（材料学专业论文）cbn砂轮用微晶玻璃结合剂的研究.pdf

碳l ：学位论文 摘要 本文就c b n 砂轮及微晶玻璃的发展历史、制备技术及应用做了较为系统的 综述。根据c b n 砂轮结合剂的特殊要求，结合相图，选驳氟硅酸热微晶玻璃作为 本次实验的研究对象。采用化学纯原料，n a 2 s i f 6 为晶核剂，用烧结法制各出了主 晶相为氟金云母的微晶玻璃，经扫描电子显微镜观察，其中的晶粒尺寸为2 w a 。 实验结果表明：晶核剂n a 2 s i f 6 能有效促进氟金云母微晶玻璃的晶化，其最 佳加入量为7 。随着n a 2 s i f 6 含量的增加，玻璃析晶能力增强，热处理后氟金云 母晶体增多，晶粒尺寸变小，但其用量不宜超过7 。z n o 可部分替代m g o ，随 着z n o m g o 比的增加，玻璃体的熔化温度及烧结温度可显著降低，当z n o m g o 比由2 1 0 上升到8 4 的时候，玻璃的熔化温度也将由1 0 5 0 c 下降到9 0 0 ( 2 ，同时 微晶玻璃强度也有所增加。 用烧结法制备微晶玻璃时，热处理制度对微晶玻璃性能影响很大。利用两阶 段法( 即分液相烧结和晶化两阶段) 对试样进行热处理，有助于减少试样内部气 孔率，提高微晶玻璃烧结体的整体强度。对于所研究的微最玻璃体系，液相烧结 温度为9 0 0 1 2 ，烧结时间l h ，晶化温度为7 5 0 c ，晶化时间2 h 为最合适的晶化工 艺制度。该条件下得到的微晶玻璃的晶粒尺寸可控制在1 2 1 x m ，抗折强度可到 达1 0 7 5m p a ，显微硬度为1 0 8 g p a ，晶体结构为六方片状，主晶相为氟金云母。 根据陶瓷磨具的“磨粒一结合剂一气孔”三角坐标，初步确定砂轮制备的工 艺参数。对“8 ”字块试样进行抗拉强度测试，结果表明：以微晶玻璃做砂轮结合 剂，试样块的抗拉强度较普通陶瓷结合剂要高出1 3 5 ，由此说明以微晶玻璃作 为高速、高性能c b n 砂轮结合剂具有较好的应用前景采用最大应力学说以及平 均应力学说对测试结果进行理论计算得出：采用本次研究的微晶玻璃结合剂的 c b n 砂轮的最高使用工作速度为1 0 0 m s ，较采用普通陶瓷结合荆提高了6 6 ，6 。 关键词：微晶玻璃：c b n 砂轮结合剂：氟金云母：烧结 耋些些兰望堡曼塞塑丝垒型墼：竺! a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t ，f a b r i c a t i o na n d a p p l i c a t i o no fg l a s s c e r a m i c a n dg r i n d i n g w h e e l sw e r es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc b n g r i n d i n g w h e e l sa n d p h a s ed i a g r a m ，f l u o s i l i c a t eg l a s s c e r a m i c w a sc h o s e na st h e s u b j e c t i n v e s t i g a t e d ag l a s s c e r a m i c w a sp r e p a r e d b ys i n t e r i n gg l a s sp o w d e rf o r m e db y c h e m i c a lp u r ea g e n ta n d n a 2 s i f 6a sn u c l e a t i o na g e n t t h em a j o rc r y s t a l l i n ep h a s ew a s f l u o r o p h l o g o p i t e t h ep h a s e o f g l a s s c e r a m i c w a s a n a l y z e db yx r d ，a n di t s m i c r o s t r u c t u r e sw e r eo b s e r v e d b y s e m t h e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a t n a 2 s i f 6 c o u l d e f f e c t i v e l yp r o m p t c r y s t a l l i z a t i o no fg l a s sc e r a m i c a sn a 2 s i f 6c o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h ec r y s t a l l i z i n ga b i l i t y o f g l a s si n c r e a s e d t h ec o n t e n to ff l u o r o p h l o g o p i t ea l s oi n c r e a s e da n dt h ec r y s t a ls i z e b e c a m es m a l l e ri ft h ea d d i t i o no fn a 2 s i f 6w a sl o w e rt h a n 7 m g oc o u l d b e s u b s t i t u t e db yz n o a st h er a t i oo f z n o m g oi n c r e a s e df r o m2 1 0t o8 4 ，t h em e l t i n g t e m p e r a t u r eo fg l a s sd r o p p e df r o m1 0 5 0 ( 2 t o9 0 0 ca n dt h ef l e x u r a ls t r e n g t ha l s o i m p r o v e d ， h e a t i n gc o n d i t i o n sh a dg r e a ti n f l u e n c eo ng l a s sc e r a m i c s t or e d u c ep o r er a t i o a n di m p r o v ef l e x u r a ls t r e n g t h , t w os t e p ss i n t e r i n gt r e a t m e n t , l i q u i ds i n t e r i n g p h a s ea n d c r y s t a l l i z i n gp h a s e ，w a sa d o p t e d i n t h i sr e s e a r c h i nt h i s r e s e a r c h ，t h eo p t i c a l c r y s t a l l i z a t i o np a r a m e t e r sw e r el i q u i ds i n t e r i n ga t9 0 0 cf o rl ha n dc r y s t a l l i z i n ga t 7 5 0 cf o r2 h a tt h e s ec o n d i t i o n s ，t h eg l a s s c e r a m i c sw e r ef o r m e d ，o fw h i c ht h es i z e o f c r y s t a lc o u l db ec o n t r o l e dt o2 u m ，m i c r o s t r u c t u r ew a sh e x a g o n a lp l a t e l e ta n dm a j o r c r y s t a l l i n ev ，鸹f l u o r o p h l o g o p i t e a c c o r d i n gt ot h et r i g o n o m e t r i cc o o r d i n a t eo fg r i n d i n gp a r t i c l e s , b i n d i n ga g e n t a n d p o r e 。t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r e c h o s e nt op r e l x 刮r e“8 ”m o d e l t h et e n s i l e s t r e n g t ht e s to f “8 ”m o d e ls h o w e d t h a tt h et e n s i l es t r e n g t h o f g r i n d i n gw h e e l sf o r m e d b yg l a s s c e r a m i cw a s13 5 h i g h e rt h a nc o m m o l lb i n d i n ga g e n t i ti n d i c a t e dt h eb r i g h t f u t u r eo f u s i n g g l a s s c e r a m i ca sc b ng r i n d i n gw h e e l s t h er e s u l t so f t e n s i l es t r e s st e s t w e r e a n a l y z e db yu s i n gt h et h e o r yo fm a x i m u m s t r e s sa n da v e r a g es t r e s s t h eh i g h e s t a p p l i c a t i o ns p e e do f t h ec b ng r i n d i n gw h e e l sw a sc a l c u l a t e do u tt ob e1 0 0 m s 6 6 6 h i g h e rt h a nc o l n l n o nb i n d e r k e yw o r d ：g l a s s - - c e r a m i c ；b i n d i n ga g e n t ；f l u o r e p h l o g o p i t e ；s i n t e r i u g n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：合日期：2 0 0 4 年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：今舜 导师签名： 万侍 日期：2 0 0 4 年岁月日 日期：2 0 0 4 年厂月 驴日 辞 顾i ：学位论文 第一章文献综述 1 1 立方氮化硼( c b n ) 砂轮 我国目前广泛用来制造磨具的磨料主要有两大类超硬磨料和普通磨料。 金刚石和c b n 属于超硬材料，它们均可用来制作超硬材料砂轮。虽然金刚石在所 有材料中硬度最高，但是金刚石砂轮主要适应于加工玻璃、陶瓷、石材及硬质合 金等丽不适于加工黑色金属，主要是因为人造金刚石在8 0 0 ( 2 下即开始氧化磨损， 即便是在惰性气体中，il o o 开始转化成石墨。1 0 0 0 以下就可以与铁、碳、铬 等起化学反应而磨损，从而大大降低砂轮的磨削性能，得不到较好的磨削效果， 故以往对于黑色金属材料的加工都还是采用碳化硅和刚玉类普通磨料砂轮进行。 由于普通磨料相对于超硬磨料来说硬度偏低，因而用它们制作的砂轮难于满足高 精度钢铁材料的加工，磨削效率较低，磨削质量也较差。随着我国机械工业的发 展，高精密磨床和数控磨床的应用越来越多，现有的普通磨料砂轮已满足不了高 效、精密磨削加工要求，因而新型c b n 砂轮就越来越引起人们的关注了。 1 1 1 c b n 砂轮的发展及性能 c b n 是继人造金刚石之后，于1 9 5 7 年由美国逶用电气公司( g e ) 首先研制残功 的一种新型超硬磨料，1 9 6 4 年进入市场，1 9 6 9 年开始在工业上得到应用 ”。其 中第1 代c b n 产品为单晶，第2 代c b n 产品为微晶。这两代c b n 磨料的硬度大 致相同，但徽晶c b n 磨粒每次发生破裂时，便产生锋利的新切削刃，具有自锐作 用，故可用于制造砂轮我国于1 9 6 7 年合成c b n 撵品，1 9 7 5 年开始生产c b n 磨 料并且研制成c b n 砂轮。近年来，随着我国机械工业往高效、精密加工方向发展， 对于c b n 砂轮的需求日益增加，因而推动了c b n 砂轮的研究和发展，c b n 砂轮 的产量正以每年3 0 5 0 的速度增长，近十年来增加了6 倍。图1 i t ”为近几年c b n 砂轮年产值的变化，从中可以看出，2 0 0 0 年c b n 砂轮的年产值是1 9 9 5 年的四倍 c b n 砂轮用微品玻璃结合剂的研究 之多，筠增长率为3 8 。 1 。 8 。 露 套” g 幕t 。 址 士h 2 0 o 年代) 图1 1c b n 砂轮年产值的增长 f i g 1 1t h e i n c r e a s eo f c b n 鲥n d i n gw h e e l s p r o d u c t s c b n 作为蘑料制造的砂轮具有以下优点i s “1 2 】： 1 ) c b n 硬度高，莫氏硬度为9 ：8 ，硬度仅次于金刚石。c b n 砂轮可磨削高硬度、 难加工材料，磨削效率高。 2 ) c b n 具有优良的热稳定性及导热性，可承受1 2 5 0 1 3 5 0 的高温，导热率是 刚玉的4 5 倍，故能将磨削热迅速导出( 进入工件的热量约为磨削时产生总热量 的4 ，而用刚玉砂轮时则高达6 3 煳，减少或避免工件烧伤与热变形。 3 ) c b n 化学惰性好，用其制作的砂轮可磨削工具钢、轴承钢、钛基合金、镍基合 金、高温合金等。 4 c b n 砂轮耐磨性好，单位磨耗量少，耐磨度是普通磨料砂轮的1 4 0 0 倍，加工 钢铁材料零部件时的切削比大( 磨削钢材时的磨削比一般为8 0 0 1 5 0 0 。是刚玉 磨具的1 2 0 1 5 0 倍) ，近年来已研制出磨削比为2 0 0 0 3 0 0 0 的c b n 砂轮，是 刚玉高速砂轮的3 7 5 6 2 5 倍。 5 ) c b n 砂轮耐用度高( 可达刚玉砂轮的1 0 0 倍以上) ，因而减少了更换和修整砂轮 的时间，增加了磨床的有效磨削时间，提高了工作效率。 6 ) c b n 砂轮本身磨耗量小，砂轮的形状易于保持，可大大提高被加工零件精密度 实现精密和超精密磨削。 7 ) 应用c b n 砂轮磨削可大幅度降低磨削力，节约能源消耗，减少或避免被加工 零件表面裂纹、烧伤等情况，提高零件的耐疲劳强度零件耐用度可提高3 0 5 0 。 颂i ：学位论立 表1 1 、表1 21 2 1 分别为c b n 砂轮与刚玉砂轮磨削性能和经济性能的比较。 表1 1c b n 砂轮与刚玉砂轮磨削性能比较 t a b l e1 1t h e c o m p a r i s o n s o f g r i n d i n g p r o p e r t i e s b e t w e e n c b na n d c o r u n d u m w h e e l s 砂轮种类砂轮价消耗砂轮消耗滚轮数滚轮价耗工时砂轮贽滚轮赞 工时赞憨费用 饲片)数( 只)纠帅用用回回0 0 注：以磨3 5 0 0 根汽车凸轮轴计算工时费按2 0 元，小时计算 从表中可以看出。无论从磨削质量和经济效益，采用c b n 为磨料制备的砂轮均 大大优于采用刚玉磨料的砂轮。此外，c b n 还悬代替刚玉磨料用于癌削淬火钢、高 速钢、高强度钢、不锈钢和耐热合金等离硬度、高韧性金属材料的最佳磨料，在汽 车发动机、制冷压缩机、精密机械、轴承、金属加工磨具等工业领域得到广泛应用 获得了显著的技术经济效益i ”“q 。 1 1 2 c f l n 砂轮国内外研究现状和发展趋势 目前，国内有郑州磨料磨其与磨削研究所、郑州自钨股份有限公司和燕山大 学 15 。1 9 l 等少数几个单位在进行内瓷结合热c b n 砂轮的研究，但都还处于试验阶段， 并且采用的都还是普通砂轮的研究方法。砂轮性能没有得到实质上的提高，而且 还没有形成批量化生产。国外研究制造陶瓷结合剂c b n 砂轮的主要有俄、美、日、 德等国。与国外砂轮相比，国内研制的砂轮在质量上有较大差距，无法与进口砂 轮竞争。这种差距主要表现为： 1 ) 国内砂轮耐用度较差，磨削比较低。进口c b n 磨汽车凸轮轴砂轮每片可 加工凸轮轴4 0 0 0 - - 5 0 0 0 根，而国产砂轮每片只能加工3 0 0 0 - 3 5 0 0 根，因而加工成 本提高较多，用户难以接受。 2 ) 函产砂轮强度低，使井j 线速j 叟受到限制。暇外生产8 0 米缈陶瓷砂轮已属 一l 一 瑟一 一 一 一 枷 啪 姗 7 _ = 啪 叫 枷 啪 ； 。 。借 驺 ，蛐 | 曼 姗 懈蜥：娄|比 慨对 c b n 砂轮用微品玻璃结合剂的研究 f 常，并己开发出了1 0 0 米秒，甚至1 2 0 米秒的陶瓷砂轮产品，而国内生产的陶 瓷砂轮一般使用线速度为3 5 米秒，批量生产的以6 0 米秒为限，仅有少量的试验 品可达到8 0 米，秒，由于磨削速度低，磨削效率和磨削质量不可能有较大的提高。 3 ) 国产砂轮硬度和密度均匀性差，高速磨削时产生震动，使被加工零件表面 形成波纹，影响了加工质量。 目前，国内使用的陶瓷结合剂c b n 砂轮主要靠从俄、同进口，但进口砂轮价格 高，如磨汽车凸轮轴直径为6 0 0 m m 的陶瓷结合剂c b n 砂轮，进口价每片需 5 0 0 0 - - 6 0 0 0 美元，约为国产砂轮的两至三倍，因而限制了c b n 砂轮的推广应用。砂 轮的高速度，才能产生磨削的高效率，并且高速磨削有利于提高磨削质量，因此， 很有必要加紧研制质量接近于进口产品的陶瓷结合剂c b n 砂轮并使之形成批量生 产，以有效地占领和开拓国内市场，促进我国高效、精密磨削加工的快速发展。 1 2 c b n 砂轮结合剂 1 2 1 砂轮结合剂概况 砂轮结合剂是指将磨粒粘结起来，并且在磨削过程中保证磨具不发生破损的 材料1 2 0 l 。在磨具中，结合剂的作用在于：1 ) 把磨料粘结在一起。以便做成各种形 状的磨具：2 ) 磨具固结后，结合剂使磨具能承受一定的磨削力和回转时的离心力， 具有足够的回转强度；3 ) 磨具表面磨粒磨钝后，外力作用下磨粒能产生自动脱落 能力，即制成各种磨具工作时产生自锐作用。结合剂在磨具中是以把持磨粒而存 在的，其分布情况有两种：l 、结合剂包覆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；2 、磨粒与磨粒之间 以结合剂“桥”的形式连接，结合剂桥的强度决定于结合剂本身的强度。 结合剂可分为树脂结合；f ! j 、金属结合剂和陶瓷结合剂三大类。树脂结合剂多 采用热固性树脂，具有固化温度低、制备揠对简便等优势，但是树腮结含剂磨具 受热之后磨粒容易脱落、使用寿命短；陶瓷结合剂磨具的优点在于，结台剂对磨 粒的把持力强、使用寿命长且耐高温性能好，但是陶瓷结合荆需要在高温下与磨 粒烧结，因此制作成本相对较高；金属结合剂则介于两者之间，对磨粒的把持力 较强、制备温度相对于陶瓷来说较低，但是原料成本较高。陶瓷结合剂中又可分 为烧结和烧熔结合剂两种，一般以烧成温度为基准：凡是结合剂的耐火度高于烧 成温度的都叫烧结结合剂；凡是结合剂的耐火度低于烧成温度的都叫烧熔结合剂。 而针对用途不同，陶瓷结合剂又可被分为刚玉磨具用结合剂、碳化硅磨具用结合 剂、细粒度磨具结合剂、低熔结合剂及高速结合剂等等。 作为结合剂，应具备以下一些基本性质： 1 ) 较高的韧性，即承受较人的负荷而不出现裂纹。 2 ) 较好的高温流动性和对媵树的润湿性，以有利于提高磨粒与结台荆之间的结合 一一 硕i ：学位论义 强度。 3 ) 与磨料接近的膨胀系数和高的弹性模量。 4 ) 有适当的反应能力。在一定的限度内反应能力增大有利于提高结合剂与磨粒 的结合强度，而且磨粒与结合剂形成的反应将使它们之间的膨胀系数差值减少， 有利于提高磨具的整体强度。 1 2 2o b n 砂轮结合剂分类及比较 与普通磨料砂轮一样，用于制备c b n 砂轮的主要有金属、树脂和陶瓷结合剂。 其中树脂结合剂多采用热固性树脂，具有固化温度低、制备相对简便等优势，但 是树脂结合剂磨具受热之后磨粒容易脱落、使用寿命短；金属结合剂对磨粒的把 持力较强、制备温度相对于陶瓷来说较低，但是原料成本较高。相对于金属及树 脂结合剂c b n 砂轮而言，陶瓷结合剂c b n 砂轮具有充足的气孔，磨削时切削锋 利、磨削力小，砂轮整形和修锐、修整简便，可一次完成。此外，陶瓷结合剂c b n 砂轮还具有弹性模量大、热膨胀小、化学性能稳定、磨其变形小等优良性能，采 用其进行磨削可获得岗精度的加工表面由于陶瓷砂轮经过高温烧结，磨粒和结 合剂之间产生化学结合，因而结合剂对磨粒的把持力强；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。邱丽花的文章中，就提到了树脂c b n 砂 轮由于修整困难不适于轴承专用磨床的自动修整系统，电镀c b n 砂轮虽然不用修 整，但存在装卡误差、寿命短等缺陷，未能苒大批量的生产中推出，陶瓷c b n 砂 轮由于具有耐热和刚性、容易修整、寿命长等特牲，最逶食轴承内表厩的磨削口i 。 表1 3c b n 砂轮的种类及特性 t a b l e1 3 t i m t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s o f c b n g r i n d i n g 、 d 犯e s c b n 砂轮用微品玻璃结合剂的研究 表l t 3 为不同结合莉c b n 砂轮的工艺及性能对比42 ”。图1 2 则是不同结合剂 的c b n 砂轮市场占有率的变化咧。从图表中可以看出陶瓷结合剂c b n 砂轮具有优 异的性能因而得到广泛的应用，市场占有率近年来也有大幅度提高。 图1 2c b n 砂轮类别的市场占有率 f i g 1 2t h e m a r k e ts h a r eo f d i f f e r e n tk i n d so f c b n g r i n d i n gw h e e l sp r o d u c t 1 3陶瓷c b n 砂轮结合剂 1 3 1 普通陶瓷c b n 砂轮结合剂 黄秉麟，在“陶瓷磨具制造”v z o l 中，将砂轮陶瓷结合剂分为六大类：1 烧结 结合剂及烧熔结合剃；2 刚玉磨具常用结合剂；3 碳化硅磨具常用结合剂；4 细 粒度磨具常用结合剂；5 低熔结合剂；6 高速砂轮结台剂。由于c b n 加热到9 0 0 以上时可被空气或氧化物氧化为b 2 m ，因而在制备陶瓷c b n 砂轮时的烧成温度 不宜过高，一般应当控制在9 0 0 ( 3 以下，加之c b n 砂轮目前多应用于高速磨削，目 前所采用的结合剂种类多为低熔结合剂或高速砂轮结合荆。 a ) 低熔结合剂，是指耐火度很低，约为6 0 0 7 0 0 c 之闻，用于制造低温烧成 磨具的结合剂。国内的低熔结合剂属于试验性质豹较多，真正用于生产的较少。 目前，常用的低熔结合剂种类如表1 4 删。可以看出，在这六类低熔结合剂中，满 足烧结温度低于9 0 0 ( 2 的只有粘土一针瓶玻璃类，美国某专利吲就是采用这种类型 结合荆做为c b n 砂轮结合剂。 - - 6 - 知 柏 柏 ” o x v船忙与i辫枉幕粼幂如阜i 硕士学位论义 表1 4 低熔结合剂的类型 t a b l e1 4t y p e so fl o v e - m e l t i n gb o n d e r b ) 高速砂轮结合剂，是指应用于高速砂轮上的结合剂，具有较高强度的特点。 目前最常使用的高速砂轮结合荆属于粘土一长石一硼玻璃系，因氧化硼不仅是良 好的催熔剂，而且硼原子以s p 3 杂化轨道与氧原子结合形成硼氧四面体，该硼氧四 面体与硅氧四面体有极其相似的结构，能形成互相连续的网络结构，有利于结合 荆形成玻璃：又因硼氧四面体的密度比硅氧四面体的大，故能提高结合剂玻璃相 的强度。此外，适量弓l 入锂、钙、镁等的氧化物也可以改善结合剂玻璃体的结构 和性能。高速结合剂还必须具备结构均匀、致密的特点，结合荆桥上的封闭气孔 和微裂纹越少越好，这主要是因为结合荆上的这些缺陷狠可能成为砂轮破裂的来 源和起因。此外，高速结合剂还需具备以下特性： 1 较高的显微硬度，即承受较大的负荷而不出现裂纹，这种性能是借助 显微硬度计进行测定。 2 较好的高温流动性和对磨粒的润湿性，因它们有利于提高磨粒与结合 剂之间的结合强度。高温流动性大的结合剂可以较均匀地分布于磨粒 之间，并能更好地渗入磨粒的微缺陷，但结合剂流动性不可过大，以 免造成唐具焙烧变形此外，同一结合剂对不周磨料有不同的高温润 湿性能。 3 具备与磨料接近的线膨胀系数和高的弹性模量。结合剂与磨粒的热膨 胀系数的差值越小，焙烧过程磨具内部的热应力就越小，磨具强度就 比较高。 4 适当的反应能力。结合荆的反应能力对磨具强度的影响，要根据结合 剂的性能进行具体分析，在一定限度内，反应能力增大有利于提高磨 具强度，而且磨粒与结合剂问形成的反应带使二者之间熟膨胀系数的 差值减小但反应能力过大的结合剂有i 能使麝粒受到严重的侵蚀而 降低砂轮的磨削性能。 - 7 - c b n 砂轮用微品玻璃结合剂的研究 结合上面几点考虑，现今高速砂轮所采用的配方系列有： 粘土一长石一硼玻璃 粘土一硼玻璃一锂辉石一无碱玻璃 硼玻璃一石英一纯碱 粘土一长石一硼玻璃一钙玻璃 粘土一长石一硼玻璃一无碱玻璃 赵玉成在其文章中就提到的采用粘土一长石一硼玻璃体系制各c b n 砂轮口i ， 结合剂的耐火度很低，约在6 0 0 7 0 0 ，烧结温度可控制在9 0 0 c 以内。 相对于低熔结合剂而言，高速结合剂具备高强度、高硬度、均匀性好等优点， 但是由于玻璃的本质决定了该结合剂在性能上的局限性，所制取的c b n 砂轮容易 磨损，使用寿命低。面对日益增长的市场，如果能够找到低熔点而又具有较高强 度的结合剂，那么对于c b n 砂轮的发展和应用将具有深刻影响，也具有极大的市 场价值。 1 3 2 微晶玻璃c b n 砂轮结合剂 1 3 2 1 微晶玻璃概况 微晶玻璃是一种强度高、热稳定性好、软化温度高和电绝缘性好的新型无机 材料。它是将特定组成的玻璃在程序温度控制下进行再加热，使玻璃体内均匀地 生长出众多的微晶，即可制得像陶瓷那样的多晶体一捌，因此，微晶玻璃也称作 玻璃陶瓷( g l a s s - - c e r a m i c ) 。微晶玻璃的结构和性能与陶瓷、玻璃均不同，其性 质是由晶相的矿物组成和玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，因而集中了 陶瓷和玻璃的特点，是一类特殊的材料。一方面微晶玻璃中具有晶体结构，而不 是玻璃的无定形结构，其强度、硬度、耐热、耐化学腐蚀性均大大优于玻璃；另 一方面，它的内部结晶构造比许多陶瓷材料中的晶体要细得多，且更加均匀致密， 几乎没有残留气孔，其性能也比相同材质的陶瓷要好得多鲫，表1 5 鲫为微晶玻 璃与天然石材性能的比较，可以看出，微晶玻璃的各项指标尤其是力学性能远远 胜过天然石材。迄今为止，微晶玻璃作为结构材料、光学材料、电学材料、建筑 材料等广泛应用于国舫尖端技术、工业、建筑及生活的各个方面。在磨料磨具应 用方面，以微晶玻璃作为砂轮结合剂，由于微晶尺寸为1 2 1 u n ，结晶含量高达9 5 9 8 ，且结构均匀，因而使得磨具机械强度得到提高。然而由于控制微晶玻璃的 工艺比较复杂，在国内外至今未将玻璃工_ k 这成功经验推广到磨具制造行业中 来唧i 。 - - 8 - 俐f ：学位论义 表1 5 微品玻璃与天然石材性能的比较 t a b l e1 5t h e c o m p a r i s o n s b e t w e e n g l a s s - c e r a m i c sa n dg r a n i t e i 3 2 2 微晶玻璃分类 微晶玻璃按照其组成来分类，微晶玻璃主要分为四类p s - 3 0 ：硅酸盐微晶玻璃、 铝硅酸盐微晶玻璃、氟硅酸盐微晶玻璃及硼酸盐，如表1 6 所示。微晶玻璃的组 成在很大程度上决定着其结构和性能。 a ) 硅酸盐微晶玻璃：简单硅酸盐微晶玻璃主要由碱金属和碱土金属的硅酸盐晶 相组成，这些晶相的性能也决定了微晶玻璃的性能。光敏微晶玻璃与炉渣微晶玻 璃属于此类。光敏微晶玻璃的主晶相为二硅酸锂( “2 s i 2 0 s ) ，矿渣微晶玻璃9 ”耐 其析出的晶体主要为硅灰石( c a s i 砚) 和透辉石( c a m g ( s i ：) 。光敏微晶玻璃的 特点是容易被氢氟酸腐蚀，基予此性能，光敏微晶玻璃可以进行酸刻蚀 j i - r 成图 案尺寸精度高的电子器件，用于制各形状复杂的电子器件，如磁头基板、射流元 件。矿渣微晶玻璃主要应用于建筑材料及结构材料 b ) 铝硅酸盐微晶玻璃：铝硅酸盐微晶玻璃主要由碱金属和碱土金属的铝硅酸 盐晶相组成具有优良的热稳定性、抗冲击性及化学稳定性，其中主要包含四个 系统，l i 如一a l ：0 3 一s i 0 2 系统、m 9 0 - a l ：0 3 _ s i 0 2 系统、n 钆o - a i ：o ，- s i 晚系统、 z n o - a i 。0 。一s i o 。系统。l i ：o _ a l 。0 r s i q 系统的主要特性是低膨胀系数，调整l i ：0 及 a l 舢的成分配比可析出8 一锂辉石、b 一石英等不同的晶体，但是它的析晶温度 一般在1 0 0 0 1 2 0 0 c p ? - 3 9 1 。m 9 0 - a 1 2 0 r - s i 如系统的主晶相为茧青石，其特点是具有 优良的高频电性能、较高的机械强度、良好的抗热震性和热稳定性。n a 2 0 - a i 。o r s i0 2 系统是以霞石( n a a i s i 0 4 ) 为主晶相的微晶玻璃删，具有很高的热膨胀性，材料表 面涂附膨胀系数较低的釉可提高材料整体强度。z n o - a i 舡一s i 0 2 系统的主晶相可为 硅锌矿( s i o ：2 z n o ) 、锌尖晶石( z n o a 1 舡) 及钙黄长石，其特点在于不同晶相 之间热膨胀系数相差很大，可通过调节玻璃组成进而调节其热膨胀系数。 c ) 氟硅酸盐微晶玻璃：这一类微晶玻璃中析出一维或二维各相异性的晶体，类似 一j 二天然云母，具有与金属类似的可加工性和较高的强度与韧性，主要包含两种不表 ：竺里堡鱼塞塑堡窒型塑： 垫 1 6 微品玻璃的分类 t a b l e1 6c l a s s i f i c a t i o no fg l a s s c e r a m i c l o 颈i ：学位论文 同体型，片状氟金云母晶体型及链状氟硅酸箍晶体型。其中片状氟金云母晶体沿 ( 0 0 1 ) 面容易解理，而且晶体在材料内紊乱分布，使得材料断裂时裂纹得以 绕曲或分叉，而不致于扩展，断裂仅发生于局部，从而可以用普通刀具对微晶玻 璃进行各种加工h “”，链状氟硅酸盐晶体型析出针状晶体形成交织链状结构，使材 料具有好的韧性，类似于天然玉石。目前已研制成功的有氟钾钙镁闪光石 ( k n a c a m g s s i a o n f 2 ) 及氟硅碱钙石 c a s n a 4 k 4s i l 2 0 3 0 ( o h ，f ) 两种。这类材料具 有与上述霞石( n a a l s io | ) 相似的性能，也可施以低膨胀面釉，制备成高强、美观 的餐具。 e ) 硼酸盐微品玻璃：硼酸盐微晶玻璃中通常含有z n o 、p b o 等低熔点组分， 可析出2 z n o s i 0 2 ( 硅锌矿) 、a - - 2 p b o b ：0 3 及b - - 2 p b o b ：0 ，晶相，具有耐腐蚀、 低膨胀等特点。 1 3 2 3c b n 砂轮用微晶玻璃系统的确定 基于上述讨论，从工艺要求及成本方面考虑，初步选定氟硅酸盐系微晶玻璃 为本次研究的基础玻璃体系。目前，对于氟硅酸盐系微晶玻璃的微观结构形成过 程和结晶过程的研究尚处于初期h 3 “1 ，对于其成核和结晶的过程的解释，只能先从 m g o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 的三元系统开始。图1 3 是m g o - a 1 她一s i q 三元相图，玻璃组成选 择靠近堇青石析晶区的边界，由于这里s i 仉含量较高，制成微晶玻璃后化学稳定 性也较高，从而实用价值高。对于微晶玻璃而言，用氟离子代替氧离子可大大促 蚂 。 图1 3三元h g o _ l 如一s i o , 相图 f i g 1 3p h a s ed i a g r a mo fm 驴a l i k - s i ms y s t e m i l c b n 砂轮用徽晶玻璃结台剂的研究 进不混溶倾向。将m g o - a 1 ：o ：, - s i o 。中部分m g o 用m g f ：代替，然后与无氟玻璃进行比 较，发现无氟玻璃在约9 6 0 首先析出一种不稳定的高石英固熔体相，升温约到 11 3 0 c 可出现稳定的堇青石相；而含氟玻璃在9 6 0 就已经析出堇青石晶相。也就 是晚无氟玻璃通过升高温度达到的作用，可以靠用氟离子取代氧离子达到。但值 得注意的是，无论是无氟玻璃，还是含氟玻璃，结晶大多发生在该玻璃块的表面， 体内结晶较少，表面上有充分的氧供应，显然起了重要作用。如在含氟玻璃的基 础上，加入k ：0 ，提高氧的供给量，将会引起玻璃的体内自发结晶，这时出现的就 是试验所采用的氟金云母微晶玻璃。 氟硅酸盐系微晶玻璃是属于层状硅酸盐，一般具有板状习性，在( 0 0 1 ) 面呈 突出的解理性。云母结构的特征表现在双层群与双层群之间通过钾离子或钠离子 相互松懈地连接，其结构如图1 4 所示。 由图1 4 可以看出，氟金云母双层群又由两个相互牢固连接的单层群 s i ：0 j 组成。氟金云母在结构上另外的一个特点是，在六节环构成的四面体层中，每四 个四面体就有一个 a l 们四面体。双层群内部靠m 9 2 + 离子和f 一离子团连接在一起。 m g ”离子与四面体角上的0 2 一离子直接相连，另外还有一个价键由嵌在六节环中心 的f 一离子来饱和，两个四面体之间以这种方式咬合在一起。碱金属离子所起的作 用是使伸入到双层中的 s i o ， 四面体或 a i o 四面体的束饱和氧价键得到电荷平 衡，同时也起到松懈地连接两个双层群的作用。 坌= 誊蓉+ 图i 4 金云母结构示意图 f i g 1 4t h es t r u c t u r eo fm i c a 结构中可以互换的离子对为：f _ bo h 、m 与f o “、a 1 “与f e “、k + 与n a + 。 选择氟硅酸盐系微晶玻璃作为本次实验的臻础玻璃体系，主要是出于c b n 砂 坝i ：- 学- 位论文 轮结合剂自身要求来考虑的。在温度方面，氟硅酸盐系微晶玻璃是在m g o - a 1 ：0 3 - s i o 。 三元系统的基础上，加入具有较强助熔效果的f 和k ，大大降低了氟硅酸盐系微晶 玻璃的熔制温度和析晶温度。另外，从后面对氟金云母结构的分析发现h “”，k 可 被n a 、l i 取代，s i 可被b 代替，两m g 则可被替换成f e “、z n 。这说明，在原有 的基础上，氟硅酸盐微品玻璃还能够继续降低熔制及析晶温度，使得c b n 砂轮结 合剂所需要的低熔点微晶玻璃成为可能。在强度方面，据报道氟硅酸盐系微晶玻 璃的强度可达到2 0 0 3 0 0 m p a ，远远高于目前所使用的普通陶瓷砂轮结合剂的强 度因此选取氟硅酸盐微晶玻璃作为砂轮结合剂替代普通陶瓷结合剂具有实用价 值。 1 4c b n 砂轮的制备工艺 c b n 砂轮磨具的制备工艺包括原料的加工及配制、磨具的成型、干燥、烧 成及制品的加工在这些过程中，对陶瓷结合棚性能影响最大的是烧成曲线郴1 烧成曲线是反映磨具在烧结过程中温度随时间变化的相应关系曲线。普通陶瓷结 合剂的烧结曲线是由升温、等温烧结、冷却三个部分组成，可以用烧结温度、 等温烧结时间、升温和冷却速率等烧结工艺参数表示。在制定烧结曲线的时候， 结合剂的性能、磨具的规格、尺寸、制造工艺以及磨具的最终性能都是要考虑的 因素。提高烧结温度对于烧结过程及其制品质量是有利的，但是也要考虑到结合 荆熔点的问题，当烧结温度超过结合剂主要组元的熔点时，由于结合荆变为液态， 导致磨具产生烧结变形，此时结合荆对磨料的侵蚀也会成为影响最终制品的因素。 对于确定的结合剂而言，烧结温度可以通过在多个温度点烧结，然后对烧结体的 性能及微观结构测试比较后确定。当然，烧结温度还与其他因素，如烧结时间、 磨具大小、烧结氛围，有关烧结时闻与烧结温度的关系最为密切一般来说， 适当的提高烧结温度，可以相应的缩短烧结时阃，所谓高温快烧。商温快烧的优 点在于，可以提高生产效率、减少磨料和磨具的受热时桶，常披用于热压烧结。 降低烧结温度，为了获得同样的产品质量，就要延长等温烧结时闯，即所谓的低 温慢烧，其优势在于烧结温度低，可避免或减少磨科强度损失，但是效率较低， 一般用在低熔点结合剂磨具的常压烧结。不过，此时烧结温度也不能过低，造成 烧结不充分，所谓的“欠烧? 。 与普通陶瓷结合荆不同的是，微晶玻璃结合剂增加了晶化的工序，因而其工 艺参数将包括烧结温度、烧结时间、晶化温度、晶化时闯、升温和冷却速率组成。 其中烧结过程与普通陶瓷结合剂作用相同，使得结合剂在磨粒之间生成结合剂桥， 将磨粒粘接起来，形成不同形状的磨具。丽晶化过程是促使结含i i 在适当的加热 温j 变下，使结合荆体内均匀地生长出众多的微晶，提高结合剂的力学性能，从而 蚰终改善踌麒性能。晶化处理的两个重要的参数就是晶化温度和晶化时间。其中 一1 3 一 c b n 眇轮用微品玻璃结台剂的研究 晶化温度对晶体生长速率的影响可以从式1 1 中看出脚i ： u = 州。【l e x p ( - a g k t ) 】( 1 1 ) 式中：u 单位面积的生长速率： v 晶液界面质点迁移的频率因子； a o 界面层厚度，约等于分子直径； g 一液体与固体自由能之差 在一定温度范围内，晶体生长速率随晶化温度的提高而增大。晶化温度与晶 化时间的关系与烧结相似，当晶化温度提高的时候，晶化时间就要相应的减少； 相反降低晶化温度的时候，就要相应的延长晶化时问。 1 5 研究课题的主要内容 本课题通过对特种微晶玻璃的配方设计和晶体晶化机理的研究，改变砂轮结 合剂原材料和采用新的制备工艺，首先制备出一种可在9 0 0 1 2 以下低温烧结的高强 度微晶玻璃，以代替普通陶瓷或玻璃作为砂轮的结合剂。并通过分析微晶玻璃结 合剂与c b n 磨料的结合机理，进而制备出速度可达8 0 米，秒的、磨削性能优良的 微晶玻璃结合的c b n 砂轮。研究开发主要内容如下： 1 5 1 微晶玻璃的组成设计与优化 根据耐磨陶瓷的结构特点和性能要求，以化学纯原料为主要原材料，选择适 当的晶核荆和其它辅助原料，从组成和结构上进行微晶玻璃的材料设计，在满足 性能要求的前提下，寻找低温、高强微晶玻璃配方。 1 5 2 微晶玻璃的烧结工艺参数选择与优化 根据烧结法及玻璃微晶化的特性，探讨各工艺参数对于微晶玻璃结构及其性 能的影响。对于所选定配方和主晶相的基础玻璃，在各工艺参数中找到最佳组合， 确保微晶玻璃佳能达到所需要求。 1 5 3 微晶玻璃作为砂轮结合剂的研究 根据陶瓷磨具的“磨粒一结合剂一气孔”三角坐标，初步确定砂轮制备的工 艺参数，对于所制备砂轮进行抗拉强度测试，并与普通结合剂测试结果对比，对 微晶玻璃作为砂轮结合剂进行评估。 硕i ：学位论文 2 1 基础玻璃配方 第二章实验 2 1 1 基础玻璃配方设计原则 在设计基础玻璃成分的时候，必须考虑两点：1 基础玻璃结构的稳定性；2 玻 璃折晶后的晶相组成。 按照查啥尼阿森例1 提出的玻璃无规则网络学说，参与玻璃结构的全部阳离子 可以分为三类：1 网络形成体，如s i 、b 、p 、g _ c 、a s 、b e ( b e f 2 ) 等，配位数 多为3 或4 ：2 网络外体，如碱金属、碱士金属元素，配位数多为6 以上；3 网 络中间体，如a i 、m g 、z n 、p b 等，配位数多为4 6 。其中网络形成体是玻璃形 成所必须的成分，而网络外体和网络中间体则起到改变玻璃性能的作用。根据以 上的观点，考虑到作为c b n 砂轮结合剂的实际要求一低温、高强，在四类主要 的微晶玻璃中，选取了氟硅酸盐系微晶玻璃作为本课题的基础玻璃体系。 2 1 2 玻璃基础配方确立 实验所使用的原料除石英、氧化铝为工业纯外，其他均为化学纯，