專(zhuān)利名稱(chēng)：碳化硅砂輪的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及磨削工具，具體地涉及包含碳化硅磨料粗砂和空心陶瓷小球的砂輪，這種砂輪具有改進(jìn)的抗御砂輪磨削面外形損傷的性能。本發(fā)明還包括一種玻璃質(zhì)粘結(jié)劑組合物，該組合物改進(jìn)了碳化硅砂輪的機(jī)械強(qiáng)度和半徑保持性能。
新型精密移動(dòng)部件要在更高的輸出、更高的效率下使用更長(zhǎng)的時(shí)間。這些部件例如包括發(fā)動(dòng)機(jī)(內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī))，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(傳動(dòng)裝置和差動(dòng)裝置)和軸承表面。為了滿(mǎn)足這些要求，部件必須具有更好的質(zhì)量，包括更好/更強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)和更嚴(yán)格的公差。使用了更輕的金屬和復(fù)合材料以便提高輸出和速度而不降低效率。為了實(shí)現(xiàn)尺寸公差，部件可以用較昂貴的材料制成接近于其最終形狀和大小。
通常用砂輪制造整個(gè)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(jié)的砂輪。為了用砂輪制造這類(lèi)精確部件，要用金剛石刀具將部件的反像“修整”在砂輪表面。由于被制造的部件要獲得砂輪的外形，因此砂輪能盡量長(zhǎng)久地保持其形狀是很重要的。理想的砂輪能產(chǎn)生具有精確尺寸公差的精密部件而不發(fā)生材料損傷。
通常砂輪的邊角或輪上的曲線會(huì)變形。磨床的操作者可以在每加工一個(gè)工件后修整砂輪以避免缺陷，或者在蠕變進(jìn)料(creepfeed)磨削的情況下，連續(xù)地進(jìn)行修整(即金剛石修整砂輪的工具連續(xù)地與砂輪接觸)。用高性能磨料粗砂制造的砂輪，其邊角可以在磨削4至5個(gè)工件以后還不發(fā)生變形，磨床操作者可以計(jì)劃每磨削3個(gè)工件后進(jìn)行修整。減少修整時(shí)砂輪的損耗以及進(jìn)一步降低修整頻率和/或校正率(修整深度)是希望達(dá)到的目的。
在制造具有改進(jìn)的邊角保持性能的砂輪時(shí)，與溶膠-凝膠α-氧化鋁和常規(guī)氧化鋁等氧化物磨料粗砂結(jié)合使用的、以增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度為特征的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑已有所報(bào)導(dǎo)。這些粘結(jié)劑公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利-A-5,203,886、-A-5,401,284和-A-5,536,283中。這些專(zhuān)利在此引用參考。這些粘結(jié)劑可以在較低溫度下燒成，以避免與高性能的、燒結(jié)的溶膠-凝膠α-氧化鋁磨粒發(fā)生反應(yīng)。氧化鋁磨粒制成的砂輪用以精修精密的移動(dòng)部件，尤其是鐵質(zhì)金屬部件時(shí)，呈現(xiàn)優(yōu)良的性能。
對(duì)于非鐵質(zhì)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(lái)磨削這些材料時(shí)效率較低。碳化硅磨粒對(duì)這些材料是有效的，但在燒成時(shí)易于與粘結(jié)劑組分發(fā)生反應(yīng)而被過(guò)分氧化，引起過(guò)分收縮，發(fā)泡或鼓脹，或使砂輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空心(coring)。即使在燒成能保持氧化鋁粗砂磨輪邊角的粘結(jié)劑的較低溫度下，這些粘結(jié)劑也會(huì)與碳化硅磨粒反應(yīng)，使磨粒氧化而導(dǎo)致砂輪內(nèi)的缺陷。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，降低低溫玻璃質(zhì)粘結(jié)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(jié)劑、空心陶瓷小球和碳化硅磨粒，可制造優(yōu)良的砂輪，其中的碳化硅未被過(guò)分氧化。這些砂輪是現(xiàn)在已知的玻璃質(zhì)粘結(jié)的碳化硅砂輪的改進(jìn)。這些砂輪在機(jī)械性能上是強(qiáng)固的，可抗御外形損耗，并具有充分的空隙度，便于在磨削時(shí)清除碎屑和輸送冷卻劑以防止工件表面被擦傷或燒壞。這些砂輪適合于磨削新發(fā)明的精密移動(dòng)部件中所用的鈦和其它重量輕的金屬和復(fù)合材料。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的砂輪包括碳化硅磨粒，約5-21％(體積)空心陶瓷小球，和玻璃質(zhì)的粘結(jié)劑，其中的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑在燒成后包括約大于50％(重量)的SiO2，約小于16％(重量)的Al2O3，約0.05-2.5％(重量)的K2O，約小于1.0％(重量)的Li2O和約9-16％(重量)的B2O3。使用這些粘結(jié)劑組分時(shí)磨粒最不容易被氧化，并且具有這些粘結(jié)劑組分的砂輪的特征是有改進(jìn)的保持邊角或外形的性能，尤其是在磨削非鐵的精確移動(dòng)部件時(shí)。較好的砂輪包括4-15％(體積)的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑(其燒成溫度高達(dá)1100℃),34-50％(體積)的碳化硅磨粒，和30-55％(體積)的孔隙。
較佳實(shí)施例的說(shuō)明本發(fā)明的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑磨具包括碳化硅磨粒。這里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(nèi)部孔隙。這里所用的較好的空心陶瓷小球是包含莫來(lái)石和熔凝二氧化硅的那些空心陶瓷小球，它們可購(gòu)自Zeeland Industries,Inc.，其商品名為Z-Light，尺寸范圍為10-450微米。盡管不希望受任何理論的限制，一般認(rèn)為所述的空心陶瓷小球在燒成期間優(yōu)先與粘結(jié)劑反應(yīng)，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購(gòu)得的材料)也適合此處使用。適用于本發(fā)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(dāng)于粘結(jié)劑顆粒的尺寸，例如對(duì)于120-220粗砂(142-66微米)磨粒，較好的是10-150微米的小球。
本發(fā)明的砂輪包括磨料，粘結(jié)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(fā)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。
碳化硅磨料顆粒占砂輪總磨料的約50-100％(體積)，較好占砂輪總磨料的約60-100％(體積)。
輔助磨料任選的占砂輪總磨料的約0-50％(體積)，較好占砂輪總磨料的約0-40％(體積)。可能使用的輔助磨料包括(但并不限于)氧化鋁，經(jīng)燒結(jié)的溶膠-凝膠α-氧化鋁，莫來(lái)石，二氧化硅，立方晶系氮化硼，金剛石，燧石和石榴石。
本發(fā)明的砂輪組合物必須包含一最小體積百分?jǐn)?shù)的孔隙以有效地磨削各種趨于變成粘性并使碎屑難以清除的材料，例如鈦。
本發(fā)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(zhì)形成的，所述的空心陶瓷介質(zhì)例如為Z-Light(莫來(lái)石/熔凝SiO2)空心小球和空心玻璃珠。雖然有些類(lèi)型的有機(jī)聚合物小珠，例如Piccotac(樹(shù)脂，或萘)，在低速度的燒成循環(huán)中可以與碳化硅磨粒一起使用。大多數(shù)的有機(jī)成孔劑與玻璃質(zhì)粘結(jié)劑中的碳化硅磨粒一起使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生制造的困難。由于熱膨脹不匹配，鼓泡氧化鋁作為成孔劑與砂輪組分不能配伍。
本發(fā)明的砂輪是用玻璃質(zhì)粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的。所用的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑對(duì)于改進(jìn)本發(fā)明砂輪保持形狀的性能有顯著的貢獻(xiàn)。較好的粘結(jié)劑原料包括肯塔基6號(hào)球土，霞石正長(zhǎng)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(fā)明的砂輪組合物較好包括約4-20％(體積)的粘結(jié)劑，最好包括約5-15％(體積)的粘結(jié)劑。
燒成后的粘結(jié)劑包括約大于50％(重量)的SiO2，較好約50-65％(重量)的SiO2，最好約60％(重量)的SiO2；約小于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；約小于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；小于約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；小于約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(zhì)粘結(jié)劑內(nèi)的其它氧化物(例如Fe2O3,TiO2,CaO和MgO)是原料中的雜質(zhì)，在粘結(jié)劑的制造中，它們不是必須的，在燒成后它們的含量為每種氧化物不超過(guò)約1.0％(重量)。
本發(fā)明的砂輪是由本領(lǐng)域已知的方法燒成的，燒成的條件主要取決于實(shí)際所用的粘結(jié)劑和磨料，以及砂輪的尺寸和形狀。對(duì)于本發(fā)明中所揭示的與碳化硅一起用的粘結(jié)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(jié)劑之間的反應(yīng)會(huì)損壞砂輪。
在燒成以后，所述的玻璃質(zhì)粘結(jié)的輪體可按常規(guī)方式用研磨助劑或載體(例如環(huán)氧樹(shù)脂)浸漬，以便將研磨助劑帶入砂輪的氣孔內(nèi)，所述的研磨助劑可以是蠟，或硫，或各種天然的或合成的樹(shù)脂?？梢允褂闷渌闹鷦?，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(guò)現(xiàn)有技術(shù)中任何一種常規(guī)方式，將砂輪或其它的磨具(例如磨石或油石)進(jìn)行模制，壓制和燒成。
下述實(shí)施例可用于說(shuō)明但是并不限制本發(fā)明。
實(shí)施例實(shí)施例1制備了樣品用以試驗(yàn)和比較本發(fā)明的低燒成溫度、低活性粘結(jié)劑與購(gòu)自Norton公司專(zhuān)用于碳化硅磨料的粘結(jié)劑的性能。新粘結(jié)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(zhǎng)巖，21.3％(重量)的肯塔基6號(hào)球土，4.9％(重量)的燧石(石英)。霞石正長(zhǎng)巖、肯塔基6號(hào)球土和燧石的化學(xué)組成列于表1。
表1<
<p>該粘結(jié)劑是將原料在Sweco震動(dòng)磨中干混合3小時(shí)而制得。在制造本發(fā)明的砂輪時(shí)，將這粘結(jié)劑混入由Norton公司購(gòu)得的未燒制碳化硅磨粒(60粒度)與由Zeeland Industries,Inc.,Australia購(gòu)得的Z-Light空心陶瓷小球(W-1800級(jí)，大小為200-450微米)的混合物中。將該混合進(jìn)一步與粉末狀糊精粘合劑、液態(tài)動(dòng)物膠(47％固體)、和作為濕潤(rùn)劑的乙二醇混合，混合是在裝有轉(zhuǎn)盤(pán)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(jìn)行。使混合物通過(guò)14目篩網(wǎng)以使塊狀物破碎。然后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(shí)40℃的速率從室溫升至1000℃，在該溫度保持8小時(shí)，然后在間歇窯中冷卻至室溫。也用Norton公司出售的兩種標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)劑制備了砂輪樣品，這些粘結(jié)劑是將原料在Norton的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝干混合而制得的。將粘結(jié)劑與磨料混合物混合。該磨料混合物包含磨料(60粒度未燒制的碳化硅磨粒)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(chǎn)周期燒成的。
本發(fā)明的砂輪與市售碳化硅砂輪在體積密度、彈性模量和SBP(噴砂穿透率)等方面是大致相同的。結(jié)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(guò)直徑為1.43cm(9/16英寸)的噴嘴，噴向砂輪磨削表面，然后測(cè)量砂穿透至輪內(nèi)的距離。本發(fā)明的砂輪沒(méi)有發(fā)泡、坍塌、空心或表明燒成后碳化硅被氧化了的其它缺陷，其外觀與肉眼看到的結(jié)構(gòu)與市售對(duì)比例非常相似。
表2砂輪組分與測(cè)試結(jié)果
實(shí)施例2制備了砂輪來(lái)將本發(fā)明的新型碳化硅砂輪粘結(jié)劑和組合物與(1)新粘結(jié)劑摻在不含空心陶瓷小球的碳化硅砂輪組合物中和(2)Norton公司所產(chǎn)的用于氧化鋁磨料的低溫粘結(jié)劑(美國(guó)專(zhuān)利A-5,401,284中的粘結(jié)劑)進(jìn)行比較。砂輪組合物示于表3。粘結(jié)劑和砂輪是按實(shí)施例1相同的方法制造，不同的是砂輪尺寸為
而且用實(shí)施室規(guī)模的混合器(Hobart N50料團(tuán)混合機(jī))代替立式柱塞混合器，并且使用了在1000℃保溫的燒成循環(huán)。結(jié)果示于表3。
表3砂輪組合物和測(cè)試結(jié)果
與本發(fā)明的砂輪不同，用空心陶瓷小球與用于氧化鋁磨料的低溫粘結(jié)劑制成的砂輪呈現(xiàn)令人不能接受的收縮率(即超過(guò)4％體積)。用新粘結(jié)劑制造，但不含空心陶瓷小球的碳化硅砂輪也呈現(xiàn)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(shí)都發(fā)生了粘結(jié)劑與磨粒的反應(yīng)。而本發(fā)明的砂輪顯然不存在粘結(jié)劑與磨粒的反應(yīng)。因此，為了制備本發(fā)明的碳化硅砂輪，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(yīng)活性較低的新型低溫粘結(jié)劑。
實(shí)施例3測(cè)試實(shí)施例1的砂輪中新型粘結(jié)劑的徑向磨損，并與市售粘結(jié)劑對(duì)比砂輪進(jìn)行比較。
燒成后，用新型粘結(jié)劑制造的砂輪包含約42％體積磨粒(碳化硅與Z-Light空心小球的陶瓷殼層的組合)，約8.1％體積的粘結(jié)劑和約49.9體積的孔隙(自然孔隙與Z-Light空心小球內(nèi)部體積引起的孔隙的組合)。
將市售的砂輪與用新型粘結(jié)劑制得的砂輪(所有砂輪都含有8.1％體積燒結(jié)后的粘結(jié)劑)一起對(duì)鈦塊進(jìn)行連續(xù)修整的蠕動(dòng)進(jìn)料磨削試驗(yàn)。
磨削試驗(yàn)的條件如下磨床Blohm #410 PROFIMAT濕磨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(wú)規(guī)定半徑)載物臺(tái)速度2.12mm/s；3.18mm/s；或4.23mm/s砂輪表面修整以每轉(zhuǎn)0.76微米的速度連續(xù)修整砂輪速度23m/s(4,500sfpm)860rpm每次測(cè)試的磨削數(shù)每種載物臺(tái)速度下2次磨削徑向磨損是在每次磨削后通過(guò)磨削一塊試樣磚片獲取砂輪外形而測(cè)定的。試樣磚片用放大率50倍的光學(xué)比較器畫(huà)出其跡線。用測(cè)徑規(guī)測(cè)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(jié)果如下。
表4砂輪徑向磨損測(cè)試結(jié)果
根據(jù)這磨削試驗(yàn)可得出結(jié)論使用新型粘結(jié)劑和空心陶瓷小球制成的本發(fā)明碳化硅砂輪，與常規(guī)碳化硅砂輪相比，具有改進(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度，能抗御砂輪外形損耗，以及可接受的表面光潔度，功率要求和磨削力。
應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的條件下可有各種變化，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)而且很容易作出的。因此，本發(fā)明的范圍并不限于上面的說(shuō)明，而是包括本發(fā)明的所有具有專(zhuān)利性的特征，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員看作是其等價(jià)內(nèi)容的特征。
權(quán)利要求
1．一種砂輪，它包含碳化硅磨粒，約5-21％體積空心陶瓷小球和玻璃質(zhì)粘結(jié)劑，其中的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑在燒成后，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包含大于約50％的SiO2，小于約16％的Al2O3，約0.05-2.5％的K2O，小于約1.0％的Li2O以及約9-16％的B2O3。
2．如權(quán)利要求1所述的砂輪，其特征還在于所述的空心陶瓷小球包含熔凝的莫來(lái)石和二氧化硅。
3．如權(quán)利要求2所述的砂輪，其特征還在于所述空心陶瓷小球的尺寸為約1-1000微米。
4．如權(quán)利要求2所述的砂輪，其特征還在于所述砂輪含有約34-50％體積的碳化硅磨粒。
5．如權(quán)利要求1所述的砂輪，其特征還在于所述砂輪含有約4-20％體積的玻璃質(zhì)粘結(jié)劑。
6．如權(quán)利要求1所述的砂輪，其特征還在于所述砂輪含有約30-55％體積的孔隙。
7．如權(quán)利要求1所述的砂輪，其特征還在于所述玻璃質(zhì)粘結(jié)劑在燒成后，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，含有約55-65％的SiO2，約12-16％的Al2O3，和小于0.5％的Li2O。
8．一種用于磨削非鐵材料的砂輪的制造方法，包括以下步驟a)提供玻璃質(zhì)粘結(jié)劑混合物，該混合物在燒成后產(chǎn)生玻璃質(zhì)粘結(jié)劑，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包含大于約50％的SiO2，小于約16％的Al2O3；b)將該玻璃質(zhì)粘結(jié)劑混合物加入至包含碳化硅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)在不高于1100℃的溫度下燒成所述模壓成形后的磨削工具部件；所得的磨削工具基本上看不到表明碳化硅磨粒被氧化的征象。
全文摘要
一種玻璃質(zhì)粘結(jié)的砂輪,這種砂輪包含碳化硅磨粒,空心陶瓷小球以及低溫、高強(qiáng)度粘結(jié)劑。該砂輪具有改進(jìn)的保持邊角或外形的性能以及改進(jìn)的機(jī)械性能;適用于磨削非鐵材料。
文檔編號(hào)B24D3/18GK1232419SQ97198566
公開(kāi)日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1997年10月1日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月9日
發(fā)明者D·A·謝爾登 申請(qǐng)人:諾頓公司