（材料学专业论文）陶瓷刚玉磨具制备与性能研究.pdf

摘要 陶瓷刚玉磨具具有磨削性能好、性价比高的特点，工业应用前景十分广阔。 本课题针对陶瓷刚玉磨具制造进行了研究，系统探讨了陶瓷结合剂的组成和制各 工艺以及磨具制备工艺对陶瓷刚玉磨具结构和性能的影响。研究表明： 在r 2 0 m o b 2 0 3 _ 峨1 2 0 3 - - s i 0 2 基础陶瓷结合剂体系中，保持其他组分含 量不变，铝硅比的降低会导致结合剂的耐火度降低。陶瓷刚玉磨具的抗弯强度随 着铝硅比的降低先增大后减小。当铝硅比为2 6 时，结合剂耐火度为8 1 3 ，磨具 的抗弯强度可达5 4 6 m p a 。保持其他组分含量不变，铝硼比的升高会导致结合剂 的耐火度升高，但是对磨具抗弯强度的影响不明显。 预熔处理可以使结合剂的耐火度略微降低，并且使磨具的抗弯强度增大。但 是预熔处理对不同结合剂性能的影响也不相同。其中，预熔处理对结合剂4 a 的 影响最为显著，预熔后磨具的抗弯强度最多可提高2 1 。 磨具配方中结合剂用量影响磨具的强度，同时也影响磨具的气孔率。当结合 剂含量小于2 2 时，增加结合剂的用量可以显著提高磨具试条的抗弯强度；当结 合剂含量大于或等于2 2 时，增加结合剂的用量对磨具试条抗弯强度的提高作用 不显著。另外，增加结合剂用量也会造成磨具中气孔的减少，会影响磨具磨削性 能。当磨具中结合剂的含量为2 2 时比较合适。 陶瓷刚玉磨具试条的抗弯强度随着烧成温度的升高而逐渐增大。陶瓷刚玉磨 具试条c a 3 h 在8 2 0 时烧成时的抗弯强度为5 1 4 m p a ，提高至u 9 0 0 。c 烧成时的抗 弯强度可达6 0 0 m p a 。在烧成温度范围内，陶瓷刚玉磨粒中的微晶结构没有被破 坏。 关键词：陶瓷刚玉；磨具；结合剂；制备；性能 a b s t r a c t o w i n gt oe x c e l l e n tg r i n d i n gp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e ，c e r a m i ca l u m i n a a b r a s i v et o o li sb e c o m i n go n eo ft h em o s tp o t e n t i a lt o o l si nm o d e me n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s i nt h i sr e s e a r c h ，t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fc e r a m i c a l u m i n aa b r a s i v e t o o lw a si n v e s t i g a t e d 1 1 1 ee f f e c to fc o n s t i t u t i o na n dp r e p a r a t i o np r o c e s so fv i t r i f i e d b o n d ，t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fa b r a s i v et o o lo ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c e r a m i c a l u m i n aa b r a s i v et o o lw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w s ： i nt h ev i t r i f i e db o n ds y s t e m ( r 2 0 m c 卜- b 2 0 3 _ a 1 2 0 3 一s i 0 2 ) ，w h e nt h eo t h e r c o n s t i t u e n t sm a i n t a i n e di n v a r i a b l e ，t h ed e c r e a s i n go fr a t i oo fa l u m i n at os i l i c aw a s b e n e f i c i a lt od e c r e a s i n go fr e f r a c t o r i n e s s m o r e o v e r ，t h eb e n ds t r e n g t ho fa b r a s i v et o o l i n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c l i n e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fr a t i oo fa l u m i n at os i l i c a t h er e f r a c t o r i n e s so fv i t r i f i e db o n dw a s8l3 a n dt h eb e n ds t r e n g t ho fa b r a s i v et o o l a c h i e v e d5 4 6 m p aw h i l et h em a s sr a t i oo fa l u m i n at os i l i c at u r n e di n t o0 2 6 w h e n t h eo t h e rc o n s t i t u e n t sm a i n t a i n e di n v a r i a b l e ，t h ei n c r e a s i n go fr a t i oo fa l u m i n at o b o r o no x i d el e dt oi n c r e a s i n go fr e f r a c t o r i n e s s b u tt h ev a r i a t i o no fr a t i oo fa l u m i n at o b o r o no x i d eh a dn om a r k e de f f e c to nb e n ds t r e n g t ho ft h ea b r a s i v et 0 0 1 t h ep r e m e l t i n gp r o c e s sc o u l dl o w e rt h er e f r a c t o r i n e s so fv i t r i f i e db o n dal i t t l e a n di m p r o v et h eb e n ds t r e n g t ho fa b r a s i v et o o l s b u tt h ep r e m e l t i n gp r o c e s sh a d d i f f e r e n te f f e c t so nd i f f e r e n tv i t r i f i e db o n d s a n dt h ep r e m e l t i n gh a dt h em o s tn o t a b l e e f f e c to nv i t r i f l e db o n d4 a t h eb e n ds t r e n g t ho ft h ea b r a s i v et o o ic o u l db ei n c r e a s e d b y2 1 a t m o s t t h ec o n t e n to fv i t r i f i e db o n dc o u l di n f l u e n c eb o t hb e n ds t r e n g t ha n d p o r o s i t yo f a b r a s i v et 0 0 1 i ft h ec o n t e n to fv i t r i f i e db o n dw a sl o w e rt h a n2 2 t h ea d d i t i o no f b o n dc o u l da p p r e c i a b l yi n c r e a s et h eb e n ds t r e n g t ho fa b r a s i v et 0 0 1 h o w e v e r , i ft h e c o n t e n to fb o n dw a sh i g h e rt h a n2 2 t h ea d d i t i o no fb o n dc o u l dn o ti m p r o v et h e b e n ds t r e n g t he f f i c i e n t l y f u r t h e r m o r e ，t h ea d d i t i o no fb o n dd i dh a r mt ot h ep o r o s i t y o fa b r a s i v et o o l ，w h i c hc o u l dd e t e r i o r a t et h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c e i tw a ss u i t a b l et h a t t h ec o n t e n to fb o n da c h i e v e d2 2 t h ei n c r e a s i n go fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew a sb e n e f i c i a lt oi m p r o v e m e n to f b e n d s t r e n g t ho fa b r a s i v et 0 0 1 t h eb e n ds t r e n g t ho fa b r a s i v et o o ls a m p l ec a 3 hw a s 51 4 m p as i n t e r e da t8 2 0 c w h e nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r er e a c h e d9 0 0 c ，t h eb e n d s t r e n g t ho fs a m p l ec a 3 hc o u l dr e a c h e d6 0 m p a i na d d i t i o n ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e d i dn o th a r mt ot h ee x c e l l e n tm i c r o s t r u c t u r eo fc e r a m i ca l u m i n aa b r a s i v em a t e r i a l k e yw o r d s ：c e r a m i ca l u m i n aa b r a s i v e ，a b r a s i v et o o l ，v i t r i f i e db o n d ， p r e p a r a t i o n ，p r o p e r t i e s 前言 前言 磨削和其它机械制造技术一样，是一个充满活力和不断发展的技术领域，它 一方面是现代科技发展的技术支撑，另一方面又在高科技影响下不断向更高水平 发展。 近几年来在国际工具市场上推出的一种新型陶瓷刚玉磨料砂轮，它的磨削性 能介于立方氮化硼( c b n ) 砂轮和普通刚玉砂轮之间，其加工性能和使用寿命要远 高于刚玉砂轮，价格适中，但又不像c b n 砂轮那样对磨床有较高的要求，因此得 到了广大用户的青睐与欢迎，其使用面日益扩大。 陶瓷刚玉磨料是采用一种溶胶一凝胶( s 0 1 g e l ，简称s g ) 工艺的化学陶瓷 工艺制造的。其工艺过程是：配$ i j a l2 0 3 h 2 0 的水溶胶体，经过凝胶化后，干 燥固化，再破碎成颗粒，最后烧结成磨料。陶瓷刚玉磨粒每颗磨粒是由成千上万 个亚微米级或微米级的细小晶体所组成，磨粒晶体尺寸为普通刚玉磨粒晶体尺寸 的1 1 5 1 2 0 0 ，这些大量的微小磨粒使磨粒具有许多锋利的切削刃。在磨削力作 用下，陶瓷刚玉磨料的磨粒磨损后破碎时，沿晶界破裂，呈微观破碎，很少产生 宏观破碎，因而磨粒损失较少，磨损较少，使用寿命较长。陶瓷刚玉磨粒的整个 磨损过程也是磨粒本身的自锐过程。在有效使用寿命期间，磨粒表面层被磨钝的 微小晶粒( 即切削刃) 在磨削力的作用下从磨粒上逐渐脱落，不断地暴露出新的微 切削刃，使磨粒始终处于锋利状态，从而保证了磨具的自锐功能和磨削性能的稳 定。因而新型陶瓷刚玉磨料与普通电熔刚玉磨料相比，具有很好的自锐性能和耐 磨性能。 为了充分利用陶瓷刚玉磨粒的使用性能，必须获得高性能的结合剂并确定相 应的磨具制备工艺。一般情况下，普通陶瓷结合剂耐火度较高，当烧成温度较高 时，会使得陶瓷刚玉磨粒中的氧化铝微晶异常长大，破坏其微晶结构，进而影响 磨具的磨削性能。另外，对陶瓷刚玉磨具来说，其加工效率和使用寿命在很大程 度上取决于结合剂的性质以及陶瓷刚玉磨粒与结合剂的结合强度。因此必须研制 一种高性能的低熔高强结合剂并制定适宜的磨具配方和烧成制度，使得陶瓷刚玉 磨具具有良好的磨削性能。目前，我国的陶瓷刚玉磨料磨具主要依赖进口，其生 产技术由西方少数国家垄断，因此陶瓷刚玉磨具的研发对于我国民族工业的长远 自主发展具有重大意义! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储躲查溺签字吼如7 年了月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨望盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储虢查洎 导师虢 乃么 签字日期妒7 年 c 月j 日 签字目期研年甲月厂日 第一章文献综述 1 1 磨具 1 1 1 磨具的概念与结构 第一章文献综述 磨具属于工具范畴。广义地讲，凡是在加工工序中起磨削、研磨、抛光工作 的工具，都称为磨具( g r i n d i n gt o o l s 或a b r a s i v et o o l s ) 。磨具与其表面硬度不一致 的被加工材料之间通过在一定的压力之下发生相对运动而产生磨削、研磨、抛光 等作用。磨具是应用十分广泛的加工工具，其品种很多【1 1 。 在一般情况下，磨具( 固结磨具) 由磨粒、结合剂和气孔三个部分构成。因 而磨粒、结合剂、气孔这三者通常被称为磨具的三要素。 在磨具的三要素中，磨粒是构成磨具的主要原料，是磨具起磨削作用的主要 物质。其暴露在磨具表面上的众多棱角是加工工件的切削刃。 结合剂是磨具中粘结磨粒的物质。它把磨粒粘结在一起，使之成为具有一定 形状和强度的磨具，并使磨粒在磨削过程中具有一定的自锐作用。 气孔是磨具中磨粒之间、磨粒与结合剂之间，以及结合剂内部存在的空隙， 其在磨具磨削过程中具有容屑、排屑和增强散热、冷却的作用。磨具气孔的多少 和气孔的大小，可根据磨削用途通过配方来调整控制【2 】。 1 1 2 磨具的主要特征 ( 1 ) 磨具的硬度( g r a d eo f a b r a s i v e t 0 0 1 ) 磨具硬度是指结合剂在外力作用下抵抗磨粒从磨具表面脱落的抵抗力。磨具 硬度反应的是结合剂把持磨粒的能力，而不是磨粒本身的硬度。磨具的硬度不同， 其磨削作用与效果也就不同。一般而言，磨具的硬度高，磨粒从磨具表面脱落难， 磨削时磨具磨耗小；磨具硬度低，磨粒脱落容易，磨具磨削时磨耗大。磨具硬度 也直接决定着磨具的自锐性能。所谓磨具的自锐性能( s e l f - s h a r p e n i n g ) ，就是指 在磨削过程中磨具表面的磨粒切削刃磨耗逐渐变钝，磨削力逐步增加，进而促使 变钝的磨粒崩裂或脱落而露出新的磨粒或锋利的切削刃。这种自锐作用的难易， 较大地影响着磨具的磨削锋利程度、磨削力、磨削效率、磨削表面粗糙程度、磨 具的耐用度及使用寿命等一系列性能。 影响磨具硬度的主要因素是结合剂的性质和数量、成型密度与热处理工艺 第一章文献综述 等。 ( 2 ) 磨具的组织( s t r u c t u r eo f a b r a s i v et 0 0 1 ) 所谓磨具组织就是反映在磨具中起主要磨削作用的磨粒的疏密程度，也可以 说是磨粒在磨具中的体积分布，以磨粒占磨具的体积百分比表示。 磨具组织的松紧，决定着磨具中气孔的多少和单位面积有效磨削刃的疏密。 组织松的磨具，磨粒之间的间距大，单位时间内参与磨削的磨粒少，磨削生热较 少，同时磨具中气孔多，容屑空间大，排屑方便，可减少磨削过程中的堵塞。此 外气孔还能将磨削液或空气代入磨削区，以降低磨削点温度，减少工件的热变形 和烧伤、裂纹等加工变质层的产生。反之，组织紧密的磨具，气孔小，容屑的空 间少，排屑较困难，气孔容易堵塞。但是组织紧密的磨具表面上的单位面积内的 磨粒数较多，磨具的轮廓形状易于保持，故有利于加工工件，降低表面粗糙度和 精度提高。 ( 3 ) 磨具的强度( s t r e n g t ho f a b r a s i v et 0 0 1 ) 磨具的强度包括抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和抗冲击强度。 磨具抗拉强度反映磨具抵抗拉伸应力的能力。它是磨具制造与使用上的一个 重要指标，直接与磨具在高速回转时可能破裂的程度有关。 磨具的抗弯强度反映磨具抵抗弯曲应力的能力。在磨具用作成型磨削时，如 螺纹磨削、曲轴磨削及各种类型的切入磨削等，都要求磨具具有良好的抗弯强度， 能够抵抗磨削时产生的弯曲应力。 磨具的抗压强度反映磨具抵抗压应力的能力，它决定着磨具在增大径向负荷 磨削时磨粒磨钝断裂及磨具发生破裂的可能程度。 磨具的抗冲击强度反应磨具在动负荷下抵抗冲击应力的性能。它表明磨具韧 性的大小。 砂轮的强度与磨料种类、所用结合剂种类及性能、磨具的硬度、组织、密度、 混料及热处理工艺等因素有关。 ( 4 ) 砂轮的平衡度 砂轮是一种不均质的物体，当砂轮旋转时，由于砂轮质量中心与它的旋转中 心不相重合而产生离心力，造成了工作系统的振动。这种状态叫做砂轮的不平衡。 根据不平衡的理论分析，砂轮在高速旋转过程中产生的不平衡可分为三类： 静态不平衡、力矩不平衡和动态不平衡。 砂轮的静态不平衡是指砂轮的旋转轴线与其惯性轴线不重合，且仅有平衡偏 离的状态。 砂轮的力矩不平衡是指砂轮的旋转轴线与其惯性轴线在砂轮质量中心处相 交，但不重合。 2 第一章文献综述 砂轮的动态不平衡是指砂轮的旋转轴线与其惯性轴线在空间交错或在砂轮 质量中心处相交。这种状态实际上是静态不平衡和力矩不平衡同时存在。 磨具不平衡的危害极大，会加快磨床的磨损、增加磨具的应变、影响磨具自 锐的均匀性、影响加工精度等3 1 。 1 2 陶瓷刚玉磨料 1 2 1 陶瓷刚玉磨料简介 1 9 8 1 年，美国3 m 公司工业磨料部推出了一种牌号为c u b i t r o n 的陶瓷刚玉磨 料。用它制造的砂轮的磨削性能介于c b n 砂轮与普通刚玉砂轮之间，其加工性能 和使用寿命要远高于刚玉砂轮，价格适中，但又不像c b n 砂轮那样对磨床有较高 的要求，因此得到了广大用户的青睐与欢迎，其应用领域日益扩大。随后，n o r t o n 公司也开发出了一种s g 磨料，它也是一种陶瓷刚玉磨料，性能与c u b i t r o n 磨料相 似。此外，德国的h e r m e s 磨料有限公司、瑞士的w i n t e r t h u r 总公司、日本n o r i t a k e 株式会社等也推出了相关产品。在这些同类商品中，尤其以n o r t o n 公司的s g 磨料 最为有名【4 j 。国内也有不少科研单位从事陶瓷刚玉磨料制造的研究，天津大学走 在了前列，目前正积极致力于具有自主知识产权的陶瓷刚玉磨料的大批量工业生 产。 1 2 2 陶瓷刚玉磨料制造工艺 陶瓷刚玉磨料是采用一种溶胶一凝胶( s o l - g e l ，简称s g ) 工艺的化学陶瓷 工艺制造的【5 - 8 】。其工艺过程是：鸵n a l 2 0 3 h 2 0 的水溶胶体，经过凝胶化后， 干燥固化，再破碎成颗粒，最后烧结成磨料。由于在溶胶凝胶化过程中常使用 引晶剂( 品种) ，s g i 艺也常称作“引晶凝胶工艺”( s e e dg e l ) 。具体制造工艺 如下： 图1 1 陶瓷刚玉磨料制造工艺流程图 f i g 1 - lf l o w p r o c e s sc h a r to f m a n u f a c t u r eo f s o l g e la b r a s i v e 3 第章文献综述 ( 1 ) a 1 2 0 3 h 2 0 水溶胶的制作 这一过程主要是将一水氧化铝微粉和水混合均匀制成悬浮体。为了保持悬浮 体的稳定，往往要加入适量的胶溶剂使其变成稳定的水溶胶或胶状悬浮体。在制 成的水溶胶中，a 1 2 0 3 h 2 0 含量一般宜选在1 5 - - 一3 0 之间。在该过程中所用 的胶溶剂是一种挥发性的一元酸，如硝酸、盐酸、醋酸等，但是以硝酸的效果最 佳。一般来说，加入酸量要适当，加入酸后生成的水溶胶的p h 值为1 - 2 。酸量 不足可能影响胶体的均匀性；过量则会使加入改良剂时，凝胶化速度过猛，难以 混合均匀，影响磨料质量。 ( 2 ) 凝胶化过程 向上述a 1 2 0 3 h 2 0 水溶胶中加入改良剂来促使其凝胶化。改良剂一般是一 种金属氧化物，如m g o 、z n o 、z r 0 2 、h f o e 、t i 0 2 等。最常用的是m g o 。但通 常直接加入的并不是m g o ，而是m g ( n 0 3 ) 2 溶液。m g ( n 0 3 ) 2 在以后的干燥、煅烧 和烧结过程中会分解成m g o ，因此其作用和m g o 是一样的。另一常用的改良剂 是z r 0 2 ，它是以氧锆基醋酸盐溶液的形式加入的，该盐在以后的工序中分解成 z r 0 2 。向配制好的a 1 2 0 3 h 2 0 水溶胶中加入改良剂( 指m g ( n 0 3 ) 2 或氧锆基醋酸 盐等) 的水溶液并搅拌混合，凝胶体马上产生。 ( 3 ) 干燥固化 将生的凝胶体干燥固化。温度一般在8 0 - - 1 2 0 ，应注意不要使温度高于凝 胶体起泡沫时的温度，以免最终烧结成的磨料气孔率高、硬度降低。经干燥过程 除去凝胶体中9 0 的自由状态水，干燥后凝胶体成玻璃状的块状物，虽然看起来 结构致密，但很脆弱。手指一捏就会破碎。 ( 4 ) 预破碎 为了烧结出一定形状和尺寸的磨料。在煅烧和烧结工序前需把干燥后的块状 固体破碎成一定大小的颗粒，或者用切割、挤压、模压等方法加工成所需要的形 状和尺寸。破碎后筛分选出可烧结成磨料的有用颗粒。便进行下一步工序，由于 颗粒在烧结过程中体积往往收缩2 0 - 4 0 ，因此破碎出的颗粒应比所要求的成品 磨料粒度稍大，筛分出的太大的颗粒应重新破碎太小的颗粒则可以重新制成水 溶胶体。 ( 5 ) 煅烧 在将破碎后颗粒加热至u 4 0 0 - - - 8 0 0 c 进行煅烧时应缓慢升温，保证生成的挥发 性物质充分挥发出去。同时又不会使颗粒内部生成过高的内应力。在加热到2 5 0 3 0 0 。c 时，溶胶一凝胶过程留下的酸残留物基本上全部挥发掉，在3 0 0 - 6 0 0 c 时， 颗粒内的结合水也大部分蒸发掉。同时，凝胶化时加入的改良剂的前身物 ( m g ( n 0 3 ) 2 或氧锆基醋酸盐等) 也分解生成金属氧化物改良剂( m g o 、z r 0 2 等) 。 4 第一章文献综述 ( 6 ) 烧结成磨粒 煅烧后迅速加热使颗粒温度达到1 2 0 0 以上，再持续加热一段时间，使温度 保持在1 3 0 0 1 4 0 0 。促使颗粒烧结成磨料。迅速加热过程和保温烧结过程，实 际上是两个紧密相连的过程。迅速加热过程最好是在1 分钟内完成，颗粒温度从 煅烧时的温度( 、 6 时，阳离子处于网络之外，与网络外体的作用 相似；当配位数为4 时，也能起到补网作用，起网络生成体的作用。 中间体氧化物同时存在夺取和给出“游离氧”的倾向：一般电场强度大，夺 取能力越大；反之，电场强度小，则给出能力大。当系统中不止含有一种中间体 氧化物，且游离氧不足时，几种常见的中间体离子大致按下列顺序进入网络： 【b e 0 4 - - a 1 0 4 叫g a 0 4 - b 0 4 - t i 0 4 - - - z n 0 4 】 决定这一顺序的主要因素是阳离子的电场强度，顺序在后的未能夺得“游离氧” 的阳离子将处于网络之外，起着积聚作用。 表l l 玻璃中常见的氧化物按作用分类 9 第一章文献综述 t a b l e1 - lc l a s s i f i c a t i o no fu s u a lo x i d ei ng l a s s ( 2 ) 玻璃网络结构参数 一s i 4 +o 一0 9 - 。一n a + o r k + 图l 3k 2 0 - s i 0 2 玻璃的二维结构模型 f i g 1 3t w o - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fk 2 0 - s i 0 2g l a s s 通常引入x 、y 、z 、r 4 个参数来表示硅酸盐网络结构特征和比较玻璃的物 理特性，其中：x 为每个多面体中非桥氧离子的平均数，y 为每个多面体中桥氧 离子的平均数，z 为每个多面体中氧离子的平均数，r 为氧硅比【1 6 】。 s i 4 +o 桥氧非桥氧 图l - 4 玻璃结构中的桥氧与非桥氧 f i g 1 - 4b r i d g i n go x y g e na n dn o n - b r i d g i n go x y g 饥i ng l a s sn e t w o r k 4 个参数间存在如下关系： 1 0 + 2 r + 第一章文献综述 x + y = z x + 0 5 y = r ( 1 - 4 ) y 又称结构参数，反映了玻璃体中三维网络的聚集程度。石英玻璃中y = 4 ， 呈现结构紧密的三维网络：随其他氧化物的加入，非桥氧离子增多，y 值下降， 网络聚集交小，结构变得疏松，因此，y 值也可以作为衡量玻璃性质的参数。并 且当y 2 时，硅酸盐玻璃就不能构成三维网络。 ( 3 ) 硼一铝反常现象 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，配制出低熔点高强度 陶瓷结合剂【1 7 - 1 9 。 在碱硼铝硅玻璃中，a 1 3 + 通常以铝氧八面体 a 1 0 6 1 形式存在，当存在r 2 0 或 r o 时，a 1 3 + 可以获得r 2 0 或r o 提供的自由氧而形成4 次配位的铝氧四面体 a 1 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 较多，提供的自由氧超过 体系中形成铝氧四面体 a 1 0 4 所需时，就会夺取自由氧，由硼氧三角体 b 0 3 降 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t a l 3 + 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 又会分别逆转为硼 氧三角体 b 0 3 与铝氧八面体 a i o d ，反而降低了结合剂的强度。所以玻璃体的强 度可以由( a 1 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，女 i 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 ) 与承2 0 + i 己o + 0 5 l i f ) 。从理论上讲，摩尔比 值等于1 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) 还必须能同时得到满足。 ( 4 ) 离子的极化理论 对结合剂成分进行调整所依据的理论还有离子的极化理论1 2 0 1 。在玻璃网络结 构中，氧离子被中心阳离子r n + 如b ”、s i 4 + 极化，使r o 键间距减小，甚至键性 发生变化，称之为内极化。当同一氧离子受到原子团外的另一阳离子a n + 的外极 化影响时，r o 键的间距反而增加，这种反极化( 也称为二次极化) 甚至会引起 【r o 。】原子团的解裂。离子的极化和反极化现象对玻璃的结构和性质有着重要影 响，一些碱金属及碱土金属氧化物对玻璃熔体的粘度影响就可以用这个理论加以 解释。 第一章文献综述 1 4 陶瓷磨具国内外研究进展 1 4 1 陶瓷磨具国外研究进展 英国的m j j a c k s o n 等【2 l 】研究了在a 1 2 0 3 s i 0 2 k 2 0 c a o 基础玻璃体系中， k 2 0 c a o 的比例对结合剂性能的影响，并从玻璃的网络结构和离子场强的角度进 行了分析。结果表明，试样的抗弯强度随k 2 0 c a o 比例的增大而提高。随k + 数量 的增多玻璃的有序度和粘度降低，粘度的降低使玻璃中碳酸盐、硫酸盐分解出的 气体不能排出，产生气孔，使强度降低。另外，金属阳离子的场强决定了它吸附 电子的能力。k + 获得电子的能力要比c a 2 + 差，因此，随着k 2 0 c a o 比例的增大， 结合剂的粘度降低。 英国的m j j a c k s o n 等【2 2 ，2 3 】还研究了对陶瓷刚玉以及c b n 磨料的玻璃粘接系 统所涉及一些折中问题，以平衡磨削性能、制造砂轮的能力、砂轮安全性及产品 一致性问题。研究发现：原材料的选择对混合质量、稳定性、处理原始态砂轮的 能力及其在玻璃化热处理过程中的粘度有重大的影响，同时陶瓷结合剂的组成往 往影响强度，安全性和产品的性能。 英国研究人员t i b a r r y 等1 2 4 1 研究了以c a o m g o - a 1 2 0 3 s i 0 2 为基础结合剂体 系，向其中引入l i 2 0 、k 2 0 、z r 0 2 、n a 2 0 、p 2 0 5 、b 2 0 3 、c a f 2 、p b o 、t i 0 2 等组 分，分析结合剂的性能。 美国的l e ea c a r m a n 等【2 5 】对基础陶瓷结合剂体系进行了研究，重点分析了 p 2 0 5 和b 2 0 3 的添加对结合剂性能的影响，结果表明：p 2 0 5 的加入可以使结合剂的 耐火度降低，b 2 0 3 和r 2 0 降低结合剂的粘度，提高结合剂与磨粒的反应能力，但 p 2 0 5 提高结合剂的粘度，降低结合剂与磨粒的反应能力，二者互补。另外，p 2 0 5 和r 2 0 提高热膨胀系数，b 2 0 3 降低热膨胀系数，因此，合理的添加这些组分可以 得到性能优异的结合剂。 美国专利【2 6 】报道了传统的陶瓷结合剂原料有粘土、高岭土、硅酸钠、a 1 2 0 3 、 l i 2 c 0 3 、硼的五水合物、硼的十水合物、硼酸、纯碱、燧石、硅灰石、长石、磷 酸钠及磷酸钙等。陶瓷结合剂中常含有s i 0 2 、a 1 2 0 3 、n a 2 0 、p 2 0 5 、l i 2 0 、k 2 0 、 b 2 0 3 ，碱土金属氧化物c a o 、m g o 和b a o ，还含有z n o 、z r 0 2 、f 、c o o 、m n 0 2 、 t i 0 2 、b i 2 0 3 等。 波兰b s t a i n e w i c