一種快速回收陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪中高純磨料的方法

劉宏偉，李 濤，呂升東

(沈陽(yáng)中科超硬磨具磨削研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

1 前言

隨著人類社會(huì)邁入21世紀(jì)，從世界范圍看，我們正處于裝備制造技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期，對(duì)裝備機(jī)械零部件的生產(chǎn)效率與加工精密度的產(chǎn)品要求越來(lái)越高，使得磨削加工技術(shù)得以迅速發(fā)展。現(xiàn)代磨削加工技術(shù)正快速向高速高效高精密加工方向發(fā)展，在陶瓷結(jié)合劑cBN磨具制造中，陶瓷結(jié)合劑的開(kāi)發(fā)研究是陶瓷結(jié)合劑cBN磨具制造的基本前提，高性能陶瓷結(jié)合劑是制備高性能陶瓷cBN磨具的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，陶瓷結(jié)合劑cBN磨具已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用階段。

Cubic Boron Nitride立方氮化硼，縮寫(xiě)為cBN。分子式為BN，其晶體結(jié)構(gòu)類似金剛石，硬度略低于金剛石，為HV72000～98000MPa，常用作磨料和刀具材料。1957年，美國(guó)的R.H.溫托夫首先研制成功立方氮化硼。cBN是人工合成的一種超硬材料，由于其耐磨性好，高溫穩(wěn)定性好，并且在高溫下對(duì)鐵族金屬元素呈化學(xué)惰性，因此cBN磨具尤其適合于高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼、高溫合金等鐵族金屬部件的精密磨削加工[2-4]。

cBN單顆粒磨料價(jià)格5～15元/克，較昂貴。大部分砂輪使用完畢后，剩余部分還有大部分磨料，另外生產(chǎn)廠家制作過(guò)程中的廢品也都含有大量可回收的cBN磨料，本文從回收而不傷害磨料性能的角度出發(fā)，在真空燒結(jié)爐選取適宜溫度對(duì)廢舊陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪進(jìn)行解碎，然后在反應(yīng)釜中進(jìn)行酸堿除雜以及超聲震蕩清洗等過(guò)程得到理想的回收cBN磨料。從高效、高回收率、低成本的目的出發(fā)，研究出一系列回收磨料的工藝及設(shè)備，并通過(guò)制備的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪測(cè)試其回收磨料的性能穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 回收cBN磨料實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)首先將廢舊的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪或生產(chǎn)過(guò)程中的廢品放入燒結(jié)爐經(jīng)一定溫度處理去除砂輪基體得到砂結(jié)體；

(2)將砂結(jié)體放入真空燒結(jié)爐高溫煅燒處理后放入水中急冷；

(3)將急冷料放入球磨機(jī)進(jìn)行低速粗磨，水磨后過(guò)篩，烘干；

(4)將(3)中烘干料放入酸性溶液煮沸一定時(shí)間后放入振蕩器中震蕩，然后通過(guò)超聲波清洗機(jī)洗滌反應(yīng)沉降后，經(jīng)純水離心機(jī)處理至中性，烘干備用；

(5)將(4)中烘干料放入堿性溶液煮沸一定時(shí)間后放入振蕩器中震蕩，然后通過(guò)超聲波清洗機(jī)洗滌反應(yīng)沉降后，經(jīng)純水離心機(jī)處理至中性，烘干后得到cBN磨料；

(6)將(5)回收的cBN磨料與陶瓷結(jié)合劑、造孔劑、臨時(shí)粘結(jié)劑按照配方稱取一定比例放入混料機(jī)中混合均勻后，經(jīng)過(guò)50目篩網(wǎng)散料后經(jīng)過(guò)模具壓制成相應(yīng)的砂結(jié)體；

(7)待(6)中的砂結(jié)體干燥后放入燒結(jié)爐按照一定的溫度曲線燒結(jié)，待到自然冷卻后通過(guò)膠粘劑粘接到砂輪基體上；

(8)將粘接的砂輪放入烘箱，粘結(jié)膠經(jīng)適宜固化溫度一定時(shí)間后取出，砂輪經(jīng)過(guò)磨床修整后最終得到利用快速回收陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪中高純磨料制備的砂輪。

上述實(shí)驗(yàn)方案中，步驟(1)去除砂輪基體的燒結(jié)爐溫度為500℃～600℃，燒結(jié)時(shí)間為3～8h。

上述實(shí)驗(yàn)方案中，步驟(2)煅燒砂結(jié)體的燒結(jié)爐溫度為800℃～1000℃，燒結(jié)時(shí)間為2～3h。

上述實(shí)驗(yàn)方案中，步驟(3)水磨時(shí)間為5～15min，球磨轉(zhuǎn)速150r/min；過(guò)300#篩；烘干過(guò)程溫度為150℃～300℃。水磨是為了防止破碎料黏附在研磨球上，以免影響球磨效果；烘干是為了去除水分，為了以后加入強(qiáng)酸性溶液更安全。

上述實(shí)驗(yàn)方案中，步驟(4)中的酸性溶液氫氟酸、硫酸、硝酸、鹽酸的質(zhì)量比為(1～30)∶(1～30)∶(1～30)∶(1～30)，其優(yōu)選的酸性溶液中氫氟酸、硫酸、硝酸、鹽酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為20%、10%、10%、15%，剩余部分為水。加入酸是為了腐蝕cBN磨料周圍的陶瓷結(jié)合劑。

上述實(shí)驗(yàn)方案步驟(4)和(5)中，震蕩時(shí)間為3～8h，超聲清洗時(shí)間為1～3h。

上述實(shí)驗(yàn)方案步驟(5)中的堿性溶液為質(zhì)量濃度10%～30%氫氧化鈉溶液。

上述實(shí)驗(yàn)方案步驟(6)中，回收磨料、陶瓷結(jié)合劑微粉、造孔劑、臨時(shí)粘結(jié)劑的質(zhì)量比為20∶4∶1∶1，造孔劑為核桃殼粉，臨時(shí)粘結(jié)劑為糊精液。

上述實(shí)驗(yàn)方案步驟(7)中，砂結(jié)體以850℃保溫2h的溫度曲線進(jìn)行燒結(jié)。

上述實(shí)驗(yàn)方案步驟(8)中，粘膠后的砂輪烘箱固化溫度60℃～80℃，固化時(shí)間6～12h。

本實(shí)驗(yàn)研究的工藝流程為：首先將用過(guò)的和不合格的廢舊砂輪經(jīng)燒結(jié)爐燒結(jié)去除基體，再經(jīng)真空高溫?zé)Y(jié)爐加熱煅燒，然后取出迅速立即降溫，再過(guò)濾后經(jīng)堿性溶液在振蕩器和超聲波清洗機(jī)中洗滌反應(yīng)沉降，經(jīng)純水處理至中性，過(guò)濾烘干后進(jìn)行分級(jí)篩分粒度分級(jí)回收。本研究回收效率高，工藝簡(jiǎn)便快捷，回收的磨?？蛇M(jìn)行二次使用而不影響磨粒固有的特性。

本實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.工藝簡(jiǎn)便快捷，回收砂輪中昂貴的磨料成本低；

2.在回收的磨料粒度允許的范圍內(nèi)，不影響磨料的多次使用；

3.不影響磨料性質(zhì)的情況下，磨料回收率可達(dá)85%；

4.在安全存貯酸堿性溶液的前提下，可以重復(fù)使用。

2.2 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的制備

用回收篩分后的cBN磨料與新磨料做同粒度砂輪以進(jìn)行砂輪性能測(cè)試對(duì)比。

(1)以等質(zhì)量的cBN磨料分別與等質(zhì)量的陶瓷結(jié)合劑微粉、核桃殼造孔劑、糊精液臨時(shí)粘結(jié)劑的質(zhì)量比為20∶4∶1∶1在混料機(jī)中混合2h；

(2)將(1)中混合的物料過(guò)50目網(wǎng)篩使得物料松散均勻；

(3)將(2)篩后的物料以ρ=2.75g/cm3的成型密度壓制成Φ27.5×51×Φ16的圓環(huán)形生坯砂結(jié)體；

(4)待(3)中的生坯砂結(jié)體在自然情況下干燥后放入燒結(jié)爐中，以5℃/min的升溫速率升溫到850℃后保溫2h隨爐冷卻；

(5)將(4)中燒結(jié)后的砂結(jié)體通過(guò)膠粘劑粘附于砂輪基體上，放入烘箱以5℃/min的升溫速率升溫到80℃后保溫8h隨箱冷卻；

(6)將(5)中制備的砂輪按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行修整后即可。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回收可重復(fù)利用的cBN磨料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖1與圖2所示，其中圖1為首次使用的cBN新磨料，圖2為回收篩分后的cBN磨料。

圖1 首次使用的cBN新磨料Fig.1 the new cBN abrasives used for the first time

圖2 回收篩分后的cBN磨料Fig.2 The cBN Abrasives recovered and screened

對(duì)比圖1和圖2，可以看出回收篩分后的cBN磨料與首次使用的新磨料顆粒外觀皆為黑色單晶，且晶體多棱角，粒度規(guī)格相差不大，總之，兩種磨料的外觀無(wú)明顯差異。

3.2 回收可重復(fù)利用的cBN磨料制備的砂輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用回收篩分后的cBN磨料與首次使用的新磨料做同粒度砂輪并進(jìn)行砂輪性能測(cè)試對(duì)比，數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 回收磨料砂輪與新磨料砂輪數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 The data comparison between the recycled abrasive wheel and the new abrasive wheel

從上表對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，回收篩分后的cBN磨料制備的砂輪無(wú)論是在硬度、粗糙度、圓度、壽命上均與首次使用的新磨料制備的砂輪性能基本相同，由此可知回收篩分后的cBN磨料與首次使用的新磨料具有相同的性能，在后續(xù)的多次使用中不影響cBN砂輪產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 結(jié)論

本文研究開(kāi)發(fā)了陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪中磨料的提取技術(shù)，該技術(shù)得到的cBN磨料晶型好，純度高，工藝簡(jiǎn)便快捷，回收的磨粒可進(jìn)行重復(fù)使用而不影響磨粒固有特性。使用回收篩分后的cBN磨料制備的砂輪無(wú)論是在硬度、粗糙度、圓度、壽命上均與首次使用的新磨料制備的砂輪性能基本相同，由此可知回收篩分后的cBN磨料與首次使用的新磨料具有相同的性能，在后續(xù)的多次使用中不影響cBN砂輪產(chǎn)品的品質(zhì)。