技术领域
本发明涉及磨料材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷球研磨剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，轴承的使用环境和条件越来越多样化，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高。一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业，需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已远远不能满足，必须开发新型材料，从根本上进行突破和创新。由于陶瓷材料具有耐高温、长寿命、低发热、低热膨胀、高刚性、无磁性、绝缘性等优异的性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点。
但是由于陶瓷的高硬度、高耐磨性，使得陶瓷轴承球存在加工效率低、加工周期长，生产成本高等不足，严重影响了陶瓷球的批量化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷球研磨剂及其制备方法和应用，本发明提供的陶瓷球研磨剂用于陶瓷材质轴承球的生产加工，加工效率高，有助于缩短加工周期，进而降低生产成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种陶瓷球研磨剂，以质量百分含量计，包括以下组分：
所述磨削剂为金刚石微粉。
优选的，所述金刚石微粉的粒径为0.3～150μm。
优选的，所述分散剂包括聚乙二醇、聚乙二醇油酸酯和司盘中的一种或多种。
优选的，所述悬浮剂包括硬脂酸、凡士林和甘油三硬脂酸酯中的一种或多种。
优选的，所述固化剂包括石蜡和/或平平加。
优选的，所述助磨剂包括油酸、亚油酸和三乙醇胺中的一种或多种。
本发明提供了上述技术方案所述陶瓷球研磨剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将悬浮剂加热熔融后，加入金刚石微粉，得到悬浮液；将助磨剂和所述悬浮液混合，得到第一混合料液；
(2)将固化剂和分散剂加热熔融，得到第二混合料液；
(3)在60～80℃的恒温条件下，将所述步骤(2)得到的第二混合料液加入到所述步骤(1)得到的第一混合料液后，得到研磨液；将所述研磨液冷却，得到陶瓷球研磨剂；
所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。
优选的，所述步骤(3)中第二混合料液加入到第一混合料液的过程在恒温槽中进行。
本发明还提供了上述技术方案所述陶瓷球研磨剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的陶瓷球研磨剂在研磨制备陶瓷球中的应用。
优选的，所述应用具体为：采用所述陶瓷球研磨剂对陶瓷原料进行研磨；所述研磨的方式包括依次进行的粗磨、细磨、精磨、初研和精研；
当所述陶瓷球研磨剂用于粗磨时，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉的粒径为40～150μm；
当所述陶瓷球研磨剂用于细磨时，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉的粒径为10～100μm；
当所述陶瓷球研磨剂用于精磨时，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉的粒径为3.5～60μm；
当所述陶瓷球研磨剂用于初研时，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉的粒径为1～10μm；
当所述陶瓷球研磨剂用于精研时，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉的粒径为0.3～2μm。
本发明提供了一种陶瓷球研磨剂，以质量百分含量计，包括以下组分：磨削剂6～30％；分散剂0.5～5％；悬浮剂15～40％；固化剂10～40％；助磨剂20～60％；所述磨削剂为金刚石微粉。本发明以金刚石微粉为磨削剂，配合分散剂、悬浮剂、固化剂和助磨剂，能够使金刚石微粉均匀分布在研磨剂中，同时确保应用时研磨剂能均匀的包裹在陶瓷球的表面，从而大大提高陶瓷球研磨剂磨削效率。实施例结果表明，本发明提供的陶瓷球研磨剂用于陶瓷材质轴承球的加工，磨削效率高，为传统工艺的3～5倍；生产成本低，仅为传统工艺的三分之一至四分之一左右。
具体实施方式
本发明提供了一种陶瓷球研磨剂，以质量百分含量计，包括以下组分：
所述磨削剂为金刚石微粉。
以质量百分含量计，本发明提供的陶瓷球研磨剂包括6～30％的磨削剂，优选为10～26％。在本发明中，所述磨削剂为金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径优选为0.3～150μm，进一步优选为0.4～120μm，更优选为0.5～100μm。
在本发明中，所述陶瓷球研磨剂中金刚石微粉粒径在不同范围内，可用于不同的研磨形式：当所述金刚石微粉的粒径为40～150μm，优选为50～120μm，更优选为60～100μm时，所述陶瓷球研磨剂可用于粗磨；当所述金刚石微粉的粒径为10～100μm，进一步优选为10～80μm，更优选为20～60μm，最优选为30～50μm时，所述陶瓷球研磨剂可用于细磨；当所述金刚石微粉的粒径为3.5～60μm，进一步优选为7～60μm，更优选为10～50μm，最优选为10～25μm时，所述陶瓷球研磨剂可用于精磨。当所述金刚石微粉的粒径为1～10μm，进一步优选为1～8μm，更优选为2～6μm，最优选为4～6μm时，所述陶瓷球研磨剂可用于初研；当所述金刚石微粉的粒径为0.3～2μm，进一步优选为0.4～1μm，更优选为0.5～0.8μm时，所述陶瓷球研磨剂可用于精研。
本发明对所述粗磨、细磨、精磨以及初研、精研的具体形式没有特殊限定，以本领域技术人员所熟知的即可。优选的，本发明所述粗磨、细磨和精磨工序中，所述金刚石微粉为非整型颗粒，所述非整型颗粒棱角分明，有利于充分发挥研磨剂的切削性能，保证磨削效率；本发明所述初研和精研工序中，所述金刚石微粉为整型颗粒，所述整型颗粒形状统一，且无锐角，有利于磨削表面的均匀性。本发明对所述金刚石微粉的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的金刚石微粉即可。
以质量百分含量计，本发明提供的陶瓷球研磨剂包括0.5～5％的分散剂，优选为1～4.5％。在本发明中，所述分散剂优选包括聚乙二醇、聚乙二醇油酸酯和司盘中的一种或多种，最优选为聚乙二醇。本发明对所述分散剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售分散剂即可。本发明所述分散剂能够将磨削剂分散均匀。
以质量百分含量计，本发明提供的陶瓷球研磨剂包括5～40％的悬浮剂，优选为10～35％。在本发明中，所述悬浮剂优选包括硬脂酸、凡士林和甘油三硬脂酸酯中的一种或多种，最优选硬脂酸。本发明对所述悬浮剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售悬浮剂即可。本发明所述悬浮剂能够使磨削剂处于悬浮状态，避免沉淀。
以质量百分含量计，本发明提供的陶瓷球研磨剂包括10～40％的固化剂，优选为15～35％。在本发明中，所述固化剂优选包括石蜡和/或平平加，进一步优选为石蜡。本发明对所述固化剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的固化剂即可。
以质量百分含量计，本发明提供的陶瓷球研磨剂包括20～60％的助磨剂，优选为30～50％。在本发明中，所述助磨剂优选包括油酸、亚油酸和三乙醇胺中的一种或多种，进一步优选为油酸。本发明对所述助磨剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的助磨剂即可。
本发明还提供了上述技术方案所述陶瓷球研磨剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将悬浮剂加热熔融后，加入金刚石微粉，得到悬浮液；将助磨剂和所述悬浮液混合，得到第一混合料液；
(2)将固化剂和分散剂加热熔融，得到第二混合料液；
(3)在60～80℃的恒温条件下，将所述步骤(2)得到的第二混合料液加入到所述步骤(1)得到的第一混合料液后，得到研磨液；将所述研磨液冷却，得到陶瓷球研磨剂；
所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。
本发明将悬浮剂加热熔融后，加入金刚石微粉，得到悬浮液。在本发明中，所述加热熔融的温度优选为60～80℃，进一步优选为70～80℃。本发明对所述加热熔融的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。本发明对所述加热熔融的时间没有特殊要求，以达到完全熔融的状态为止。待悬浮剂完全熔融后，本发明优选在搅拌的条件下向熔融悬浮剂中加入所述金刚石微粉，使金刚石微粉分散均匀；所述搅拌的速率优选为10～20r/min，进一步优选为15～20r/min；所述搅拌的时间优选为30～60min，进一步优选为45～60min。
得到悬浮液后，本发明将助磨剂和所述悬浮液混合，得到第一混合料液。在本发明中，所述助磨剂和悬浮液的混合温度优选为60～80℃，更优选为70～80℃；所述混合优选在恒温槽中进行。本发明优选将所述助磨剂加入到悬浮液中。本发明所述助磨剂加入悬浮液的过程优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速率优选为10～20r/min，进一步优选为15～20r/min；所述搅拌的时间优选为30～60min，进一步优选为45～60min。
本发明将固化剂和分散剂加热熔融，得到第二混合料液。本发明优选将固化剂和分散剂一起加热熔融；所述加热熔融的温度优选为60～80℃，进一步优选为70～80℃。本发明对所述加热熔融的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。本发明对所述加热熔融的时间没有特殊要求，以达到完全熔融的状态为止。在本发明中，所述第二混合料液的温度与加热熔融温度一致。在本发明中，第一混合料液的制备和第二混合料液的制备没有时间先后顺序。
得到第一混合料液和第二混合料液之后，本发明在60～80℃的恒温条件下，将所述第二混合料液加入到所述第一混合料液后，得到研磨液；将所述研磨液冷却，得到陶瓷球研磨剂。在本发明中，所述第二混合料液加入到第一混合料液过程的温度优选为70～80℃；料液加入过程优选在恒温槽中进行。在本发明中，当所述第二混合料液和所述第一混合料液的温度在60～80℃时，无需对二者进行加热，直接将所述第二混合料液加入到所述第一混合料液即可。在本发明中，所述加入优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速率优选为10～20r/min，进一步优选为15～20r/min。
本发明优选将第二混合料液全部加入第一混合料液后，在恒温条件下继续搅拌30～60min，得到研磨液。在本发明中，所述继续搅拌的时间进一步优选为45～60min；所述恒温条件与前述技术方案第二混合料液加入至第一混合料液过程中的恒温条件一致，在此不再赘述。
得到研磨液后，本发明将所述研磨液进行冷却，得到陶瓷球研磨剂。本发明在所述冷却过程中，研磨液发生固化，得到陶瓷球研磨剂。本发明优选在搅拌条件下进行冷却；所述冷却的终止温度为室温；本发明对所述冷却的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的冷却方式即可，具体的可以采用循环冷却槽进行冷却。
本发明另提供了上述技术方案所述陶瓷球研磨剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的陶瓷球研磨剂在研磨制备陶瓷球中的应用。本发明对所述应用的实施方式没有特殊要求，直接采用所述陶瓷球研磨剂对陶瓷原料进行研磨即可。本发明所述研磨的方式优选包括依次进行的粗磨、细磨、精磨、初研和精研。优选的，当分别用于粗磨、细磨、精磨、初研和精研时，先将所述陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，然后进行研磨即可；即将金刚石微粉粒径为40～150μm的陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，进行粗磨，清洗陶瓷原料表面；再将金刚石微粉粒径为10～100μm的陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，进行细磨，清洗陶瓷原料表面；然后将金刚石微粉粒径为3.5～60μm的陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，进行精磨，清洗陶瓷原料表面；将金刚石微粉粒径为1～10μm的陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，然后进行初研，清洗陶瓷原料表面；再将金刚石微粉粒径为0.3～2μm的陶瓷球研磨剂均匀涂抹于陶瓷原料表面，进行精研。本发明用于粗磨、细磨、精磨、初研和精研的陶瓷球研磨剂与前述技术方案中一致，在此不再赘述。在本发明中，所述粗磨用于陶瓷毛坯找圆，并去除球体大部分的加工余量；所述细磨用于去除粗磨加工后剩余的大部分余量；所述精磨将细磨加工后所剩余的留量去除，并预留研工序所需磨削量；所述初研及精研用于去除最后的留量，并加工产品精度至标准要求。
下面结合实施例对本发明提供的陶瓷球研磨剂及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将15wt.％的硬脂酸在75℃恒温槽中加热至熔融，并不断搅拌加入6wt.％粒径为150μm的金刚石微粉，得到悬浮液；在75℃恒温状态下将60wt.％的油酸加入所述步骤(1)的悬浮液中，不断搅拌，得到第一混合料液；
(2)将14wt.％石蜡和5wt.％聚乙二醇在75℃恒温槽中加热至熔融，并不断搅拌，得到第二混合料液；
(3)在75℃恒温槽中，将所述步骤(2)的第二混合料液加入到所述步骤(1)的第一混合料液中，继续搅拌1小时，停止加热，放入循环冷却槽，并不断搅拌直至冷却至室温，得到陶瓷球研磨剂。
实施例2～5
按照实施例1的方法制备陶瓷球研磨剂，不同的是金刚石微粉的粒径，实施例2～5金刚石微粉的粒径依次为60μm、30μm、6μm、0.6μm。
实施例6
按照表1的配比采用以下步骤制备陶瓷球研磨剂。
(1)将悬浮剂在70℃恒温槽中加热至熔融，并不断搅拌加入金刚石微粉，得到悬浮液；在70℃恒温状态下将助磨剂加入所述步骤(1)的悬浮液中，不断搅拌，得到第一混合料液；
(2)将固化剂和分散剂在70℃恒温槽中加热至熔融，并不断搅拌，得到第二混合料液；
(3)在70℃恒温槽中，将所述步骤(2)的第二混合料液加入到所述步骤(1)的第一混合料液中，继续搅拌1小时，停止加热，放入循环冷却槽，并不断搅拌直至冷却至室温，得到陶瓷球研磨剂。
实施例7～10
按照实施例6的制备方法制备陶瓷球研磨剂，各组分及其配比情况见表1。
表1实施例6～10各组分配比情况
对比例1
对比例1采用传统工艺中的碳化硼为研磨剂。
采用实施例1～5和对比例1的陶瓷球研磨剂加工规格为Φ6.35mm的氮化硅陶瓷球，加工设备采用3ML4780D循环立式研球机加工情况见表2。
表2实施例1～5和对比例1的加工情况
分别对实施例1～5和对比例1加工陶瓷球的成本进行计算，结果见表3和表4。
表3实施例1～5和对比例1加工成本情况
粗磨 细磨 精磨 初研工序 精研工序 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 73元/批 42元/批 28元/批 31元/批 33元/批
表4对比例1加工成本情况
粗磨 细磨 精磨 初研工序 精研工序 300元/批 150元/批 100元/批 100元/批 100元/批
对比例2
对比例2采用传统工艺中的碳化硼为研磨剂。
采用实施例6～10和对比例2的陶瓷球研磨剂加工规格为Φ6.35mm的氮化硅陶瓷球，加工设备采用3ML4780D循环立式研球机加工情况见表5。
表5实施例6～10和对比例2的加工情况
分别对实施例6～10和对比例2加工陶瓷球的成本进行计算，结果见表6和表7。
表6实施例6～10和对比例2加工成本情况
粗磨 细磨 精磨 初研工序 精研工序 实施例6 实施例7 实施例8 实施例9 实施例10 82元/批 53元/批 35元/批 38元/批 37元/批
表7对比例2加工成本情况
粗磨 细磨 精磨 初研工序 精研工序 300元/批 150元/批 100元/批 100元/批 100元/批
表2和表5结果显示，本发明提供的陶瓷球研磨剂较传统工艺的研磨剂相比，加工效率更高，为传统工艺的3～5倍。对比表3和表4、表6和表7结果可知，本发明提供的陶瓷球研磨剂加工成本更低，仅为传统工艺的三分之一至四分之一左右。
由以上实施例可知，本发明提供了一种陶瓷球研磨剂，以质量百分含量计，包括以下组分：磨削剂6～30％；分散剂0.5～5％；悬浮剂15～40％；固化剂10～40％；助磨剂20～60％；所述磨削剂为金刚石微粉。实施例结果表明，本发明提供的陶瓷球研磨剂磨削效率高，为传统工艺的3～5倍，磨料成本低，仅为传统工艺的三分之一至四分之一左右。
并且使用本发明提供的研磨剂加工得到氮化硅陶瓷球成品球精度高，表面粗糙度Ra可达3～5nm，球形误差可达0.05～0.07um，球批直径变动量可控制在0.1um内，产品各项性能指标均符合GB/T 31703—2015/ISO 26602—2009《陶瓷球轴承氮化硅球》标准要求的G5及G3级标准要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。