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用于陶瓷加工的金剛磨具
日期:2016-08-10 09:08:01 閱讀量:

用于陶瓷加工的金剛磨具

                                                                                                         佛山市南海區新維科技有限公司

摘要

介紹了金剛石磨具的結構,詳細闡述了在陶瓷磚用燒結金屬結合劑和樹脂結合劑金剛石磨具制備中金剛石磨料的選擇和應用,以及結合劑的種類和結合劑對金剛石磨輪性能的影響。

關鍵瓷:金剛石磨具、金屬結合劑、樹脂結合劑

前言

裝飾用的陶瓷磚具有硬度高、花色豐富、運輸方便、施工快等優點,深受大眾青睞。但這些材料很難或不能采用普通的加工方法進行加工,金剛石磨具磨削仍然是陶瓷材料最有效的加工方法。金剛石磨具按結合劑不同分為燒結金屬結合劑金剛石磨具、電鍍金屬結合劑金剛石磨具、樹脂結合劑金剛石磨具、陶瓷結合劑金剛石磨具。目前,陶瓷行業用的較多的是燒結金屬結合劑金剛石磨具和樹脂結合劑金剛石磨具。

金剛石磨具一般由金剛石層(磨料層或工作層)、過渡層(非金剛石層)、基體三部分組成。金剛石層由金剛石磨料和結合劑共同組成的壓制層,是磨具的工作部分,起磨削作用;過渡層由結合劑粉末構成的壓制層,不含金剛石磨料,是工作層與基體之間的過渡部分,使工作層和基體牢固結合,保證工作層被充分利用;基體起支撐壓制層的作用,并便于裝卡磨具,在使用時用法蘭盤通過基體把磨具裝卡在磨床主軸上。金剛石磨具的性能由基體、金剛石磨料和結合劑共同決定,而結合劑對金剛石的結合力對磨具的使用性能和使用壽命起決定作用。

1、燒結金屬結合劑金剛石磨具

燒結金屬結合劑金剛石磨具結合強度高,成形性好,耐高溫,導熱性和耐磨性好,使用壽命長,可承受較大的負荷。它主要用于陶瓷、光學玻璃、半導體、寶石等非金屬硬脆材料的粗磨、半精磨工序,尤其適用于深磨、成形磨削等(要求磨具形狀保持性較好)加工場合。燒結金剛石磨具經配料、混料、熱壓(或冷壓)燒結、后加工等工序制備而成。燒結金屬結合劑金剛石磨具所用的原材料,包括磨具基體、金剛石磨料、結合劑三大類。結合劑主要成分是金屬粉末,此外還有非金屬粉末添加劑,以及成形時使用的潤滑劑、潤濕劑和臨時粘結劑等。

1.1金屬結合劑金剛石磨料

不同類型的金剛石有不同的物理性質和化學性質,在制備金剛石磨具時,應根據磨具使用的場合,選擇適用的金剛石。金屬結合劑金剛石磨具所用的金剛石磨料,一般采用中等強度MBD系列的MBD4、MBD6、MBD10類金剛石,該類金剛石磨料晶形完整或基本完整,為塊狀等積形結晶,并具有中等強度和脆性。依據粗磨—半精磨—精磨的順序,金屬結合劑磨具所用的金剛石,粒度可在50/60~230/270目的范圍內選擇。

濃度是金剛石磨具和立方氮化硼特有的性能,如25%、50%、75%、100%、150%、200%幾種。濃度越大,參加切削的磨粒就越多,使切削厚度和磨削力減小,磨削溫度下降,磨削比增大。高濃度(≥100%)一般用于砂輪面與工件接觸面小、較為耐磨的結合劑、粗粒度和對形狀保持有要求的砂輪;中等濃度(75%)常用于樹脂平形砂輪、工具磨削樹脂砂輪、鋒利性的金屬結合劑和中等粒度的砂輪;低濃度(50%、25%)一般用于砂輪面與工件有較大接觸面甚至是全接觸、細粒度和微粉金剛石,以及對有高光潔度磨削要求、微小磨削余量要求的砂輪。一般磨削時,應選擇80~120目,半精磨選擇120~180目,精磨選擇180目~270目;樹脂結合劑磨具選用50%~100%的濃度,青銅結合劑磨具選用75%~150%的濃度,粗粒度、成形磨削和高效率磨削時應選用高濃度。

1.2基體

金屬結合劑金剛石磨具基體主要有鋼基體、銅粉基體。銅粉基體主要用在規格較小的磨具上,利用粉末基體可以大大節省金屬材料和工時費用?;w材質選擇是否合理直接影響磨具質量和磨削性能,合理的材質可以通過以下幾點來衡量。

1)基體的熱膨脹系數。避免因膨脹影響工件加工精度以及磨具產生歪斜、振動、鋒利度不夠等問題,因而以采用熱膨脹系數小、剛性好的基體為佳。

2)基體與超硬磨料層的熱膨脹率匹配性。應盡量選擇熱膨脹率相近的基體,以避免二者之間產生熱應力,在大的沖擊力作用下導致工作層脫落。

3)基體材質的密度。密度小的基體在磨具生產和使用上便于操作,且重量輕的基體對保持磨床的精度也很重要。

4)基體的剛度。應避免在高速磨削中基體因慣性力而出現塑性變形或破壞,所以,一般選擇高剛度基體,這也是粉末基體僅適應于小規格砂輪的原因之一。

1.3金屬結合劑

金屬結合劑按合金種類大致分成銅基結合劑、鈷基結合劑、鐵基結合劑和鎳基結合劑。各種結合劑組成范圍[3](質量%):銅基二元體系60~95Cu,5~40Zn,復雜銅合金體系40~70Cg,0~15s,0~30Zn,1~10Ni,1~15Co,0~20W,0~10Mn;鈷基結合劑分高鈷配方(Co≥70%)和中鈷配方(30%~70%Co),其余為Cu、Sn、Mn、Ni、W等金屬;鐵基結合劑中各元素的組成范圍(質量%):20~30Cu,5~8Sn,8~15Ni,0~5Co,30~50Fe,10~25W;鎳基結合劑在國內應用較少,國外只有一種Ni>95%的小鋸片。結合劑是聯結基體和金剛石的重要部分,結合劑對金剛石把持力的大小、對磨具的使用性能和使用壽命起決定性作用,提高結合劑對金剛石的把持力是國內外學者研究的重點。結合劑與金剛石之間的結合有:機械結合、物理吸附(范德華力)、化學吸附(化學鍵力)3種作用方式。后兩種作用下的結合,可稱為焊接性粘結。金屬結合劑和金剛石的牢固把持是通過適當的燒結溫度來實現的,燒結溫度的確定由結合劑的特性決定,每一種結合劑都有其固定的燒結溫度范圍。由于在高溫條件下,金剛石容易向石墨轉化,使金剛石的強度降低,磨具的使用性能變差,使用壽命縮短。為此,人們通常選用低熔點金屬(Cu,Sn,Ag,Pb,Zn等)用于金剛石磨具的結合劑,降低燒結溫度的同時,使結合劑對金剛石的把持力在一定程度上得到提高。但即使加入低熔點金屬,金剛石也只是機械鑲嵌在結合劑中,結合強度低,在磨具使用過程中往往會造成金剛石過早脫落而得不到充分利用。為了改善結合劑與金剛石之間的結合性能,最初許多研究者采用在結合劑中添加強碳化物形成元素(Ti、Zr、Nb、Mo、W等是強碳化物形成元素,它們對金剛石有強的親和力,能夠在高溫下與之生成穩定的化合物,以期實現結合劑與金剛石的化學鍵合,但研究證明,強碳化物形成元素與金剛石只是局部鍵合,在結合劑中添加強碳化物形成元素對金剛石把持力的改善效果不明顯。目前,國內外都采用金剛石表面涂覆金屬(即金剛石表面金屬化)以改善浸潤性,提高結合劑對金剛石的把持力。其基本原理是先對金剛石表面涂覆Ti、Mo、V、W、Cr等強碳化物形成元素,在熱壓燒結成形過程中,金剛石表面生成一層碳化物,形成化學結合。另一方面,鍍膜對金剛石有一定的保護作用,不易氧化,減小結合劑對金剛石的侵蝕。真空微蒸發鍍在涂覆過程中施加較高溫度,使金屬化薄膜與金剛石預先就有較好的化學鍵,可有效實現金剛石與結合劑之間的化學鍵合,是一種比較理想的金剛石表面金屬化方法。除這些方法外,有些研究者正在研究采用釬焊改善結合劑與金剛石的把持力,以提高磨具的磨削性能和壽命。最初的釬焊方法存在鋼基體表面易氧化,釬焊后結合劑層厚度的移植性和磨料排布的均勻性均難于有效控制的缺陷。將金剛石磨粒直接排布在Ni2Cr合金片或粉末上,用陶瓷片壓住金剛石瓷磨粒,然后在真空高頻感應機上釬焊30s(釬焊溫度為1080℃),得到釬焊金剛石磨具。實驗證明,釬料與金剛石結合力強,在重負荷磨削下,金剛石為正常磨損,沒有整顆脫落,耐磨削、耐高溫性能好。另外,德國ATrenker和HSeidemenn在高真空中釬焊金剛石工具取得了良好的效果;南京航空航天大學肖冰等用銀基釬料制備了單層金剛石砂輪。實踐證明,高溫釬焊金剛石砂輪具有較高磨削效率和使用壽命,可以替代電鍍金屬結合劑金剛石砂輪。但釬焊溫度太高,易使金剛石石墨化,降低金剛石強度,金剛石磨料的有序排布以及釬料厚度的控制等問題都有待于研究。對于金屬結合劑,鈷基雖然各項性能較好,但價格昂貴,銅基結合劑硬度低,耐磨性差,鐵基的硬度、強度、耐磨性與鈷基接近且價格卻遠低于鈷粉,所以鐵基結合劑成為結合劑研究的主要方向。國內已有不少對鐵基結合劑的研究,但只有少數廠家掌握了成熟的工藝和技術。鎳基結合劑性能介于鈷和鐵之間,價格遠遠高于鐵粉,國內較少使用。目前在陶瓷磨削中使用較多的是銅基結合劑,鐵基結合劑因性能和價格的優勢也越來越受到生產商和用戶的青睞。

1.4其他原料

金屬結合劑除主體材料金屬粉末外,常常添加少量的石墨粉或四氧化三鐵等非金屬材料粉末添加劑,它們以粒度不超過200目的極細粉末加入結合劑中。石墨在結合劑中主要起潤滑和造孔作用,以分散的游離狀態存在于結合劑中,使結合劑磨削面上形成微小的孔隙,有助于磨削時的冷卻和排削;四氧化三鐵是一種脆性材料,可以提高結合劑的脆性,減輕金屬結合劑砂輪普遍存在的韌性過高容易堵塞的現象??傊?一個實用的金屬結合劑磨具配方,在燒結過程中能夠形成適量的液相(粘結相),將骨架相的孔隙填充達到致密化燒結,而不會過多造成“跑料”流失。適當的粘結相或骨架相的成分以及結構控制使最終燒結制品能滿足把持金剛石,在磨削中與金剛石保持同步,避免出現結合劑不耐磨使金剛石過早脫落或結合劑胎體過分耐磨不能使金剛石良好出露的現象。

2、樹脂結合劑金剛石磨具

樹脂結合劑金剛石磨具同樣由金剛石磨料、基體和結合劑構成。它是以樹脂粉作為金剛石與基體之間的粘結劑,加入填充材料,通過配料、混料、熱壓成形、補充硬化、加工等工藝過程而制成的具有一定幾何形狀,且適用于不同磨削要求的磨具。目前,世界上約有60%磨料級金剛石用于制造樹脂結合劑砂輪。樹脂結合劑金剛石磨具的磨削特點主要是:磨削力小和磨削熱低,自銳性好,不易堵塞,加工效率高,加工表面光滑,磨具易修整,但耐熱性差,強度低,損耗大。金剛石濃度常用75%左右,廣泛應用于硬質合金、鈦合金的磨削,在陶瓷加工行業中也用于陶瓷磨邊后的修邊工序。樹脂結合劑金剛石磨具在陶瓷磨削中的行為。

2.1樹脂結合劑金剛石磨料

用于樹脂結合劑金剛石磨具的金剛石磨料可以分為2類:一類是RVD型金剛石,該類金剛石大部分為針片狀,表面光滑,使用效果不好,容易過早脫落。磨天倫磨輪,不僅磨削鋒利,而且效率高,光潔度也高,不易過早脫落,延長使用壽命。另一類是鍍膜金剛石,鍍膜可以提高金剛石的強度,改善樹脂對金剛石表面的浸潤性,減少磨削過程中金剛石表面熱量的積聚,使磨粒周圍的樹脂少受或免受破壞。樹脂結合劑金剛石磨具的基體有鋁基、膠木基和酚醛鋁粉基等??梢愿鶕ゾ叩某叽绾鸵幐翊_定基體的結構、材質、尺寸和技術要求等。

2.2樹脂結合劑

國內金剛石磨具所用樹脂主要有兩大類:一類是酚醛樹脂(包括普通酚醛樹脂,其牌號為2123,以及改性酚醛樹脂);另一類是聚酰亞胺樹脂,其高溫強度、耐腐蝕、耐磨損性較酚醛樹脂好,可長期在200℃下工作,但因價格昂貴,用量在一定程度上受到限制。聚酰亞胺樹脂常用于制造中需要深磨、成形磨、強力磨的磨具,而在大面積平面磨削場合,使用酚醛樹脂砂輪可以獲得較高地效率。樹脂結合劑金剛石磨具的結合劑由粘結劑(樹脂)和填料(銅粉、鋁粉等金屬粉末和氧化鋅、氧化鐵等金屬氧化物及石墨等固體潤滑劑和潤濕劑)組成,結合劑中的固體潤滑劑作為減摩材料,可以降低磨削力和磨削熱,對于不耐熱的樹脂砂輪顯得尤為重要。酚醛樹脂結合劑可選用糠醛或酚醛樹脂液等作濕潤劑,聚酰亞胺可用三乙醇胺作濕潤劑。就國產金剛石磨具而言,酚醛樹脂因其性能穩定、貨源充足、價格便宜而為廣大廠家所采用。酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂共同的缺點是耐熱性差,不耐用。二者相比,聚酰亞胺樹脂要好些,對現有的樹脂改性以及尋求耐熱性更好、強度更高、更耐用的新型樹脂,一直是人們追求的目標和正在努力研究的工作。許多學者通過改進酚醛樹脂的制備工藝來改善樹脂結合劑金剛石磨具的性能。研究表明,懸浮聚合熱固性酚醛樹脂作結合劑與溶液聚合熱塑性酚醛樹脂作結合劑相比,由于提高了對磨料的浸潤性,增強了結合劑對磨料的把持力,改善了工藝性能,成形時可避免熱塑性酚醛樹脂漏粉現象,減少產品鼓泡、裂紋等廢品,加工性能好,磨削鋒利,耐磨性高。另外,也有人采用新型制造工藝制備樹脂基金剛石砂輪。例如,日本通過類似快速制造的工藝,用光敏樹脂作結合劑制備金剛石砂輪,經磨削實驗證明其具有可行性。國內學者用SiO2增強光敏樹脂作金剛石磨具的結合劑,已初步實現圓盤狀平面磨削砂輪和超薄型切割砂輪的制造,但砂輪的工作強度和使用壽命問題還沒得到很好解決。對樹脂結合劑金剛石磨具的性能,可以從金剛石磨粒的選擇、金剛石磨粒表面鍍金屬膜、對磨粒表面處理提高磨粒表面浸潤性、樹脂種類,以及配方的優化和制備工藝方面進行改善。

3、結語

金剛石磨具是決定陶瓷磚表面質量的重要因素。在選擇金剛石磨具時需綜合考慮各方面的條件,如磨具是否具有優良的使用性能,是否能夠適合生產廠現實條件和滿足磨削加工要求,僅憑現場的一次試驗是遠遠不能得出可靠結論的。目前,有實力的磨具生產廠家一般以磨削加工瓷的材質、磨削加工速度和加工質量要求確定磨具應具備的性能,并從原材料和生產工藝上使磨具滿足所提出的性能要求。因此,了解一些金剛石及其制品的性能和結構知識,了解磨具生產工藝,對評估企業的生產能力,選擇合適的合作伙伴,保證陶瓷磚生產質量是十分必要的。

 

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