超级研磨磨石 相关申请的相互参考
本申请申请保护优先权为2002年6月5日的日本专利申请No.2002-164982(待审批)的所有权利。
背景技术
本发明涉及用于轴承座圈内表面、滚动元件、以及其他类型的滑动表面的钢材料的磨光的磨石。
一般地，从摩擦系数、生热、润滑油保持以及耐胶住(seizure-resistant)寿命的观点来看，在滚柱轴承座圈内表面，滚动元件，及其他类型的滑动表面中需要平坦的表面。待审公开的日本专利No.3-239475已经开发了形成平坦表面的超级研磨(superfinishing)磨石。上述专利公开的超级研磨磨石主要使用碳化硅、熔融氧化铝磨料颗粒或它们的混合物，当这些磨石颗粒的总体积设为100时，它们的最大体积为80-95％，以及其余的占5-20％的立方氮化硼磨料颗粒，所述立方氮化硼磨料颗粒的平均颗粒尺寸是平均磨料颗粒尺寸的5-30倍。
此外，待审公开的日本专利No.2000-343438公开了包含用作固体润滑剂而不是用作研磨剂的碳化的珠形颗粒的玻璃化磨石。它们降低了抗切割性并且增加了金刚石和CBN(立方氮化硼)研磨剂的切割能力。
可是，由常规超级研磨磨石加工地轴承座圈内表面、滚动元件、及其他类型滑动表面的钢材料的表面的详细的电子显微研究显示磨料颗粒仍然粘着在滑动面表面上，特别是氧化铝磨料颗粒，它粘着在加工表面上或者它在表面中脱落并且留下擦伤。
磨料颗粒无论怎样小，它们在磨光的滑动表面中留下的粘着物都难以通过洗涤除去。此外，当轴承在使用中时，坚硬的磨料颗粒可能脱落并积聚在滑动表面之间，严重地防碍轴承的性能。这种结果增加了有缺陷的零件的产生。
发明概要
本发明设想解决如上所述的现有技术中的问题，本发明的目的是提供适于精密研磨的超级研磨磨石，所述磨石包含用作磨料颗粒的RB(米糠)或者CRB(碳化的米糠)陶瓷细粒或者两者的结合。
如图1所示，RB和CRB陶瓷细粒的颗粒是在其表面具有多个小孔的碳颗粒。如图2所示，这些磨料颗粒的分子微结构使得它们可容易地从磨光的构件处被移走。
决定RB和CRB陶瓷细粒的抗弯曲性、抗刮伤性、抗磨性或抗切割性的维克斯硬度并不一致，介于400到1500之间。如图2所示，在分子水平上，具有“S”标记的端点的这些微粒具有高的维克斯硬度。
上述仅仅为代表性的实施方案的优点和特征。显然，它们不应被认为是对本申请所定义的发明的限制。本发明另外的特征和优点将在下面的描述和权利要求中提出。
附图的简要描述
通过结合附图阅读下列优选方案可以全部了解本发明，其中：
图1用于本发明的CRB细粒的电子显微照片。
图2为CRB细粒的碳化的酚醛树脂的示意图。
详细说明
本发明通过提供适用于精密研磨的以及包含用作磨料颗粒的RB或CRB陶瓷细粒或者两者的结合的超级研磨磨石解决现有技术的问题。
用于本发明超级研磨磨石的RB陶瓷磨料颗粒为使用米糠的多孔碳物质，并且从本发明的第一发明人Kazuo Hokirigawa的研究中已知(参见：作为参考引入本申请的Kino Zairyo[“Functional Materials”]，May 1997，Vol.17，No.5，pp.24-28)。
RB陶瓷可由脱脂米糠制造，所述脱脂米糠通过将米糠与热固性树脂混合并将所得的压块(compact)干燥获得。然后将成形材料在惰性气体气氛中烧结。
任何种类的热固性树脂都是可以接受的。典型的热固性树脂包括酚醛树脂、邻苯二甲酸二芳基酯树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、三嗪树脂，但是酚醛树脂是特别合适的。
这些树脂可与聚酰胺及其他热塑性树脂结合使用，只要这样的使用没有超出本发明的范围。
脱脂米糠和热固性树脂的混合比应该为50-90∶50-10，优选为70-80∶30-20。
已知与加压成形体相比，由RB陶瓷材料形成的磨光体的尺寸在惰性气体气氛中烧结之后可以收缩多达25％。因此，按照上述制造方法产生RB陶瓷颗粒的精确成型加工形状是困难的。因此，已经开发了改进的陶瓷-CRB陶瓷。
以下为CRB陶瓷制造方法的简要描述。
在从米糠获得的脱脂糠与热固性树脂一起捏和以及在700℃-1000℃下在惰性气体气氛中首次烧结之后，将其粉碎成碳化粉末。碳化粉末与热固性树脂一起捏和之后，将其再在600℃-900℃下进行热处理。任何种类的热固性树脂都是可以接受的。典型的热固性树脂是酚醛树脂、邻苯二甲酸二芳基酯树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、三嗪树脂，但是酚醛树脂是特别适合的。初级烧结中的热固性树脂优选为相对低分子量的液体。
普通的旋转窑用于初级烧结，而烧结时间通常为40-120分钟。用于初级烧结的碳化粉末与热固性树脂的混合质量比应该为50-90∶50-10，但优选为70-80∶30-20。
将结合碳化粉末和热固性树脂的混合且捏和的材料在20-30MPa，优选21-25MPa的压力下加压成形。模制温度大约为150℃。
可充分控制的电炉用于热处理，且热处理时间应该在60-360分钟之间。
优选的热处理温度为500℃-1100℃，且温度应该慢慢地升高到500℃。特别地，升温速率应该为0.5-2℃/分钟，优选大约1℃/分钟。
另外，在热处理完成之后，温度应该慢慢地降低到500℃的水平。然后使炉自然地冷却到500℃以下。
具体的冷却速率应该为0.5-4℃/分钟，优选大约1℃/分钟。
可是，在用于本发明的RB或CRB陶瓷的制备中，重要的事情主要不是控制达到某一温度的时间，而是控制温度并且将其保持需要的时间。
可被用于初级烧结和热处理的惰性气体为氦、氩、氖或氮气，不过氮气是优选的。
此外，上述热固性树脂可与聚酰胺及其他热固性树脂结合使用，只要这样的使用没有超过本发明的范围。
RB和CRB陶瓷之间最显著的差异在于RB陶瓷具有多达25％的成形收缩率，而CRB陶瓷是较好的，具有3％或更低的极小收缩率。
在本发明中，RB或CRB陶瓷都能被用作用于精密研磨的磨料颗粒。
作为磨料颗粒的RB陶瓷和CRB陶瓷的性质为：
维克斯硬度为400-1500；
每一种的表面上有高硬点并且颗粒是分散的；
颗粒可以弹性形变；
因为高硬点与颗粒的分子结构有关，发现硬点为一固定比例且与粒子大小无关；
它们是导电的；
它们是可还原的；
按照粉碎方法可以得到需要的颗粒尺寸；
它们的硬度可以通过改变热处理温度控制。
RB和CRB陶瓷磨料颗粒具有不规则的表面，因此它们作为研磨剂是非常耐久的。
用于本发明的RB和CRB陶瓷的一个重要的特征是这些物质的硬度。它们的硬度基本上可以通过改变烧结工艺参数加以控制，当在更高的温度烧结时，通常硬度增高。初级和次级烧结的温度显著影响CRB陶瓷，当在600℃到900℃的温度烧结时，得到硬质材料。可以根据待研磨材料的类型及其用途等确定硬度。
尽管没有特殊的限制，本发明超级研磨磨石必须包含作为磨料颗粒的RB或CRB陶瓷或两者的结合。存在两种基本类型的磨石。第一种类型为由用于固化磨料以产生超级研磨磨石的粘合剂制造的磨石。第二种类型在于相同的制造方法必须既用于RB陶瓷又用于CRB陶瓷，因此当它被压碎时，其由于热固性树脂而碳化。
在本发明超级研磨磨石中用作磨料颗粒的RB和CRB陶瓷磨料颗粒的硬度和大小可以根据用途和目的改变，但是它们一般约为1-10μm，优选1-3μm。
如果需要，其它磨料颗粒可以与RB和CRB陶瓷结合，其它磨料颗粒可包括金刚石、氮化硼磨料如CBN和WBN、氧化锆、二氧化硅、碳化硅、铁氧化物如Fe2O3或Fe3O4、氧化铬或二氧化铈。
RB陶瓷磨料颗粒和CRB陶瓷磨料颗粒与其他磨料研磨介质的质量比应该为50-90∶50-10，优选50-80∶50-20。
用于本发明超级研磨磨石的一种形式的粘合剂有三种类型：使用合成树脂的树脂胶合(resinoid bond)磨石；使用金属的金属结合(metallic bond)磨石；和使用陶瓷结合剂(vitrified bond)的陶瓷结合磨石。
可在树脂结合剂中使用以固定磨料颗粒的粘合剂可以是环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚合物酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂或其他热固性树脂。
陶瓷结合剂的基本组成为，相对于粘合剂，40-70wt％的二氧化硅，10-20wt％的氧化铝，10-20wt％的氧化硼，2-10wt％的氧化钙和/或氧化镁，2-10wt％的氧化钠和/或氧化钾，和小量的氧化铁和氧化锌。本发明的平均颗粒尺寸为1-15μm。
因为本发明在600℃到900℃的温度下加压烧结，所以上述的陶瓷粘合材料粉末必须可以在该烧结温度熔化。陶瓷粘合材料的一个典型实例为硼二氧化硅玻璃。
本发明陶瓷化磨石中的烧结材料包含至少RB或CRB陶瓷磨料颗粒，或者两者的结合，众所周知的磨料颗粒，以及陶瓷结合材料，这样该陶瓷结合材料作为陶瓷结合材料基质。
可被使用的压力烧结法包括传统的热压法、热压印(coining)、电阻烧结电加热烧结法、等离子体放电烧结、或使用泵提供真空压力烧结的热压法。
根据第一实施方案，为了生产CRB陶瓷，将75千克从米糠中获得的脱脂米糠与25千克液体酚醛树脂(可熔酚醛树脂)一起捏和并且加热到50℃-60℃。由此得到均匀混合物。
在氮气氛下，该混合物在旋转窑中，在700℃下加热120分钟，由此进行第一次焙烧。在破碎机中将得到的碳化材料压碎成粉末，然后通过球磨机产生平均颗粒尺寸为1-5μm的细粉状RB陶瓷磨料颗粒。
根据本发明第二实施方案，如在第一实施方案中一样制备RB陶瓷，不过混合物在900℃下焙烧，得到平均颗粒尺寸为1-10μm的磨料颗粒。
根据第三实施方案，为了生产CRB陶瓷，将75千克从米糠中获得的脱脂米糠与25千克液体酚醛树脂(可熔酚醛树脂)一起捏和并且加热到50℃-60℃。由此得到均匀混合物。
在氮气氛下，该混合物在旋转窑中，在750℃下加热100分钟，由此进行第一次焙烧。得到的碳化材料在破碎机中压碎成粉末，产生平均颗粒尺寸为5-10μm的碳化粉末。
在加热到100℃-150℃的同时，将得到的75千克碳化粉末与25千克固体酚醛树脂(可熔酚醛树脂)捏和在一起。由此得到CRB陶瓷的均匀前体材料。
该CRB陶瓷前体在20MPa加压成形产生球形，优选尺寸为3厘米。在氮气氛下，在电炉中，在700℃下接受3小时的第二次焙烧。在破碎机中将得到的碳化材料压碎成粉末，然后通过球磨机产生平均颗粒尺寸为1-5μm的细粉状CRB陶瓷磨料颗粒。
根据第四实施方案，如在第二选择性的实施方案中一样制备CRB陶瓷，不过在750℃下进行第一次焙烧，在700℃下进行第二次焙烧，得到平均颗粒尺寸为1-5μm的磨料颗粒。
根据第五实施方案，陶瓷化结合磨石的性能测试结果示于表1。
在如表1(相对体积)所示的组合物中，前四个实施方案的RB陶瓷磨料颗粒、CRB陶瓷磨料颗粒、市场上可获得的平均颗粒尺寸为1-2μm的金刚石磨料颗粒、以及市场上可获得的平均颗粒尺寸为1-2μm的CBN磨料颗粒，与作为结合剂被用于磨石的陶瓷粘合剂一起使用，在空气大气压下，在650℃的电热加压火焰(fire)中保持2分钟，得到陶瓷化磨石。
表1 原料实施方案1实施方案2实施方案3实施方案4实施方案5 实施例1制备的 RB磨料颗粒 15.0 实施例2制备的 RB磨料颗粒 10.0 10.0 实施例3制备的 CRB磨料颗粒 15.0 10.0 22.0 实施例4制备的 CRB磨料颗粒 10.0 10.0 10.0 金刚石磨料颗粒 20.0 10.0 15.0 20.0 CBN磨料颗粒 20.0 20.0 15.0 30.0 陶瓷粘合剂 45.0 45.0 50.0 48.0 50.0
如表2所示，根据超级研磨的量、磨石磨损尺寸以及表面粗糙度考查由此得到的超级研磨磨石的性质。以现有技术的超级研磨磨石(一种包含二氧化硅和氧化铝磨料颗粒的氮化硼石)作为标准，其值设定为100。结果如表2所示。
研磨和整理条件如下：超级研磨液流速为1.31/分钟，被研磨物质为SUJ-2(HRC-61)，被研磨材料的径向速度为3.0m/秒，循环时间为10秒，磨石表面压力为3.0MPa，预研磨粗糙度为3S，磨石振动频率为16.7/秒，以及磨石振幅为1.5mm。
表2 实施方案 1 实施方案 2实施方案 3实施方案 4实施方案 5 现有技术 实例 超级研磨的量 125 110 113 120 108 100 磨损尺寸 106 103 103 106 101 100 表面粗糙度 90 88 89 91 88 100
根据本发明选择性的实施方案，生产成形的超级研磨磨石，其中磨料颗粒和热固性树脂一起碳化。
磨料颗粒选自前四个实施方案的RB陶瓷、CRB陶瓷材料、市场上可得到的金刚石磨料颗粒(平均颗粒尺寸为1-2μm)、以及市场上可得到的CBN磨料颗粒(平均颗粒尺寸为1-2μm)。然后在100℃-150℃的温度下将这些物质与固体酚醛树脂(可熔酚醛树脂)捏和在一起，得到塑性均匀的混合物。
该均匀混合物在30Mpa加压成形，得到4mm×9mm×6mm的矩形体。然后，在氮气氛中将该矩形体在电炉中烧结，其中温度以大约1℃/分钟的速度增加直到达到500℃。随后温度升高速度提高到2℃/分钟，直到焙烧温度达到700℃。在该温度焙烧1小时。然后以1℃/分钟的速度使温度降至500℃，然后自然地冷却该炉。得到具有显示于表3的组成的碳化烧结磨石。
表3 原料实施方案6实施方案7实施方案8实施方案9实施方案10 实施例1制备的 RB磨料颗粒 15.0 实施例2制备的 RB磨料颗粒 15.0 25.0 实施例3制备的 CRB磨料颗粒 15.0 20.0 45.0 实施例4制备的 CRB磨料颗粒 25.0 25.0 金刚石磨料颗粒 20.0 10.0 15.0 20.0 CBN磨料颗粒 20.0 20.0 15.0 30.0 陶瓷粘合剂 30.0 30.0 25.0 35.0 35.0
如表4所示，根据超级研磨的量、磨石磨损尺寸以及表面粗糙度考查由此得到的超级研磨磨石的性质。以现有技术的超级研磨磨石(一种包含二氧化硅和氧化铝磨料颗粒的氮化硼石)作为标准，其值设定为100。结果示于表4：
表4实施方案 6实施方案 7实施方案 8实施方案 9实施方案 10现有技术 实例超级研磨的量 130 116 116 122 110 100 磨损尺寸 111 104 103 107 102 100 表面粗糙度 92 91 90 92 87 100
尽管已经参考特殊的实施方案描述出本发明，但是应该理解这些实施方案仅仅说明本发明的原则和应用。因此，应该理解可以对示例性的实施方案作出很多改进，而且在不脱离如附加的权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下可以设计其他的方案。