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碳化硅砂轮及其制造方法
                      发明背景

    本发明涉及磨削工具，具体地涉及包含碳化硅磨料粗砂和空心陶瓷小球的砂轮，这种砂轮具有改进的抗御砂轮磨削面外形损伤的性能。本发明还包括一种玻璃质粘结剂组合物，该组合物改进了碳化硅砂轮的机械强度和半径保持性能。

    新型精密移动部件要在更高的输出、更高的效率下使用更长的时间。这些部件例如包括发动机(内燃发动机、喷气发动机和电动机)，驱动系统(传动装置和差动装置)和轴承表面。为了满足这些要求，部件必须具有更好的质量，包括更好/更强固的结构和更严格的公差。使用了更轻的金属和复合材料以便提高输出和速度而不降低效率。为了实现尺寸公差，部件可以用较昂贵的材料制成接近于其最终形状和大小。

    通常用砂轮制造整个部件或使其具有最终的尺寸。在金属部件上使用得最多的砂轮是玻璃化或玻璃粘结的砂轮。为了用砂轮制造这类精确部件，要用金刚石刀具将部件的反像“修整”在砂轮表面。由于被制造的部件要获得砂轮的外形，因此砂轮能尽量长久地保持其形状是很重要的。理想的砂轮能产生具有精确尺寸公差的精密部件而不发生材料损伤。

    通常砂轮的边角或轮上的曲线会变形。磨床的操作者可以在每加工一个工件后修整砂轮以避免缺陷，或者在蠕变进料(creepfeed)磨削的情况下，连续地进行修整(即金刚石修整砂轮的工具连续地与砂轮接触)。用高性能磨料粗砂制造的砂轮，其边角可以在磨削4至5个工件以后还不发生变形，磨床操作者可以计划每磨削3个工件后进行修整。减少修整时砂轮的损耗以及进一步降低修整频率和/或校正率(修整深度)是希望达到的目的。

    在制造具有改进的边角保持性能的砂轮时，与溶胶-凝胶α-氧化铝和常规氧化铝等氧化物磨料粗砂结合使用的、以增强的机械强度为特征的玻璃质粘结剂已有所报导。这些粘结剂公开在美国专利-A-5,203,886、-A-5,401,284和-A-5,536,283中。这些专利在此引用参考。这些粘结剂可以在较低温度下烧成，以避免与高性能的、烧结的溶胶-凝胶α-氧化铝磨粒发生反应。氧化铝磨粒制成的砂轮用以精修精密的移动部件，尤其是铁质金属部件时，呈现优良的性能。

    对于非铁质部件，如钛和较轻或较软的材料，效果较差。已知氧化铝磨粒用来磨削这些材料时效率较低。碳化硅磨粒对这些材料是有效的，但在烧成时易于与粘结剂组分发生反应而被过分氧化，引起过分收缩，发泡或鼓胀，或使砂轮结构产生空心(coring)。即使在烧成能保持氧化铝粗砂磨轮边角的粘结剂的较低温度下，这些粘结剂也会与碳化硅磨粒反应，使磨粒氧化而导致砂轮内的缺陷。

    现已发现，降低低温玻璃质粘结剂中某些活性氧化物的含量，尤其是氧化锂的含量，而且使砂轮的配料中包含该新颖粘结剂、空心陶瓷小球和碳化硅磨粒，可制造优良的砂轮，其中的碳化硅未被过分氧化。这些砂轮是现在已知的玻璃质粘结的碳化硅砂轮的改进。这些砂轮在机械性能上是强固的，可抗御外形损耗，并具有充分的空隙度，便于在磨削时清除碎屑和输送冷却剂以防止工件表面被擦伤或烧坏。这些砂轮适合于磨削新发明的精密移动部件中所用的钛和其它重量轻的金属和复合材料。

                本发明的概述

    本发明的砂轮包括碳化硅磨粒，约5-21％(体积)空心陶瓷小球，和玻璃质的粘结剂，其中的玻璃质粘结剂在烧成后包括约大于50％(重量)的SiO₂，约小于16％(重量)的Al₂O₃，约0.05-2.5％(重量)的K₂O，约小于1.0％(重量)的Li₂O和约9-16％(重量)的B₂O₃。使用这些粘结剂组分时磨粒最不容易被氧化，并且具有这些粘结剂组分的砂轮的特征是有改进的保持边角或外形的性能，尤其是在磨削非铁的精确移动部件时。较好的砂轮包括4-15％(体积)的玻璃质粘结剂(其烧成温度高达1100℃)，34-50％(体积)的碳化硅磨粒，和30-55％(体积)的孔隙。

                较佳实施例的说明

    本发明的玻璃质粘结剂磨具包括碳化硅磨粒。这里也用空心的陶瓷小球作为气孔形成物，或填料，或辅助磨料。磨具包括约5-21％(体积)的空心陶瓷小球，较好的包括7-18％(体积)的空心陶瓷小球。所述的体积包含陶瓷外壳的体积以及小球的内部孔隙。这里所用的较好的空心陶瓷小球是包含莫来石和熔凝二氧化硅的那些空心陶瓷小球，它们可购自Zeeland Industries，Inc.，其商品名为Z-Light，尺寸范围为10-450微米。尽管不希望受任何理论的限制，一般认为所述的空心陶瓷小球在烧成期间优先与粘结剂反应，避免了碳化硅磨粒的氧化。其它的空心陶瓷小球，例如Extendospheres(可由PQ Corporation购得的材料)也适合此处使用。适用于本发明的小球包括尺寸在1-1000微米的小球。小球的尺寸最好相当于粘结剂颗粒的尺寸，例如对于120-220粗砂(142-66微米)磨粒，较好的是10-150微米的小球。

    本发明的砂轮包括磨料，粘结剂，空心陶瓷小球，以及任选的其它辅助磨料，填充剂和添加剂。本发明的砂轮较好的包括约34-50％(体积)的磨料，更好约包括35-47％(体积)的磨料，最好约包括36-44％(体积)的磨料。

    碳化硅磨料颗粒占砂轮总磨料的约50-100％(体积)，较好占砂轮总磨料的约60-100％(体积)。

    辅助磨料任选的占砂轮总磨料的约0-50％(体积)，较好占砂轮总磨料的约0-40％(体积)。可能使用的辅助磨料包括(但并不限于)氧化铝，经烧结的溶胶-凝胶α-氧化铝，莫来石，二氧化硅，立方晶系氮化硼，金刚石，燧石和石榴石。

    本发明的砂轮组合物必须包含一最小体积百分数的孔隙以有效地磨削各种趋于变成粘性并使碎屑难以清除的材料，例如钛。

    本发明的砂轮组合物较好包含约30-55％(体积)的孔隙，更好包含约35-50％(体积)的孔隙，最好包含约39-45％(体积)的孔隙。所述的孔隙既包括由材料的天然堆积密度所固有的孔隙所形成的，也包括引起孔隙的空心陶瓷介质形成的，所述的空心陶瓷介质例如为Z-Light(莫来石/熔凝SiO₂)空心小球和空心玻璃珠。虽然有些类型的有机聚合物小珠(例如Piccotac^树脂，或萘)，在低速度的烧成循环中可以与碳化硅磨粒一起使用。大多数的有机成孔剂与玻璃质粘结剂中的碳化硅磨粒一起使用时会产生制造的困难。由于热膨胀不匹配，鼓泡氧化铝作为成孔剂与砂轮组分不能配伍。

    本发明的砂轮是用玻璃质粘结剂粘结在一起的。所用的玻璃质粘结剂对于改进本发明砂轮保持形状的性能有显著的贡献，较好的粘结剂原料包括肯塔基6号球土，霞石正长岩，燧石和多孔玻璃，这些材料的组合包括下述氧化物：SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃，TiO₂，CaO，MgO，Na₂O，K₂O，Li₂O和B₂O₃。

    本发明的砂轮组合物较好包括约4-20％(体积)的粘结剂，最好包括约5-15％(体积)的粘结剂。

    烧成后的粘结剂包括约大于50％(重量)的SiO₂，较好约50-65％(重量)的SiO₂，最好约60％(重量)的SiO₂；约小于16％(重量)的Al₂O₃，较好约12-16％(重量)的Al₂O₃，最好约14％(重量)的Al₂O₃；较好约7-11％(重量)的Na₂O，更好约8-10％(重量)的Na₂O，最好约8.6％(重量)的Na₂O；约小于2.5％(重量)的K₂O，较好约0.05-2.5％(重量)的K₂O，最好约1.7％(重量)的K₂O；小于约1.0％(重量)的Li₂O，较好约0.2-0.5％(重量)的Li₂O，最好约0.4％(重量)的Li₂O；较好约9-16％(重量)的B₂O₃，最好约13.4％(重量)的B₂O₃。玻璃质粘结剂内的其它氧化物(例如Fe₂O₃，TiO₂，CaO和MgO)是原料中的杂质，在粘结剂的制造中，它们不是必须的，在烧成后它们的含量为每种氧化物不超过约1.0％(重量)。

    本发明的砂轮是由本领域已知的方法烧成的，烧成的条件主要取决于实际所用的粘结剂和磨料，以及砂轮的尺寸和形状。对于本发明中所揭示的与碳化硅一起用的粘结剂，所要求的最大的烧成温度是1100℃，以防止烧成期间磨粒与粘结剂之间的反应会损坏砂轮。

    在烧成以后，所述的玻璃质粘结的轮体可按常规方式用研磨助剂或载体(例如环氧树脂)浸渍，以便将研磨助剂带入砂轮的气孔内，所述的研磨助剂可以是蜡，或硫，或各种天然的或合成的树脂。可以使用其它的助剂，例如加工助剂，着色剂。除温度和上述的组合物的限定以外，可通过现有技术中任何一种常规方式，将砂轮或其它的磨具(例如磨石或油石)进行模制，压制和烧成。

    下述实施例可用于说明但是并不限制本发明。

                      实施例

    实施例1

    制备了样品用以试验和比较本发明的低烧成温度、低活性粘结剂与购自Norton公司专用于碳化硅磨料的粘结剂的性能。新粘结剂在烧成前的组分是：42.5％(重量)粉末状的玻璃料(该玻璃料的组分为49.4％重量的SiO₂，31.0％重量的B₂O₃，3.8％重量的Al₂O₃，11.9％重量的Na₂O，1.0％重量的Li₂O，2.9％重量的MgO/CaO，和痕量的K₂O)，31.3％(重量)的霞石正长岩，21.3％(重量)的肯塔基6号球土，4.9％(重量)的燧石(石英)。霞石正长岩、肯塔基6号球土和燧石的化学组成列于表1。

                         表1    氧化物    (重量％)    霞石   正长岩    肯塔基    6号球土    燧石    SiO₂    60.2    64.0    99.6    Al₂O₃    23.2    23.2    0.2    Na₂O    10.6    0.2    K₂O    5.1    0.4    MgO    0.3    CaO    0.3    0.1    杂质    0.1    3.4    0.1    灼烧损失    0.4    8.7    0.1

    该粘结剂是将原料在Sweco震动磨中干混合3小时而制得。在制造本发明的砂轮时，将这粘结剂混入由Norton公司购得的未烧制碳化硅磨粒(60粒度)与由Zeeland Industries，Inc.，Australia购得的Z-Light空心陶瓷小球(W-1800级，大小为200-450微米)的混合物中。将该混合进一步与粉末状糊精粘合剂、液态动物胶(47％固体)、和作为湿润剂的乙二醇混合，混合是在装有转盘和搅拌棒叶片的76.2cm(30英寸)立式柱塞混合器(spindle mixer)中慢速进行。使混合物通过14目筛网以使块状物破碎。然后将混合物压成尺寸为508×25.4×203.8mm(20″×1″×8″)的砂轮。将砂轮在以下条件烧成：以每小时40℃的速率从室温升至1000℃，在该温度保持8小时，然后在间歇窑中冷却至室温。也用Norton公司出售的两种标准粘结剂制备了砂轮样品，这些粘结剂是将原料在Norton的生产设备内用标准的生产工艺干混合而制得的。将粘结剂与磨料混合物混合。该磨料混合物包含磨料(60粒度未烧制的碳化硅磨粒)与下表配方中所示的其它组分。砂轮是用烧成保温温度为900℃的生产周期烧成的。

    本发明的砂轮与市售碳化硅砂轮在体积密度、弹性模量和SBP(喷砂穿透率)等方面是大致相同的。结果如表2所示。其中喷砂穿透率SBP表示砂轮的硬度，是将48cc的砂在7psi的压力下通过直径为1.43cm(9/16英寸)的喷嘴，喷向砂轮磨削表面，然后测量砂穿透至轮内的距离。本发明的砂轮没有发泡、坍塌、空心或表明烧成后碳化硅被氧化了的其它缺陷，其外观与肉眼看到的结构与市售对比例非常相似。

                                表2

                        砂轮组分与测试结果  砂轮组分  (％重量)市售粘结剂    A-1市售粘结剂    A-2 市售粘结剂    B    本发明    粘结剂磨粒    75.32    77.23    75.73    77.23造孔剂Z-Light小球    --    5.81    7.26    7.22Piccotac树脂    6.89    --    --    --粘结剂    12.17    12.33    12.38    12.82糊精    2.12    1.56    1.56    1.52动物胶    3.02    2.94    2.95    3.01水    0.54    --    --    --乙二醇    0.21    0.12    0.12    0.12砂轮组分(％体积)磨粒    38.0    38.3    37.4    37.4Z-Light小球(只计壳层)    0    3.7    4.6    4.6Z-Light小球(总体积)    0    11.7    14.6    14.6粘结剂(烧结后)    8.1    8.1    8.1    8.1测试结果生坯密度g/cm³    1.543    1.533    1.544    1.530烧成密度g/cm³    1.41    1.49    1.49    1.48弹性模量    20.0    19.0    22.2    22.5SBP mm    3.83    5.04    4.22    3.94

    实施例2

    制备了砂轮来将本发明的新型碳化硅砂轮粘结剂和组合物与(1)新粘结剂掺在不含空心陶瓷小球的碳化硅砂轮组合物中和(2)Norton公司所产的用于氧化铝磨料的低温粘结剂(美国专利A-5,401,284中的粘结剂)进行比较。砂轮组合物示于表3。粘结剂和砂轮是按实施例1相同的方法制造，不同的是砂轮尺寸为178×25.4×31.75mm(7×1×英寸)，而且用实施室规模的混合器(Hobart N50料团混合机)代替立式柱塞混合器，并且使用了在1000℃保温的烧成循环。结果示于表3。

                        表3

                砂轮组合物和测试结果砂轮组分(％重量)  本发明粘结剂  本发明粘结剂  市售粘结剂磨粒    75.36    84.41    73.50Z-Light小球    7.64    0    9.17粘结剂    12.06    11.20    12.38糊精    1.91    1.47    1.88动物胶    2.91    2.79    2.94乙二醇    0.12    0.13    0.12砂轮组分(％体积)磨粒    35.42    48.00    34.50Z-Light小球(只计壳层)    4.6    0    5.5Z-Light小球(总体积)    14.6    0    17.5粘结剂    7.2    8.1    7.2测试结果生坯密度g/cm³    1.459    1.751    1.456体积密度g/cm³目标值实际值    1.395    1.43    1.698    未能测定    1.389    1.45收缩率(％体积)    2.9 胀大和表面起泡    5.0SBP mm    4.35-4.62    未能测定    3.20-3.26

    与本发明的砂轮不同，用空心陶瓷小球与用于氧化铝磨料的低温粘结剂制成的砂轮呈现令人不能接受的收缩率(即超过4％体积)。用新粘结剂制造，但不含空心陶瓷小球的碳化硅砂轮也呈现令人不能接受的坍塌度、表面起泡和气泡。表明这两种情况下在烧成时都发生了粘结剂与磨粒的反应。而本发明的砂轮显然不存在粘结剂与磨粒的反应。因此，为了制备本发明的碳化硅砂轮，砂轮组合物中必须既包含空心陶瓷小球，也包含与磨粒的反应活性较低的新型低温粘结剂。

    实施例3

    测试实施例1的砂轮中新型粘结剂的径向磨损，并与市售粘结剂对比砂轮进行比较。

    烧成后，用新型粘结剂制造的砂轮包含约42％体积磨粒(碳化硅与Z-Light空心小球的陶瓷壳层的组合)，约8.1％体积的粘结剂和约49.9体积的孔隙(自然孔隙与Z-Light空心小球内部体积引起的孔隙的组合)。

    将市售的砂轮与用新型粘结剂制得的砂轮(所有砂轮都含有8.1％体积烧结后的粘结剂)一起对钛块进行连续修整的蠕动进料磨削试验。

    磨削试验的条件如下：

    磨床：Blohm#410 PROFIMAT

    湿磨：10％Trim Master Chemical/VHP E200和水

    被磨工件材料：钛块

    工件尺寸：159×102mm

    切割宽度：25.4mm

    切割深度：2.54mm

    砂轮的边角半径：表面修成直角(无规定半径)

    载物台速度：2.12mm/s；3.18mm/s；或4.23mm/s

    砂轮表面修整：以每转0.76微米的速度连续修整

    砂轮速度：23m/s(4,500sfpm)860rpm

    每次测试的磨削数：每种载物台速度下2次磨削

    径向磨损是在每次磨削后通过磨削一块试样砖片获取砂轮外形而测定的。试样砖片用放大率50倍的光学比较器画出其迹线。用测径规测出迹线上的最大径向磨损作为砂轮的径向磨损(以微米表示的平均边角半径)。结果如下。

                       表4

                砂轮径向磨损测试结果  测试结果市售粘结剂    A-1市售粘结剂    A-2市售粘结剂    B    本发明    粘结剂功率watts/mm载物台速度2.12mm/s    278    252    287    2993.18mm/s    390    332    386    4214.23mm/s    482    373    463    505法向力N/mm载物台速度2.12mm/s    8.2    7.4    8.4    8.83.18mm/s    11.4    10.0    11.7    12.14.23mm/s    13.8    11.0    13.4    14.6引出波纹(微米)载物台速度2.12mm/s    9.4    10.2    9.9    9.73.18mm/s    9.4    9.9    9.1    9.74.23mm/s    13.5    10.4    8.1    10.4边角半径载物台速度2.12mm/s    409    658    484    3823.18mm/s    842    1129    806    5664.23mm/s    1073    2248    1169    1097

    根据这磨削试验可得出结论：使用新型粘结剂和空心陶瓷小球制成的本发明碳化硅砂轮，与常规碳化硅砂轮相比，具有改进的机械强度，能抗御砂轮外形损耗，以及可接受的表面光洁度，功率要求和磨削力。

    应该理解，在不脱离本发明的范围和实质的条件下可有各种变化，这对于本领域技术人员是显而易见而且很容易作出的。因此，本发明的范围并不限于上面的说明，而是包括本发明的所有具有专利性的特征，以及本领域技术人员看作是其等价内容的特征。