧化物保护层，降低磨料在磨削过程中的热烧蚀，从而延长磨具使用寿命。

1、  磨料表面改性提高金属结合剂磨具性能的方法，采用以金属单质粉或预合金粉为结合剂原料，热压烧结成型或冷压成型加热烧结的方法生产磨具，其特征是对金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉等磨料微粉进行表面改性处理，表面处理的活化剂为硅、钛、铝、锆、硼等元素的有机化合物，处理方法为浸渍法或机械混合法。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述表面改性的金属结合剂磨具所用磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉中的一种或几种混合。

3、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述表面处理的活化剂为硅、钛、铝、锆、硼等元素的有机化合物中的任一种或几种的组合，有机硅化合物为含氨乙基、氨丙基、乙烯基、氯丙基、巯丙基等有机官能团的硅烷偶联剂，有机钛化合物为包括单烷氧基、螯合型、配位型的钛酸酯偶联剂，有机锆化合物为锆酸酯偶联剂，有机硼化合物为硼酸酯偶联剂。

4、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述浸渍处理方法中的浸渍液是表面活化剂在对应的良有机溶剂溶液中的水解液，活化剂浓度为0.1％至5％

5、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述浸渍处理方法为磨料颗粒室温到100℃下于浸渍液中浸泡5分钟到3天。

6、  根据权利要求5所述的方法，其特征是磨料颗粒在所述浸渍液中浸泡后，分离溶液，并在90℃至250℃下烘干并反应，时间为5分钟至12小时。

7、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述机械混合法处理方法中，处理液是不经稀释的活化剂液体，或将活化剂溶于对应的良有机溶剂中形成的，浓度在10％以上的水解液。

8、  根据权利要求7所述的方法，其特征是所述将处理液及磨料颗粒一同放入混料机中混合均匀，混合时间为5分钟至12小时，混合温度为室温至100℃。

9、  根据权利要求7所述的方法，其特征是所述将处理好的磨料从混料机中取出或在混料机中于90℃至250℃下烘干并反应，时间为5分种至12小时。

磨料表面改性改善金属基磨具加工光洁度的方法
技术领域
本发明涉及一种改进的生产金属结合剂磨具的工艺方法，特别是涉及提高金属结合剂磨具加工光洁度及延长磨具使用寿命的方法。
背景技术
金属结合剂磨具虽有面形保持能力好、使用寿命长等优点，但因加工光洁度较树脂磨具低，而限制了在超精密加工中的应用。对金属结合剂磨具而言，除选择细粒度的磨料外，考虑最多的是磨料分选时如何控制磨料的粒度分布及品级(晶型)。专利CN2387981Y介绍了一种金刚石选形机分选盘的板簧支撑装置，专利CN2374283Y介绍了一种低噪声金刚石选形机，都是通过优化分选机结构及分选工艺的方法控制磨料的粒度分布及品级(晶型)。
但即便磨料粒度分布控制的已很窄，也有可能因磨料聚集成团而变相形成大颗粒而损伤加工表面，降低加工光洁度。南京理工大学李凤生教授在《超细粉体技术》一书中提到，粉体在超细粉碎过程中，由于冲击、摩擦及粒径的减小，微粉的表面积累了大量的正电荷或负电荷，这些带电粒子极不稳定，为了趋于稳定，它们相互吸引，使颗粒产生团聚，在这一过程中主要作用力是静电库仑力。其次，在粉碎过程中，粉体吸收了大量的机械能和热能，因而使微粉表面具有相当高的表面能，这些微粉为了降低表面能，趋于稳定状态，会通过相互聚集靠拢而达到稳定状态，因此产生团聚现象。当粉体超细化到一定粒径以下时，颗粒间的距离极短，颗粒之间的范德华引力远远大于颗粒自身的重力，微粉颗粒也会相互吸引而产生团聚。解决微粉团聚问题最有效的方法是对其表面进行改性处理。
对磨料改性一般有两种办法，其一是通过涂覆、镀膜等方式在磨料表面形成一层金属层或多金属复合层。专利CN100348776C介绍了一种通过在磨料表面涂覆金属氧化物然后高温还原在磨料表面形成金属层的方法，专利CN2767145Y介绍一种金刚石和钛和镍和银复合结构，专利CN1786258A介绍了一种金刚石表面涂覆玻璃涂覆立方氮化硼镀钛复合结构及制造方法。其二，通过涂覆、化学反应等方式，在磨料表面形成一层有机层。专利CN118766C中介绍了，通过浸渍法使金刚石和粉末填料颗粒表面涂覆一层耐热有机硅或有机氟涂层，从而改善树脂金刚石砂轮本体强度及耐热和耐磨性能的方法。
金属或多金属复合层表面改性磨料应用于树脂结合剂磨具及金属结合剂磨具，可提高结合剂与磨料之间的附着力，从而延长磨具的使用寿命。
在文献及专利之中，表面有机化改性磨料在树脂结合剂磨具上的应用屡见不鲜，但没有应用于金属结合剂磨具的先例。其根本原因在于，磨料有机化的目的是，通过硅偶联剂之类的物质对磨料表面处理，提高磨料与结合剂的附着力从而延长使用寿命。金属结合剂磨具高温烧结时，有机物炭化失效，起不到提高附着力的目的，也就没有了应用的必要。
发明内容
本发明的根本目在于，通过硅、钛、铝、锆、硼等元素的有机化合物活化剂，对金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉等磨料微粉进行表面改性处理，使磨料微粉表面附着一层有机物，在降低磨料微粉的表面自由能的同时，通过磨料微粉表面附着有机物同种电荷相互排斥或位阻效应，使磨料在金属结合剂磨具在混料过程中更易分散均匀，降低磨料聚集成团，形成大颗粒的机率，减少大颗粒磨料对加工表面的损伤，从而提高光洁度，同时磨料表面所附有机物在金属结合剂磨具烧结时，可在磨料表面形成氧化物保护层，降低磨料在磨削过程中的热烧蚀，从而延长磨具使用寿命。对于表面有机化改性磨料能否提高磨具金属结合剂与磨料之间的附着力，不在本专利的考虑范围之中，这也是本发明同其它专利及文献的根本差别。
磨料表面有机化改性提高金属结合剂磨具加工光洁度的方法应用于采用以金属单质粉或预合金粉为结合剂原料，热压烧结成型或冷压成型加热烧结两种方法生产的磨具。其特征是利用含硅、钛、铝、锆、硼等元素的有机化合物中的一种或几种组合物为活化剂对金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉等磨料微粉中一种或几种组合物，通过浸渍法或机械混合法进行表面改性处理。活化剂中有机硅化合物为含氨乙基、氨丙基、乙烯基、氯丙基、巯丙基等有机官能团的硅烷偶联剂，有机钛化合物为包括单烷氧基、螯合型、配位型的钛酸酯偶联剂，有机锆化合物为锆酸酯偶联剂，有机硼化合物为硼酸酯偶联剂。浸渍处理方法是将磨料颗粒于室温到100℃下，浸于表面活化剂在对应的良有机溶剂溶液中浓度为0.1％至5％水解液浸渍液中，浸泡5分钟到3天。分离溶液后，在90℃至250℃下烘干并反应5分种至12小时即可。机械混合法处理方法中，将不经稀释的活化剂液体，或将活化剂溶于对应的良有机溶剂中形成的浓度在10％以上的水解液，与磨料颗粒一同放入混料机中室温至100℃下混合5分钟到12小时至混合均匀，然后从混料机中取出放入烘干机中或在混料机中于90℃至250℃下烘干，并反应5分钟至12小时即可。
具体实施方式
下面结合具休实施事例，进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做出的各种改动或修改，这些等价形式仍属于本发明申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将湖北武大有机硅新材料股份公司生产的WD-52硅偶联剂[N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷]以5％浓度溶于无水乙醇，外加5％冰醋酸混合均匀，形成浸渍液。取同一批次的W10金刚石微粉的一半浸于该浸渍液中，浸泡2小时，取出金刚石微粉在空气中放置1小时，于150℃烘箱中烘烤2小时，即得到表面有机化改性的W10金刚石微粉。
将表面有机化改性的W10金刚石微粉及没有表面有机化改性的W10金刚石微粉分别按，铜78％、锡12％、银7％、锌3％外加W10金刚石微粉3％的配方配制混合料，并以400MPa的压力压制为φ10×5的试片，并于氢气保护下于700℃下烧结1小时制得磨片。
在转速2000r/min，压力0.4MPa下，以φ10×5的磨片磨削K9玻璃15s，在4倍放大镜下观察加工面的光洁度，以表面有机化改性的W10金刚石微粉制作的磨片所磨削的100片K9玻璃中有2片表面有粗划痕，以没有表面有机化改性的W10金刚石微粉制着的磨片所磨削的100片K9玻璃表面有15片表面有粗划痕。
实施例2
取同一批次230/270立方氮化硼的一半在高速混合机内预热干燥至110-130℃除去水分后，投入2％(重量比)重庆市嘉世泰化工有限公司生产的F-3超分散型铝酸脂偶联剂(化学分子式为(C3H7O)XAL(OCOR1)m(OCOR2)n(OAB)y)，高速搅拌约5分钟后出料，迅速冷却即得到表面有机化改性的W20立方氮化硼微粉。
将表面有机化改性的230/270#立方氮化硼及没有表面有机化改性的240～280#立方氮化硼的分别按，铜78％、锡12％、镍5％、锌5％外加240～280#立方氮化硼6％的配方配制混合料，热压成30×3×4的珩磨条。
将制作的珩磨条试件以6条为一组，在珩磨机主轴转速153m/s，往复速度24m/s，压力17MPa下，磨削40Cr钢1分钟，在4倍放大镜下观察加工面的光洁度，以表面有机化改性的230/270立方氮化硼制作的珩磨条所磨削的100件40Cr钢工件，只有1件有粗划痕，以没有表面有机化改性的230/270立方氮化硼制作的珩磨条所磨削的100件40Cr钢9片表面有粗划痕。