碳化矽砂輪的製作方法

2023-05-06 20:16:46 1

專利名稱：碳化矽砂輪的製作方法
背景技術：
本發明涉及磨削工具，具體地涉及包含碳化矽磨料粗砂和空心陶瓷小球的砂輪，這種砂輪具有改進的抗禦砂輪磨削麵外形損傷的性能。本發明還包括一種玻璃質粘結劑組合物，該組合物改進了碳化矽砂輪的機械強度和半徑保持性能。
新型精密移動部件要在更高的輸出、更高的效率下使用更長的時間。這些部件例如包括發動機(內燃發動機、噴氣發動機和電動機)，驅動系統(傳動裝置和差動裝置)和軸承表面。為了滿足這些要求，部件必須具有更好的質量，包括更好/更強固的結構和更嚴格的公差。使用了更輕的金屬和複合材料以便提高輸出和速度而不降低效率。為了實現尺寸公差，部件可以用較昂貴的材料製成接近於其最終形狀和大小。
通常用砂輪製造整個部件或使其具有最終的尺寸。在金屬部件上使用得最多的砂輪是玻璃化或玻璃粘結的砂輪。為了用砂輪製造這類精確部件，要用金剛石刀具將部件的反像「修整」在砂輪表面。由於被製造的部件要獲得砂輪的外形，因此砂輪能儘量長久地保持其形狀是很重要的。理想的砂輪能產生具有精確尺寸公差的精密部件而不發生材料損傷。
通常砂輪的邊角或輪上的曲線會變形。磨床的操作者可以在每加工一個工件後修整砂輪以避免缺陷，或者在蠕變進料(creepfeed)磨削的情況下，連續地進行修整(即金剛石修整砂輪的工具連續地與砂輪接觸)。用高性能磨料粗砂製造的砂輪，其邊角可以在磨削4至5個工件以後還不發生變形，磨床操作者可以計劃每磨削3個工件後進行修整。減少修整時砂輪的損耗以及進一步降低修整頻率和/或校正率(修整深度)是希望達到的目的。
在製造具有改進的邊角保持性能的砂輪時，與溶膠-凝膠α-氧化鋁和常規氧化鋁等氧化物磨料粗砂結合使用的、以增強的機械強度為特徵的玻璃質粘結劑已有所報導。這些粘結劑公開在美國專利-A-5,203,886、-A-5,401,284和-A-5,536,283中。這些專利在此引用參考。這些粘結劑可以在較低溫度下燒成，以避免與高性能的、燒結的溶膠-凝膠α-氧化鋁磨粒發生反應。氧化鋁磨粒製成的砂輪用以精修精密的移動部件，尤其是鐵質金屬部件時，呈現優良的性能。
對於非鐵質部件，如鈦和較輕或較軟的材料，效果較差。已知氧化鋁磨粒用來磨削這些材料時效率較低。碳化矽磨粒對這些材料是有效的，但在燒成時易於與粘結劑組分發生反應而被過分氧化，引起過分收縮，發泡或鼓脹，或使砂輪結構產生空心(coring)。即使在燒成能保持氧化鋁粗砂磨輪邊角的粘結劑的較低溫度下，這些粘結劑也會與碳化矽磨粒反應，使磨粒氧化而導致砂輪內的缺陷。
現已發現，降低低溫玻璃質粘結劑中某些活性氧化物的含量，尤其是氧化鋰的含量，而且使砂輪的配料中包含該新穎粘結劑、空心陶瓷小球和碳化矽磨粒，可製造優良的砂輪，其中的碳化矽未被過分氧化。這些砂輪是現在已知的玻璃質粘結的碳化矽砂輪的改進。這些砂輪在機械性能上是強固的，可抗禦外形損耗，並具有充分的空隙度，便於在磨削時清除碎屑和輸送冷卻劑以防止工件表面被擦傷或燒壞。這些砂輪適合於磨削新發明的精密移動部件中所用的鈦和其它重量輕的金屬和複合材料。
本發明的概述本發明的砂輪包括碳化矽磨粒，約5-21％(體積)空心陶瓷小球，和玻璃質的粘結劑，其中的玻璃質粘結劑在燒成後包括約大於50％(重量)的SiO2，約小於16％(重量)的Al2O3，約0.05-2.5％(重量)的K2O，約小於1.0％(重量)的Li2O和約9-16％(重量)的B2O3。使用這些粘結劑組分時磨粒最不容易被氧化，並且具有這些粘結劑組分的砂輪的特徵是有改進的保持邊角或外形的性能，尤其是在磨削非鐵的精確移動部件時。較好的砂輪包括4-15％(體積)的玻璃質粘結劑(其燒成溫度高達1100℃),34-50％(體積)的碳化矽磨粒，和30-55％(體積)的孔隙。
較佳實施例的說明本發明的玻璃質粘結劑磨具包括碳化矽磨粒。這裡也用空心的陶瓷小球作為氣孔形成物，或填料，或輔助磨料。磨具包括約5-21％(體積)的空心陶瓷小球，較好的包括7-18％(體積)的空心陶瓷小球。所述的體積包含陶瓷外殼的體積以及小球的內部孔隙。這裡所用的較好的空心陶瓷小球是包含莫來石和熔凝二氧化矽的那些空心陶瓷小球，它們可購自Zeeland Industries,Inc.，其商品名為Z-Light，尺寸範圍為10-450微米。儘管不希望受任何理論的限制，一般認為所述的空心陶瓷小球在燒成期間優先與粘結劑反應，避免了碳化矽磨粒的氧化。其它的空心陶瓷小球，例如Extendospheres(可由PQ Corporation購得的材料)也適合此處使用。適用於本發明的小球包括尺寸在1-1000微米的小球。小球的尺寸最好相當於粘結劑顆粒的尺寸，例如對於120-220粗砂(142-66微米)磨粒，較好的是10-150微米的小球。
本發明的砂輪包括磨料，粘結劑，空心陶瓷小球，以及任選的其它輔助磨料，填充劑和添加劑。本發明的砂輪較好的包括約34-50％(體積)的磨料，更好約包括35-47％(體積)的磨料，最好約包括36-44％(體積)的磨料。
碳化矽磨料顆粒佔砂輪總磨料的約50-100％(體積)，較好佔砂輪總磨料的約60-100％(體積)。
輔助磨料任選的佔砂輪總磨料的約0-50％(體積)，較好佔砂輪總磨料的約0-40％(體積)。可能使用的輔助磨料包括(但並不限於)氧化鋁，經燒結的溶膠-凝膠α-氧化鋁，莫來石，二氧化矽，立方晶系氮化硼，金剛石，燧石和石榴石。
本發明的砂輪組合物必須包含一最小體積百分數的孔隙以有效地磨削各種趨於變成粘性並使碎屑難以清除的材料，例如鈦。
本發明的砂輪組合物較好包含約30-55％(體積)的孔隙，更好包含約35-50％(體積)的孔隙，最好包含約39-45％(體積)的孔隙。所述的孔隙既包括由材料的天然堆積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質形成的，所述的空心陶瓷介質例如為Z-Light(莫來石/熔凝SiO2)空心小球和空心玻璃珠。雖然有些類型的有機聚合物小珠，例如Piccotac(樹脂，或萘)，在低速度的燒成循環中可以與碳化矽磨粒一起使用。大多數的有機成孔劑與玻璃質粘結劑中的碳化矽磨粒一起使用時會產生製造的困難。由於熱膨脹不匹配，鼓泡氧化鋁作為成孔劑與砂輪組分不能配伍。
本發明的砂輪是用玻璃質粘結劑粘結在一起的。所用的玻璃質粘結劑對於改進本發明砂輪保持形狀的性能有顯著的貢獻。較好的粘結劑原料包括肯塔基6號球土，霞石正長巖，燧石和多孔玻璃。這些材料的組合包括下述氧化物SiO2,Al2O3,Fe2O3,TiO2,CaO,MgO,Na2O,K2O,Li2O和B2O3。
本發明的砂輪組合物較好包括約4-20％(體積)的粘結劑，最好包括約5-15％(體積)的粘結劑。
燒成後的粘結劑包括約大於50％(重量)的SiO2，較好約50-65％(重量)的SiO2，最好約60％(重量)的SiO2；約小於16％(重量)的Al2O3，較好約12-16％(重量)的Al2O3，最好約14％(重量)的Al2O3；較好約7-11％(重量)的Na2O，更好約8-10％(重量)的Na2O，最好約8.6％(重量)的Na2O；約小於2.5％(重量)的K2O，較好約0.05-2.5％(重量)的K2O，最好約1.7％(重量)的K2O；小於約1.0％(重量)的Li2O，較好約0.2-0.5％(重量)的Li2O，最好約0.4％(重量)的Li2O；小於約18％(重量)的B2O3，較好約9-16％(重量)的B2O3，最好約13.4％(重量)的B2O3。玻璃質粘結劑內的其它氧化物(例如Fe2O3,TiO2,CaO和MgO)是原料中的雜質，在粘結劑的製造中，它們不是必須的，在燒成後它們的含量為每種氧化物不超過約1.0％(重量)。
本發明的砂輪是由本領域已知的方法燒成的，燒成的條件主要取決於實際所用的粘結劑和磨料，以及砂輪的尺寸和形狀。對於本發明中所揭示的與碳化矽一起用的粘結劑，所要求的最大的燒成溫度是1100℃，以防止燒成期間磨粒與粘結劑之間的反應會損壞砂輪。
在燒成以後，所述的玻璃質粘結的輪體可按常規方式用研磨助劑或載體(例如環氧樹脂)浸漬，以便將研磨助劑帶入砂輪的氣孔內，所述的研磨助劑可以是蠟，或硫，或各種天然的或合成的樹脂。可以使用其它的助劑，例如加工助劑，著色劑。除溫度和上述的組合物的限定以外，可通過現有技術中任何一種常規方式，將砂輪或其它的磨具(例如磨石或油石)進行模製，壓制和燒成。
下述實施例可用於說明但是並不限制本發明。
實施例實施例1製備了樣品用以試驗和比較本發明的低燒成溫度、低活性粘結劑與購自Norton公司專用於碳化矽磨料的粘結劑的性能。新粘結劑在燒成前的組分是42.5％(重量)粉末狀的玻璃料(該玻璃料的組分為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)的霞石正長巖，21.3％(重量)的肯塔基6號球土，4.9％(重量)的燧石(石英)。霞石正長巖、肯塔基6號球土和燧石的化學組成列於表1。
表1<
該粘結劑是將原料在Sweco震動磨中幹混合3小時而製得。在製造本發明的砂輪時，將這粘結劑混入由Norton公司購得的未燒制碳化矽磨粒(60粒度)與由Zeeland Industries,Inc.,Australia購得的Z-Light空心陶瓷小球(W-1800級，大小為200-450微米)的混合物中。將該混合進一步與粉末狀糊精粘合劑、液態動物膠(47％固體)、和作為溼潤劑的乙二醇混合，混合是在裝有轉盤和攪拌棒葉片的76.2cm(30英寸)立式柱塞混合器(spindle mixer)中慢速進行。使混合物通過14目篩網以使塊狀物破碎。然後將混合物壓成尺寸為508×25.4×203.8mm(20″×1″×8″)的砂輪。將砂輪在以下條件燒成以每小時40℃的速率從室溫升至1000℃，在該溫度保持8小時，然後在間歇窯中冷卻至室溫。也用Norton公司出售的兩種標準粘結劑製備了砂輪樣品，這些粘結劑是將原料在Norton的生產設備內用標準的生產工藝幹混合而製得的。將粘結劑與磨料混合物混合。該磨料混合物包含磨料(60粒度未燒制的碳化矽磨粒)與下表配方中所示的其它組分。砂輪是用燒成保溫溫度為900℃的生產周期燒成的。
本發明的砂輪與市售碳化矽砂輪在體積密度、彈性模量和SBP(噴砂穿透率)等方面是大致相同的。結果如表2所示。其中噴砂穿透率SBP表示砂輪的硬度，是將48cc的砂在7psi的壓力下通過直徑為1.43cm(9/16英寸)的噴嘴，噴向砂輪磨削表面，然後測量砂穿透至輪內的距離。本發明的砂輪沒有發泡、坍塌、空心或表明燒成後碳化矽被氧化了的其它缺陷，其外觀與肉眼看到的結構與市售對比例非常相似。
表2砂輪組分與測試結果
實施例2製備了砂輪來將本發明的新型碳化矽砂輪粘結劑和組合物與(1)新粘結劑摻在不含空心陶瓷小球的碳化矽砂輪組合物中和(2)Norton公司所產的用於氧化鋁磨料的低溫粘結劑(美國專利A-5,401,284中的粘結劑)進行比較。砂輪組合物示於表3。粘結劑和砂輪是按實施例1相同的方法製造，不同的是砂輪尺寸為
而且用實施室規模的混合器(Hobart N50料團混合機)代替立式柱塞混合器，並且使用了在1000℃保溫的燒成循環。結果示於表3。
表3砂輪組合物和測試結果
與本發明的砂輪不同，用空心陶瓷小球與用於氧化鋁磨料的低溫粘結劑製成的砂輪呈現令人不能接受的收縮率(即超過4％體積)。用新粘結劑製造，但不含空心陶瓷小球的碳化矽砂輪也呈現令人不能接受的坍塌度、表面起泡和氣泡。表明這兩種情況下在燒成時都發生了粘結劑與磨粒的反應。而本發明的砂輪顯然不存在粘結劑與磨粒的反應。因此，為了製備本發明的碳化矽砂輪，砂輪組合物中必須既包含空心陶瓷小球，也包含與磨粒的反應活性較低的新型低溫粘結劑。
實施例3測試實施例1的砂輪中新型粘結劑的徑向磨損，並與市售粘結劑對比砂輪進行比較。
燒成後，用新型粘結劑製造的砂輪包含約42％體積磨粒(碳化矽與Z-Light空心小球的陶瓷殼層的組合)，約8.1％體積的粘結劑和約49.9體積的孔隙(自然孔隙與Z-Light空心小球內部體積引起的孔隙的組合)。
將市售的砂輪與用新型粘結劑製得的砂輪(所有砂輪都含有8.1％體積燒結後的粘結劑)一起對鈦塊進行連續修整的蠕動進料磨削試驗。
磨削試驗的條件如下磨床Blohm #410 PROFIMAT溼磨10％Trim Master Chemical/VHP E200和水被磨工件材料鈦塊工件尺寸159×102mm切割寬度25.4mm切割深度2.54mm砂輪的邊角半徑表面修成直角(無規定半徑)載物臺速度2.12mm/s；3.18mm/s；或4.23mm/s砂輪表面修整以每轉0.76微米的速度連續修整砂輪速度23m/s(4,500sfpm)860rpm每次測試的磨削數每種載物臺速度下2次磨削徑向磨損是在每次磨削後通過磨削一塊試樣磚片獲取砂輪外形而測定的。試樣磚片用放大率50倍的光學比較器畫出其跡線。用測徑規測出跡線上的最大徑向磨損作為砂輪的徑向磨損(以微米表示的平均邊角半徑)。結果如下。
表4砂輪徑向磨損測試結果
根據這磨削試驗可得出結論使用新型粘結劑和空心陶瓷小球製成的本發明碳化矽砂輪，與常規碳化矽砂輪相比，具有改進的機械強度，能抗禦砂輪外形損耗，以及可接受的表面光潔度，功率要求和磨削力。
應該理解，在不脫離本發明的範圍和實質的條件下可有各種變化，這對於本領域技術人員是顯而易見而且很容易作出的。因此，本發明的範圍並不限於上面的說明，而是包括本發明的所有具有專利性的特徵，以及本領域技術人員看作是其等價內容的特徵。
權利要求
1．一種砂輪，它包含碳化矽磨粒，約5-21％體積空心陶瓷小球和玻璃質粘結劑，其中的玻璃質粘結劑在燒成後，按重量百分數計，包含大於約50％的SiO2，小於約16％的Al2O3，約0.05-2.5％的K2O，小於約1.0％的Li2O以及約9-16％的B2O3。
2．如權利要求1所述的砂輪，其特徵還在於所述的空心陶瓷小球包含熔凝的莫來石和二氧化矽。
3．如權利要求2所述的砂輪，其特徵還在於所述空心陶瓷小球的尺寸為約1-1000微米。
4．如權利要求2所述的砂輪，其特徵還在於所述砂輪含有約34-50％體積的碳化矽磨粒。
5．如權利要求1所述的砂輪，其特徵還在於所述砂輪含有約4-20％體積的玻璃質粘結劑。
6．如權利要求1所述的砂輪，其特徵還在於所述砂輪含有約30-55％體積的孔隙。
7．如權利要求1所述的砂輪，其特徵還在於所述玻璃質粘結劑在燒成後，按重量百分數計，含有約55-65％的SiO2，約12-16％的Al2O3，和小於0.5％的Li2O。
8．一種用於磨削非鐵材料的砂輪的製造方法，包括以下步驟a)提供玻璃質粘結劑混合物，該混合物在燒成後產生玻璃質粘結劑，按重量百分數計，包含大於約50％的SiO2，小於約16％的Al2O3；b)將該玻璃質粘結劑混合物加入至包含碳化矽磨粒和空心陶瓷小球的混合物中；c)模壓成形磨削工具部件；和d)在不高於1100℃的溫度下燒成所述模壓成形後的磨削工具部件；所得的磨削工具基本上看不到表明碳化矽磨粒被氧化的徵象。
全文摘要
一種玻璃質粘結的砂輪,這種砂輪包含碳化矽磨粒,空心陶瓷小球以及低溫、高強度粘結劑。該砂輪具有改進的保持邊角或外形的性能以及改進的機械性能;適用於磨削非鐵材料。
文檔編號B24D3/18GK1232419SQ97198566
公開日1999年10月20日 申請日期1997年10月1日 優先權日1996年10月9日
發明者D·A·謝爾登 申請人:諾頓公司