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摘要 摘要 填充料的粒度影响结合剂强度。填充料的粒度变小，使比表面积变大， 它与结合剂反应的面积增加，熔入结合剂中的刚玉量增加，从而增大了结 合剂的强度。如果填充料粒度过小，比表面积过大，会使得填充料粒度周 围结合剂量不足，从而降低强度。在结合剂中添加铝粉，烧结后部分铝转 化成了三氧化二铝，使陶瓷结构增强，增加了结合剂的强度。对结合剂进 行预烧，结合剂组份先期发生化合分解等反应，使烧结时生成的气体量减 小，气孔率降低，结合剂结构致密，试样强度提高。但是烧结温度过高时， 含铝硅高的组分熔解过大，造成结合剂流动性变差，降低了结合剂的强度。 本文主要通过改变填充料粒度组成、向结合弃4 添加金属铝、铁、铜和对结 合剂进行预烧处理的方法来改善结合剂的性能，并利用x r d 、s e m 等分 析方法研究一些性能变化的规律。 通过实验分析得出： 陶瓷结合剂磨具有最佳的烧结温度。填充料粒度不同影响试样的抗折 强度等性能，保温时间对强度变化影响不大。在不同的烧结温度，最大抗 折强度时粒度比值会不同。 添加金属添加剂铝、铁、铜使结合剂的抗折强度有明显的变化。添加 金属粉末的含量与种类不同，性能变化有所不同，添加金属铝会使强度增 加。 陶瓷结合剂的预烧制备工艺对试样的抗折强度等性能有影响。陶瓷结 合剂在不同的温度下预烧，试样强度不同。在9 0 0 预烧条件下，强度最 大。 关键词陶瓷结合剂；金属添加剂；预烧处理；填充料粒度；抗折强度 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e n s i t yo f v i t r i f i e db o n d e ri sa f f e c t e db yt h eg r a n u l a r i t i e so fs t u f f i n g m a t e r i a l s w h e ng r a n u l a r i t i e so fs m f t i n gm a t e r i a l si ss m a l l e r ，i tc a ne n l a r g e s p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fs t u f f i n gm a t e r i a l s ，5 0i tc a nr e a c te a s i l yo nb o n d i n g m a t e r i a l s s oc o r u n d 啪e a nb el i q u a t e dm o r ea n dc a l ls t r e n g t h e nt h ei n t e n s i t yo f s a m p l e f ft h eg r a n u l a r i t i e so fs t u f f i n gm a t e r i a l sa l ef a rm o r es m a l l e rc a nm a k e s t u f f i n gm a t e r i a l si sl a c ko fb o n d i n gm a t e r i a l sa n dr e d u c et h es t r e n g t ho f b o n d i n g a 1 2 0 3i sa c h i e v e dw h e na d da 1f o rb o n d i n gm a t e r i a l st h r o u g hf l i t t i n g a 1 2 0 3c a r lf l u xi n t ob o n d i n gm a t e r i a l s ，a n ds t r e n g t h e nt h eg l a s sn e t w o r k i f b o n d i n gm a t e d a l si sp r e s i n t e r e d , b o n d i n gm a t e r i a l sc a t - 2 i q u a t ep a r t l y ，t h e p e r c e n t a g eo fg a sc a nb er e d u c e da n dc o m p a c tn e t w o r ki sa c h i e v e d w h e nt h e t e m p e r a t u r eo f p r e f l i t t i n gi sh i 曲e x c e s s i v e l y ，t h ef l u i d i t yb o n d i n gm a t e r i a l si s b a d t h ei n t e n s i t yo fb o n 血gm a t e r i a l si sr e d u c e d t h em a i np u r p o s eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni st oe n h a n c et h e p r o p e r t i e so fv i t r i f i e db o n d e rb ya d j u s t i n g g r a n u l a r i t i e so fs t u f f i n gm a t e r i a l s ，a d d i n gm e t a l l i ca d d i t i v e ss u c ha sa 1 ，f e ，c u a n dc h a n g i n gt e m p e r a t u r e so fp r e f l i t t i n g t h eb e h a v i o r so fs a m p l e sw e r e s t u d i e sb ym e a n so f x r da n ds e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ： t h es t r e n g t ho f b o n d i n gm a t e r i a l sw e r ea f f e c t e db yv a r y i n gt h eg r a n a l a r i t y o fs t u f f i n gm a t e r i a l sb u tn oa p p a r e n te f f e c tc o u l db ef o u n df o rm a i n t a i n i n gt i m e o fp r e - f l i t t i n gp r e p a r a t i o n t h ep e r c e n t a g eo fg r a n 心t yo fs t u f f i n gm a t e r i a l v a r i e da td i f f e r e n t p r e f l i t t i n gt e m p e r a t u r ew h e nt h em a x i m u mb o n d i n g i n t e n s i t yw a sa c h i e v e d t h ei n t e n s i t i e so fv i t r i f i e db o n d i n gm a t e r i a l sa r eo b v i o u s l yc h a n g e db y a d d i n gm e t a l l i ca d d i t i v e ss u c ha sa 1 ，f e ，c ue t c t h ei n t e n s i t i e sv a r i e dw i t ht h e c o n t e n ta n dt h et y p e so fa d d i t i v e s t h ea d d i t i o no fa 1c o u l ds t r e n g t h e nt h e i n t e n s i t i e s h a b s t r a c t t h eb o n d i n gi n t e n s i t i e so fv i t r e o u sb o n d i n gm a t e r i a l sw a si n f l u e n c e db y t h ep r e f r i t t i n gp r e p a r a t i o n t h ei n t e n s i t i e so fv i t r e o u sb o n d i n gm a t e r i a l s b e n d i n gc h a n g e dw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h eh i g h e s tb e n d i n gi n t e n s i t yw a s a c h i e v e da tt h ep r e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo f9 0 0 。c k e y w o r d sv i t r i f i e db o n d e r ；m e t a la d d i t i v e ；p r e f r i t t i n g ；g r a n u l a r i t yo fs 似f f i n g m a t e r i a l ；b e n d i n gi n t e n s i t y m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文立方氮化硼磨具陶瓷结 合剂性能研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字趄窃托日期：积移月伊 燕山大学硕士学位论文使用授权书 立方氮化硼磨具陶瓷结合剂性能研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 铂搋日期：涮够月日 名：融水蹴m 舟啪日 第1 章绪论 第1 章绪论 立方氮化硼( 简称c b n ) 是继人造金刚石之后，于1 9 5 7 年由美国通用电 气f g e ) 公司首先研制成功的一种超硬材料。c b n 的硬度仅次于金刚石，它 的耐热性、导热性、化学稳定性都很好。它具有磨削能力强、磨削效率高、 磨削温度低、使用寿命长、容易修整、磨削质量好等一系列优越性能，因 而受到世界广泛关注，成为世界上磨削工具产品研究开发的热点之一【l 叫。 立方氮化硼是一种用途很广的超硬材料。 立方氮化硼磨具( 简称c b n 磨具) 是以立方氮化硼为磨料，借助结合剂 的作用粘结成具有一定几何形状的制品。c b n 磨具不仅可用于铁族金属材 料的加工，还可用于硬而脆的非金属材料的加工，特别是对硬度高、韧性 大、高温强度高、热传导率低的材料具有良好的磨削性能，其金属磨除率 是金刚石的1 0 倍，解决了硬而韧的难磨材料的：j n t 问题。尤其是陶瓷结合 剂c b n 磨具现已在汽车、拖拉机、轴承、机床、磨具、航天、军工等行业 中得到了应用，且应用领域不断扩大。c b n 磨具有广泛的应用前景 5 。1 0 】。 在用普通磨具磨削钛合金时，磨具粘附钛合金较严重，西北工业大学 的任敬心等对陶瓷结合剂c b n 磨具磨削钛合金做了充分的研究，结果表明 用陶瓷结合剂c b n 磨具不仅磨削比高，磨削力小，磨削的温度低，而且磨 削零件表面可获得残余的压应力【i “。 按结合剂种类来划分，c b n 磨具可分为金属结合剂磨具、树脂结合剂 磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具四类。不同结合剂c b n 磨具性能 及用途如表1 - 1 【1 2 j 所示。 金属结合剂c b n 磨具只适用于低速加工的珩磨领域，由于它与被加工 对象金属材料易粘着，容易烧伤工件，不能充分发挥c b n 高速高效的加工 要求；而树脂结合剂c b n 磨具由于结合剂导热性差、结合剂对磨粒把持能 力低等原因，应用也受到限制 1 3 ”1 。近些年来，c b n 砂轮研究取得了很大 进展，产品规格种类增多，质量也有所提高 1 6 - 1 8 l 。工业发达国家则大力发 展陶瓷结合剂c b n 磨具，树脂结合剂c b n 磨具比重下降。由于陶瓷结合 燕山大学工学硕士学位论文 剂c b n 磨具具有更多的优点，这种磨具在美国、日本和欧洲应用广泛。陶 瓷结合剂c b n 磨具主要有以下优点【1 9 】： 表1 - 1 不同结合剂c b n 磨具性能及用途比较 t a b l e l - 1 p r o p e r t i e sa n d p u r p o s e so f c b n g r i n d i n g t o o l s w i t h d i f f e r e n t b o n ds y s t e m 1 2 】 结合剂 种整形和开刃 及其制结合剂特性磨具结构磨具特性主要用途 类 修整 造 热硬弹性好热作用使用时适于工、 树 磨粒被埋 金刚石 化树脂， 下对磨粒把持力感到磨具基具的磨削 脂 入结合剂w a 油石破 磨 加热加差用填充料可阻软，自立性和机械零件 内，无气孔 碎修整 具压硬化改善性能能好的磨削 金属 金 磨粒被埋 属 粉末，金刚性好、把持磨耐用度用于沟槽 入结合剂开刃修整 磨 属烧结粒性能好及研磨加工 内，无气孔 具法 适于高 陶瓷金刚石笔 陶 把持磨粒性能由结合桥精密加工， 一玻璃 修整，碗形 瓷 好、刚性好耐热把持磨粒，表面光洁 精密加工 磨 质，高温金刚石磨具 性好有气孔 度好、耐用 具烧成修整 度高 电 在基体上可制造 金属把持磨粒性能一般不进适于成型 镀 固定单层磨异型磨具 磨 电镀法好行修整 磨削 粒及小磨头 具 ( 1 ) 陶瓷结合剂立方氮化硼磨具具有足够的气孔，这样既可以容屑、断 屑，又可以贮存冷却液、润滑剂。它在磨削时显示出切削锋利，磨削力小 的特性： 2 第1 章绪论 ( 2 ) 整形和修锐、修整简便，可以一次完成； ( 3 1 弹性模量大，热膨胀小，磨具变形小，可获得高精度的加工面； ( 4 ) 陶瓷结合剂c b n 磨具经过焙烧后，磨粒和结合剂之间产生化学结合 力，因而对磨粒把持力强，磨粒不容易脱落； ( 5 ) 修整时可修出较多的微切削刃，能获得较高光洁度的加工表面。 除此之外，使用陶瓷结合剂c b n 磨具磨削的另一显著优点是可以大大 提高生产率。c b n 磨具优异的切削性能使得c b n 磨具磨削时进给速度可以 比刚玉磨具高7 0 ，而且不会产生过量的磨削热【2 0 】。与普通刚玉磨具相 比，c b n 磨具所需修整次数仅为刚玉磨具的l 1 0 0 ，寿命也比刚玉磨具长 2 0 3 0 倍。并且据西德d g s 公司统计，c b n 磨具与普通刚玉磨具使用成本 对比可以如下表1 2 所示，可见用c b n 磨具可降低生产成本的4 0 左右【2 l 】。 表1 - 2c b n 磨具与网u 玉磨具使用成本对比口1 】 t a b l e1 - 2c o m p a r i s o no f c o s tb e t w e e nc b na n dc o r u n d u mg r i n d i n gt o o l s t 2 a 1 2 0 3 磨具 c b n 磨具 磨具成本2 1 4 磨削成本5 3 3 5 处置成本4 5 1 1 总计1 0 0 6 0 陶瓷c b n 磨具的开发程度反映了一个国家机械加工行业的水平。在国 外c b n 产品的应用范围很广泛，在西方工业国家以及前苏联已经形成了陶 瓷c b n 磨具的系列产品，在汽车发动机、致冷压缩机、精密机械、轴承、 金属加工磨具等工业领域得到广泛应用，所磨削的工件材料涉及各类淬硬 钢、不锈钢、高速钢和钛合金等，获得了显著的技术经济效益【2 2 - 2 7 l 。国内 经过多年的开发研制，已有多种低熔点的陶瓷结合剂c b n 磨具，及钢基体 组合式磨具，并在工业应用上有一定进步。如用国产陶瓷结合剂c b n 磨具 ( 直径g6 0 0i n n l ，磨削速度6 5m s ) 磨削汽车冷激合金铸铁( h r c4 5 ) 轮轴， 燕山大学工学硕士学位论文 生产效率提高l o 【2 8 - 2 9 1 。用陶瓷结合剂c b n 磨具磨削喷油嘴针阀体的加 工效果也十分明显。又如中国船舶工业总公司6 3 5 4 研究所将陶瓷c b n 磨 具成功地用于硬齿面磨削。但是，国产c b n 磨具多数处于研究阶段，质量 不稳定，研究力量分散。从整体上看，单晶c b n 与国外差距较小，而在制 品方面的差距很大。 超硬磨具主要是由超硬磨料、气孔、结合剂三者组成的，除此之外， 还包括填充料，它在磨具工作层( 即超硬材料层) 中起提高砂结比作用和辅 助磨削作用，能够提高磨具的磨削比和减少低浓度磨具制造工艺上的困难。 填充料在非工作层中起结构骨架支撑的作用。 1 1 超硬磨料 超硬磨料在磨具中起磨削作用，超硬磨料应具有以下基本性质：( 1 ) 较 高的硬度和耐磨性；( 2 ) 有适当的抗破碎性和自锐性，在磨粒切削刃还锋利 时能承受切削力而不易碎裂，当切削刃磨钝到一定程度时能局部碎裂而露 出新的锋利刃口；( 3 ) 高温稳定性，在磨削温度下能保持其固有的硬度和强 度；( 4 ) 化学稳定性，与被加工材料不易发生化学反应。 1 1 1c b n 磨料种类选择 在立方氮化硼磨具中，由于结合剂的不同，所选用的立方氮化硼种类 也会有所不同，用于陶瓷结合剂立方氮化硼磨具的d eb e e r sa b n 系列有： a b n3 0 0 、a b n 6 0 0 、a b n 6 1 5 、a b n8 0 0 。其中a b n8 0 0 与其它的c b n 磨料相比具有独特晶体特性，它具有较多的尖角，热稳定性高p o 。a b n8 0 0 陶瓷结合剂砂轮与其它种类c b n 陶瓷结合剂砂轮作对比磨削实验，结果表 明：在同样的磨削参数下，a b n8 0 0 砂轮与其它c b n 砂轮相比具有较低的 切削力、切削功率轮的切削压、较长的磨具使用寿命。 1 1 2c b n 磨料质量要求 作为在陶瓷结合剂中使用的立方氮化硼磨粒，由于磨具烧结过程中， 不仅要经受较高的温度作用，而且还会不可避免地与陶瓷结合剂中的各种 4 第1 章绪论 组份接触，特别是其中起助熔作用的组份如碱性氧化物r 2 0 ，这些组份在 高温时会与c b n 发生如下反应【”： b n + r 2 0 + 0 2 _ r 2 0 b 2 0 3 坩4 2 t( 1 1 ) b n + r 2 0 + 碣0 一r 2 0 b 2 0 3 + n h 3( 1 2 ) 上述反应说明高温烧结过程中结合剂中碱性氧化物对c b n 造成一定 的侵蚀，将导致昂贵的结晶完好棱角分明的c b n 晶粒经侵蚀后变得圆滑， 从而失去有效的切削能力，而且使c b n 晶粒强度受损，机械性能下降。发 生化学反应分解产生的气体在c b n 陶瓷结合剂界面处富集，生成气泡，使 两者界面间的结合强度大大降低，减少了结合剂对c b n 的把持力。因此， 要求所选用的c b n 晶粒必须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的 特点。这样才能使制成的陶瓷结合剂c b n 磨具发挥良好的切削作用。 1 1 3c b n 磨料表面处理 c b n 磨料虽然具有相当高的硬度、热稳定性、化学稳定性，但在传统 的高温型( 耐火度1 3 0 0 以上) 陶瓷结合剂c b n 砂轮在烧结过程中容易使 c b n 磨粒遭受侵蚀，使棱角分明的c b n 晶粒变成钝圆形，严重降低了c b n 砂轮的磨削性能。在陶瓷结合剂中加入一些r 2 0 、r o 、氟化物等助熔剂， 可降低其耐火度。但r 2 0 、r o 等容易与c b n 表面上b 2 0 3 保护层发生化学 反应，使高温下裸露的c b n 磨粒进一步氧化。c b n 在8 0 0 以下，氧化过 程非常缓慢，但在8 0 0 至1 0 0 0 ，氧化过程有加快的趋势【1 剐。因此， 当陶瓷结合荆耐火度在8 0 0 以下时，c b n 磨粒无需进行镀覆处理，可直 接与结合剂混合后一起烧结。选用耐火度为8 0 0 至1 0 0 0 的低熔陶瓷结 合剂，所选用的c b n 磨粒通常需进行镀覆处理。镀覆处理方法有两种，一 种是金属镀层处理，其中根据使用场合的差异又可细分为两种不同的情况： ( a ) 镀镍、镀铜。它们适用于树脂结合剂的低品级超硬磨料【1 8 加；( b ) 镀钛、 镀钨、镀铬等适用于金属和陶瓷烧结结合剂的较高品级超硬磨料1 3 2 。3 3 1 。张 习敏得出镀t i 磨粒的磨具比未镀覆的磨削寿命增加1 0 的结论【3 4 1 。另外 一种是镀覆无机非金属材料。赵玉成等采取在c b n 的表面涂覆剐玉的办 法，可以提高结合剂对磨粒的把持力，也可以提高磨料单粒抗压强度 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 3 0 6 5 “【3 5 - 3 6 1 。张习敏认为含涂覆刚玉磨粒的磨具效率和寿命都得到 了提高。由于磨粒受到镀层的保护，结合剂耐火度可以提高到11 0 0 。 但结合剂成分必须根据镀层成分做出相应的调整，因为结合剂不再直接把 持磨粒，而是通过与镀层的紧密结合间接的把持磨粒。 1 1 4c b n 磨料粒度的选择 磨具所用磨料的粒度，必须针对加工条件、加工要求等来综合考虑最 佳粒度范围的选择。一般要考虑加工表面粗糙度、加工效率和磨具寿命这 三个主要因素，见表1 _ 3 3 7 所示。 表1 - 3 磨料粒度的选择因素与方法 t a b l e1 - 3t h ef a c t o ra n dm e a n st oc h o i c eg r i n d i n gm a t e r i a lg r a n u l a r i t y 选择因素选择方法 与普通磨料相比，若要达到相同的加工表面粗糙度，选用粒度比普通 加工表面粗糙度 磨料细l 2 个粒度号 加工效率 在满足加工面粗糙度的前提下尽可能选用粗的粒度，以提高加工效率 一般来说树脂结合剂磨具选用1 0 0 1 2 0 以内，陶瓷结合剂在1 0 0 1 2 0 磨具寿命 1 7 0 2 0 0 以内，金属结合剂粒度在0 8 0 2 3 0 2 7 0 以内 1 1 5c b n 磨具浓度的选择 超硬磨具的浓度是指磨具超硬磨料层中单位体积内超硬磨料的含量。 一般来讲，磨具浓度越高，磨具耐用度越高，磨削效率越高，其使用寿命 越长，但磨具成本会增加。在选择磨具浓度时，应综合考虑以下几个方面 的因素： ( 1 ) 按结合剂的结合能力强弱选择不同的浓度。由于不同结合剂对磨粒 的把持力也会相应的改变，故其合适的浓度范围也不相同，参见表1 4 3 引。 ( 2 ) 要求加工效率高、形状保持性好的成型磨削，磨料的浓度应选高一 些，一般选用1 0 0 1 5 0 。 6 第1 章绪论 f 3 1 细粒度磨具浓度应低一些，对于抛光和低粗糙度磨削，常用细磨粒 度的树脂结合剂磨具，选用较低浓度5 0 7 5 例。 粗磨时采用粗粒度及高浓度磨具，半精磨和精磨时采用中等浓度和 低浓度磨具。 ( 5 ) 对于同一种结合剂来讲，c b n 磨具浓度可略高于金刚石磨具。 表1 4 不同结合剂超硬磨料磨具一般浓度范围 t a b l e1 - 4c o m m o nc o n s i s t e n c er a n g eo f d i f f e r e n tb i n d e r ss u p e r - h a r dg r i n d i n gm a t e r i a l 浓度范围( 1 结台剂类型 金刚石磨具 立方氮化硼磨具 树脂5 0 7 57 5 1 0 0 陶瓷7 5 1 0 07 5 1 2 5 青铜1 0 0 1 5 01 0 0 1 5 0 1 2 气孔 气孔是陶瓷结合剂c b n 磨具重要组成部分，是指磨具内磨粒之间的间 隙和磨粒与结合剂或结合剂之间的间隙。气孔既可以容屑、断屑，又可以 贮存冷却液、润滑剂，为磨具进行高质量的表面加工和获得较高的加工效 率提供了保障。气孔在磨具中的分布形式有两种：( 1 ) 气孔分布于结合剂中， 在磨粒之间形成结合桥，如图1 1 ( a ) 所示，这种气孔在磨削过程中起到有 利的作用；( 2 ) 气孔位于磨粒之间，如图i - i ( b ) 所示，致使磨粒在磨削过 程中容易脱落，把持力减弱，或者在结合桥中有微气孔的存在，结合剂的 结合强度差。 陶瓷结合剂中的气孔可在烧结中自然形成，也可人为制造气孔。通过 造孔材料加入量的调整可以调控磨具的气孔率。为了改善磨具的容屑、散 热性能，达到特定磨削性能要求，常需引入一些物质促使磨具产生气孔， 这类物质称为成孔剂或成孔材料。理想的固体成孔剂应具各下列性能【3 9 ： ( 1 ) 颗粒应具有一定的形状和强度，不致在混料和压制成型过程中产生 碎裂和变形而影响气孔的尺寸和形状，能够做到气孔尺寸和形状可控。 7 燕山大学工学硕士学位论文 结台剂 磨粒 塘粒 ( a ) 孔 图1 - 1 磨具中气孔的分布 f i g 1 - id i s t r i b u t i o no f p o r ei nt o o l ( 2 ) 成孔材料与磨料和结合剂之间有较好的湿润性和比较接近的比重， 便于在成型料中均匀分布，并使磨具坯体具有足够的强度。 ( 3 ) 有机成孔剂应具有较强的挥发性和可燃性，烧后无残渣，以确保磨 具的内在质量和外观色泽。 ( 钔料源丰富，价格较便宜，无毒性和环境污染或污染较小。 造孔齐j 有很多种，其造孔原理有所不同。如c a c 0 3 类型的造孔剂是通 过特定温度下c a c 0 3 分解产生大量气体在结合剂熔融状态下产生气泡，并 在冷却后保留下来，成为气孔。另一种如核桃皮、碳粒等，在磨具压制成 型过程中自身占有一定尺寸的空间，在随后的烧结的高温条件下碳化、缩 小，并形成一定的气体，由于碳的硬度很低，且有润滑作用，再加上高温 烧结氧化形成的气体，也起到了气孔的作用。张习敏等通过对含有造孔剂 试样烧结后进行抗折强度测试和断面扫描分析，认为c a c 0 3 优于石墨做 造孔剂【4 0 。在允许的范围内造孔剂加入量越多，得到的气孔尺寸越大。用 c a c 0 3 做造孔剂，气孔分布均匀，孔壁光滑。另外，在砂轮制造时，通过 控制砂轮自然成型气孔与人为气孔的结构与分布，克服了多气孔低硬度的 问题。 暑 第1 章绪论 1 3 陶瓷结合剂 1 3 1 结合剂 结合剂是将磨粒固定成砂轮的粘结物质。结合剂作用主要有三个：( 1 ) 把磨粒粘结在一起，做成各种形状的磨具；( 2 ) 使磨具固结后，能承受一定 的磨削力和回转切应力，具有足够的回转强度；( 3 ) 使表面磨粒磨钝后，受 外力作用下能产生不同的自动脱落能力，即制成各种磨具硬度，工作时产 生自锐作用。结合剂在磨具中是用来把持磨粒的，结合剂分布在磨粒的周 围，见图1 2 所示。 结合剂包覆磨粒 国1 - 2 屠其中结合剂的分布状况 f i g 1 - 2d i s t r i b u t i o no f b o n di nt o o l 结合剂分布情况有两种：( 1 ) 结合剂包裹着磨粒或者与磨粒表面产生物 理化学变化而形成结合剂与磨粒的连接体，并具有一定的结合强度，其强 度与结合剂对磨粒的反应能力和润湿粘附能力有关；( 2 ) 磨粒与磨粒之间以 结合剂桥连接，结合剂桥的强度决定于结合剂本身的强度，与其本身的矿 物、化学组分以及焙烧工艺有关。 结合剂在磨具磨削过程中，不起磨削作用，但与工件产生摩擦或抛光 作用，所以一般情况下，只要结合剂满足磨具硬度和强度要求时，应尽量 减少结合剂用量。 磨具强度取决于磨粒的强度、结合剂的强度及其二者间的结合强度。 9 燕山大学工学硕士学位论文 三者相比，磨粒本身的强度远大于二者，除非磨粒上有严重的裂纹缺陷。 一般情况，磨具的破裂都发生在结合剂中或磨粒与结合剂的交界处。所以 设计高速磨其的配方和制造工艺时，应把重点放在提高结合剂的强度和结 合剂与磨粒的结合强度上。陶瓷结合剂性能的好坏直接关系到c b n 磨粒优 良性能能否得到充分的发挥，从而最终影响到c b n 砂轮的磨削效果。所以 提高磨具强度的途径之一是采用高强度结合剂来提高磨具的抗折强度。而 结合剂的强度与其本身的组成、结构和性能有密切的关系【4 l - 4 2 1 。 1 3 2 低熔高强陶瓷结合剂 按陶瓷磨具烧成温度( 或耐火度) 的高低来分，陶瓷结合剂分为高温陶 瓷结合剂和低温陶瓷结合剂两大类 3 9 】。一般把耐火度低于1 0 0 0 以上的 称为低温结合荆。这种结合剂又分为两种类型，一类是普通磨料磨具生产 使用：另一类是超硬材料磨具专用的低温陶瓷结合剂。c b n 磨具使用低温 高强陶瓷结合剂的目的在于避免c b n 转变为类石墨的六方结构失去其超 硬性；高强可提高线速度，有利于发挥磨具优良的加工性能；而低温陶瓷 结合剂由于低熔的要求，往往含有较多量的易熔成份，像碱金属氧化物 ( n a 2 0 、k ：o 、l i 2 0 ) ，在8 0 0 以上将强烈腐蚀e b b ，使得磨粒的棱角变 得圆钝，失去磨削性能，一般可以通过对磨粒的表面进行镀覆处理来解决。 1 3 2 1 化学成分的特点对于低熔点高强度结合剂的种类选择，一般选 用含适当碱金属氧化物的含硼硅结合剂。我们知道由于b 2 0 3 玻璃为层状 ( 或链状) 结构，在玻质结合剂中引入b 2 0 3 ，导致玻璃一系列性能的变坏， 但是在陶瓷结合剂中如果同时存在碱金属氧化物为硼氧三角体 b 0 3 1 提供 氧，使其由原来的层状结构转变成为完全由桥氧组成的硼氧四面体 b 0 4 ， 使b 2 0 3 玻璃从原来的两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结 构，从而加强了网络，使玻璃的各种物理性质，与相同条件下的硅酸盐玻 璃相比，相应地向相反的方向变化，使得整个玻璃体系的强度提高。 对于普通磨料磨具，作为低熔点结合剂内引入了大量的低熔物如硼玻 璃、固体水玻璃、平板玻璃等瘠性物料，粘土的含量相对减少，对于冷压 磨具坯体强度差，增大搬运废品，若采用热压烧结则不存在这种问题。国 1 0 第1 章绪论 内早期陶瓷结合剂配方以长石、粘土、石英等矿物成分以及外加助熔剂进 行配e e 。长石、粘土、石英等矿物的主要化学成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 ，外加 助熔剂为b 2 0 3 、碱金属氧化物( r 2 0 ) 、碱土金属氧化物( i 己o ) 、氟化物等， 烧结时结合剂以玻璃相为主，所以，以矿物和添加助熔剂进行配比的结合 剂实质上是硼硅酸盐体系中的一种。目前国内的低熔点结合剂属于实验性 质的较多，真正用于生产的较少。国外，陶瓷结合剂配方主要以化学成分 进行配比，选择硼玻璃或铅玻璃体系作为理论研究对象【4 3 4 8 】。由于矿物成 分复杂，同名矿物因产地不同，成分也有差异，所以国内目前已开始采用 化学成分进行配比【4 9 j 。 以n a 2 0 、b 2 0 3 、s i 0 2 为基本成分的玻璃，称为硼硅酸盐玻璃1 4 5 1 。它 的特点是热膨胀系数小。具有良好的热稳定性、化学稳定性。这些特点与 c b n 的优异性能相匹配，自2 较好地满足从c b n 对结合剂的要求。因此，硼 硅酸盐玻璃体系已成为陶瓷结合剂c b n 磨具的首选目标。单纯含有b ：o ， 和s i 0 2 成分的熔体，是不可混熔的。当加入r 2 0 或r o 时，硼的结构会发 生变化。通过r 2 0 或r o 提供的游离氧，硼氧三角体 b 0 3 1 转变成完全由桥 氧组成的硼氧四面体 b 0 4 i ，使硼的结构由层状结构转变为与硅氧四面体 s i 0 4 相似的三度空间架状结构，从而加强了网络，玻璃的某些性质在性 质变化曲线中会出现极大值和极小值。当加入量超过一定限度时，硼氧四 面体 b 0 4 】又会转变为硼氧三角体【b 0 3 ，结构和性质发生逆转。这种由于 玻璃中硼氧三角体【b 0 3 1 和硼氧四面体 n o d 之间的量变而引起玻璃性质突 变的现象称为“硼反常现象” 4 5 j 。 当用a 1 2 0 3 代替s i 0 2 ，随b 2 0 3 含量不同而出现不同形状的性质变化曲 线的现象，称为“硼- 铝反常现象”。为了充分利用硼硅酸盐玻璃体系中的 “硼反常现象”和“硼铝反常现象”，配制出低熔点高强度陶瓷结合剂， 研究者们通常选择以碱硼铝硅玻璃为理论研究对象，通过调整玻璃中的化 学成分或外加一定量的添加剂来研究结合剂的性能变化特征。 在碱硼铝硅玻璃中，a l ”通常以铝氧八面体 a 1 0 6 】形式存在，当存在 r 2 0 或r o 时，a p + w p a 获得r 2 0 或r o 提供的自由氧而形成4 配位的铝 氧四面体 a j 0 4 】，从而进入玻璃网络，提高玻璃网络的强度。当r 2 0 或r o 燕山大学工学硕士学位论文 较多，提供的自由氧超过体系中a i ”形成铝氧四面体 舢0 4 】所需时，b ”就 会夺取自由氧，由硼氧三角体 b 0 3 】转变成硼氧四面体【b 0 4 】而进入玻璃网 络，进一步提高玻璃的强度。若r 2 0 或r o 含量过多，超过了a l ”与b ” 形成四面体所需时，将会使硅氧四面体 s i 0 4 网络破坏，导致玻璃基本单 元破裂，硼氧四面体 b 0 4 与铝氧四面体 a 1 0 4 1 ，又会分别逆转为硼氧三角 体 b 0 3 与铝氧八面体 a 1 0 6 ，反而降低了结合剂的强度。所以玻璃体的强 度可以由( 甜2 0 3 + b 2 0 3 ) 与( r 2 0 + r o ) 的摩尔比值来衡量。当以其它助熔剂部 分取代r 2 0 或r o 时，如p b o 、氟化物等，可将上述摩尔比值计算式略作 改动。例如，加入l i f 时，计算式可改为( a 1 2 0 3 + b 2 0 3 ) 与( r 2 0 + r o + 0 5 l i f ) h ”。从理论上讲，摩尔比值等于l 时，强度处于最大值，但实际上强 度最大的结合剂不一定能满足我们的要求，因为结合剂的其它性能( 如膨胀 系数、耐火度等1 还必须能同时得到满足。 1 3 2 2 结合剂的耐火度结合剂耐火度是指结合剂在高温下软化时的温 度。影响结合剂耐火度的因素主要有结合剂的化学成分和粒度。如果s i 0 2 、 舢2 0 3 等难熔氧化物含量增多，结合剂耐火度会提高，当r 2 0 、r o 、氟化 物等助熔剂含量升高，结合剂耐火度会随之降低。结合剂粒度越细，分散 度越大，反应能力就越强，会引起耐火度降低。结合剂粒度越粗，分散度 越小，反应能力就越弱，会引起耐火度提高。升温速率、烧结气氛等对结 合剂耐火度的表现值也有一定的影响1 4 9 1 。一般升温速度快，耐火度偏高： 反之，耐火度偏低。在还原气氛下耐火度会偏低。结合剂的耐火度采用耐 火锥来测试。 在传统的高温型( 耐火度1 3 0 0 以上) 陶瓷结合剂c b n 砂轮在烧结过 程中容易使c b n 磨粒遭受侵蚀，使棱角分明的e b n 晶粒变成钝圆形，严 重降低了c b n 砂轮的磨削性能。在陶瓷结合剂中加入一些r 2 0 、r o 、氟 化物等助熔剂，可降低其耐火度。但r 2 0 、r o 等容易与c b n 表面上b 2 0 3 保护层发生化学反应，使高温下裸露的从c b n 磨粒进一步氧化，使结晶完 好、棱角分明的c b n 晶体切削刃圆钝，颗粒细小，失去其有效的切削能力。 因此，c b n 的热稳定温度虽然在1 2 0 0 以上，但实际上，c b n 的烧结温 度在1 0 0 0 左右。c b n 在8 0 0 以下，氧化过程非常缓慢，但在8 0 0 第1 章绪论 至1 0 0 0 ，氧化过程有加快的趋势【删。因此，当陶瓷结合剂的耐火度在 8 0 0 以下时，c b n 磨粒无须进行镀覆处理，可直接与结合剂一起烧结。 而耐火度为8 0 0 至1 0 0 0 的低熔陶瓷结合剂，所选用的c b n 磨粒通常 需进行镀覆处理【5 0 - 5 h 。处理方法有两种，一是金属镀层处理，另外一种是 镀覆无机非金属材料。由于磨粒受到镀层的保护，结合剂耐火度可以提高 到l1 0 0 ，但结合剂成分必须根据镀层成分做出相应的调整。因为结合剂 不再直接把持磨粒，而是通过与镀层的紧密结合间接把持磨粒。 正如前面所述，在8 0 0 至1 0 0 0 时，c b n 氧化过程有加快的趋势， 但也有一些人认为其反应程度甚小，结合剂对其影响也微乎其微，c b n 不 必进行镀覆。例如，m a k h l o u f 等人直接将硼玻璃结合剂与无镀层c b n 在 8 0 0 至1 0 0 0 下烧结【5 ”。还有人认为c b n 表面上b 2 0 3 层与结合剂反应， 有利于增强结合剂对c b n 的把持力。因此，c b n 不仅不应被镀覆，反而应 放在含氧气氛中或空气中与结合剂一起烧结，使c b n 表面上形成足够厚的 b 2 0 3 层。这与传统工艺中设法阻止b 2 0 3 层的形成恰恰相反。b a l s o n 等人 采用这种工艺成功地研制了c b n 砂轮，并且认为一个粘附力强的b 2 0 ，薄 层能把c b n 与陶瓷结合剂紧密结合起来【5 引。 1 3 2 3 结合剂的强度结合剂强度是影响c b n 砂轮使用的一个重要因 素。若强度不够，砂轮容易产生回转破裂，使入身和设备安全受到极大威 胁。结合剂强度包括结合剂本身的强度和结合剂对磨粒的粘结强度。结合 剂强度的测试包括抗拉强度、抗折强度、抗压强度、抗冲击强度的测试。 较常见的是抗拉强度、抗折强度的测试。因此，狭义的结合剂强度就是指 这两种强度。影响结合剂强度的因素很多，其中主要有以下几种。 ( 1 ) 结合剂的化学组成对强度的影响a 1 2 0 3 、s i 0 2 、b 2 0 3 是结合剂中 的主要成分，助熔剂对这些成分的结构产生重大的影响，从而影响结合剂 的强度和其它性能。不同的助熔剂对结合剂的影响效果不一样。通常，随 着r 2 0 、r o 等助熔剂的含量升高，结合剂强度会下降。李玉萍等人发现 以l i f 为助熔剂比以c a f 2 为助熔剂得到的陶瓷结合剂熔点低，粘结的强度 甜”5 3 】。适量的n a 3 a 1 f 6 ( 冰晶石) 能增强结合剂对c b n 的润湿性和流动性， 显著提高结合剂的抗拉强度。张建森等人认为这是由于冰晶石降低了高温 燕山大学工学硕士学位论文 熔体的粘度，消除了结合剂桥中的气孑l 和微裂纹所致【4 ”。李志宏等人认为 c a o 的存在会使结合剂强度降低，但c a o 的引入对磨具制造并非绝对的禁 忌【5 4 1 。 除了助熔剂对结合剂的强度有重大影响外，近年来，人们发现某些金 属粉、合金粉等添加剂对结合剂强度也有影响。适量的合金粉可提高结合 剂的强度，但过多会引起强度下降。侯永改等人认为这是在烧成温度下合 金粉或金属粉本身烧结并与结合剂紧密结合在一起的缘故【5 5 5 6 1 。 ( 2 ) 烧成工艺对强度的影响烧成工艺对结合剂强度的影响是指在磨 具在烧结过程中，烧成工艺对结合剂强度的影响。陶瓷磨具的焙烧过程包 括升温、保温和冷却阶段【3 9 j 。在升温过程中的低温阶段( o - - 3 0 0 ) ，主要 是排除干燥后残余水分。当坯体温度高于1 2 0 时，坯体中产生较大蒸汽 压，坯体容易开裂，所以在该阶段，升温速率宜慢。高温阶段( 3 0 0 啪 成温度) ，各物质之间发生复杂的物理化学变化，新生成的物相对结合剂强 度产生重大的影响。赵玉成等人认为在高温阶段设立适当的中间保温温度 和保温时间，可提高结合剂的强度1 57 1 。在烧成温度下，保温一段时间，有 利于结合剂充分玻化。保温温度不宜过低或太高，过低会造成结合剂玻璃 化不充分；过高又会造成过烧。冷却阶段包括急冷阶段、退火阶段与低温 冷却阶段。急冷阶段冷却速度可以很快，进入退火阶段，结合剂由塑性状 态转变为脆性状态，速度过快，结合剂就会因内外温度差产生热应力而出 现裂纹，降低结合剂的强度。低温冷却阶段可适当加快。 ( 3 ) c b n 镀覆处理对强度的影响对c b n 进行镀覆处理，一方面使c b n 免遭结合剂的侵蚀，另一方，镀层作为中间过渡层，与c b n 和结合剂紧密 结合，提高了结合剂对e b n 的把持力，从而间接增强了结合剂的强度。对 于金属镀覆处理，镀层金属通常为铜、镍、铝、钛、钨合金等【5 8 1 。处理方 式有二种：物理镀覆法和化学镀覆法。物理镀覆法是指通过机械混合在c b n 晶体表面上形成一层金属薄膜，金属与c b n 之间不存在冶金化学结合。具 体方法是将金属粉末与磨粒充分混合，在非氧化气氛中烧结，烧结温度低 于金属的熔点。然后将烧结后的疏松团块进行破碎，即可得到有金属镀层 的磨粒。化学镀覆法是指镀覆时，通过c b n 与镀层金属发生化学反应，在 1 4 第1 章绪论 c b n 晶体表面上依次外延生成硼化物、氮化物，并逐步过渡到最外层的金 属镀层。烧结时，c b n 外表面的金属镀层在高温下部分氧化，并与熔化的 玻璃相通过化学键结合u , 5 9 。用这种方法得到的镀层能与c b n 和结合剂产 生强的化学键结合，所以结合剂对化学镀覆c b n 的结合强度超过对物理镀 覆c b n 的结合强度。 无机非金属镀覆处理方式也有两种：物理镀覆和化学镀覆法。化学镀 覆法是指通过c b n 与活性玻璃或陶瓷之间的化学反应，在c b n