（材料学专业论文）立方氮化硼磨具用金属陶瓷复合结合剂研究.pdf

中文摘要 本实验通过向n a 2 0 b 2 0 3 a 1 2 0 3 s i 0 2 基础陶瓷结合剂中分别添加金属粉 c u a l n i 及其合金粉 c u 合金 a l 合金 n i 合金 等添加剂 通过机械 球磨法制备出金属陶瓷复合结合剂 利用耐火锥法 平面流淌法 热膨胀系数测 试仪 三点弯曲强度测试仪 摆锤式冲击强度试验机 阿基米德排水法 扫描电 子显微镜和x 射线衍射仪等测试方法和分析设备 系统研究了上述金属或合金粉 对基础陶瓷结合剂的耐火度 流动性 热膨胀系数及其磨具的抗弯强度 抗冲击 强度 体积密度和气孔率 显微结构组织等性能的影响 同时还研究了不同烧成 温度和烧成气氛对金属陶瓷复合结合剂磨具性能的影响 实验结果表明 c u 和c u 合金的加入使陶瓷结合剂的热膨胀系数有所提高 a l 的加入能降低结合剂的热膨胀系数 c u 和c u 合金对结合剂的耐火度和流动性 有不同程度的影响 c u 的加入对结合剂的耐火度和流动性影响不大 而加入少 量的c u 合金却能使结合剂耐火度明显增大 流动性大幅下降 a l 和a l 合金对结 合剂耐火度和流动性的影响趋势相似 随着添加量的增多都能使结合剂的耐火度 升高 流动性降低 n i 和n i 合金对结合剂的耐火度的影响规律一致 都是随加 入量的增加先减小后增大 而对流动性的影响略有不同 在适当的烧成温度下 c u a i 和a l 合金加入量分别为4 叭 2 叭 6 叭 时均能很好的改善磨具试样 的微观结构 大幅度提高磨具试样的强度 c u 合金加入量愈多 磨具试样强度 愈好 n i 和n i 合金的加入量分别在6 叭 4 叭 时也能改善磨具试样的微观结构 提高试样的强度 烧成气氛对磨具性能有一定的影响 添加相同金属或合金的磨 具在n 2 中烧成的强度和微观结构比空气中烧成的差 关键词 立方氮化硼 金属陶瓷 结合剂 磨具 性能 a b s t r a c t c o p p e r a l u m i n u m n i c k e la n dt h e i ra l l o y s c o p p e ra l l o y a l u m i n u ma l l o y a n d n i c k e la l l o y w e r ei n t r o d u c e dt o n a 2 0 b 2 0 3 a 1 2 0 3 s i 0 2b a s i cv i t r i f i e db o n d r e s p e c t i v e i y a n dc e r a m i c m e t a lc o m p o s i t eb o n d sw e r ep r e p a r e db yt h em e t h o do f m e c h a n i c a lb a l lm i l l i n g t h e i re f r e c t so nt h em a i n p r o p e r t i e so ft h ev i t r i f i e db o n da n d g r i n d i n gt o o l si n c l u d i n gr e f r a c t o r i n e s s f l u i d i t y t h e m a l e x p a n s i o nc o e 币c i e n t b e n d i n gs t r e n g t h i m p a c ts t r e n 舒h a n dm i c r o s t r u c t u r ew e r e i n v e s t i g a t e du s i n g r e f h c t o 巧c o n em e t h o d p l a n en o wm e t h o d t h e r m a le x p a n s i o nli n e a rc o e m c i e n t d e t e r n l i n a t o r t h r e e p o i n tb e n d i n gs t r e n g t ht e s t e r i m p a c ts t r e n 垂hm a c h i n e a r c h i m e d e sm e t h o d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e s e m a n dx r a yd i f 仵a c t o m e t e r m o r e o v e r t h ei n f l u e n c e so fd i 腩r e n ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ta t m o s p h e r e o np r o p e r t i e so fc e r a m i c m e t a l c o m p o s i t eb o n dg r i n d i n gt o o l sw e r ed i s c u s s e d c o m p a r a t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tc o p p e ra n dc o p p e ra l l o yi n c r e a s e dt h e t h e n l l a i e x p a n s i o nc o e f n c i e n to ft h ev i t r i n e db o n d w h i l et h ei n t r o d u c t i o no f a l u m i n u mm a d et h et h e n n a le x p a n s i o nc o e 筒c i e n td e c r e a s e t h er e f r a c t o r i n e s sa n d f l u i d i 妙o ft h eb a s i cv i t r i n e db o n dw e r ei n f l u e n c e db yc o p p e ra n dc o p p e ra l l o ya t d i f 艳r e n td e g r e e s t h ec o p p e rs h o w e d s l i g h ti n f l u e n c eo nt h er e f r a c t o r i n e s sa n d n u i d i t y i n t r o d u c i n gal i t t l ec o p p e ra l l o yc o u l dm a k et h eb o n d sr e f h c t o r i n e s s i n c r e a s eo b v i o u s l ya n di t sn u i d i t yd e c r e a s eg r e a t l y t h e r ew a sas i m i l a ri n f l u e n c eo n t h eb o n d sr e f r a c t o n e s sa n df l u i d i t y b ya l u m i n u ma n di t sa i i o y t h er e f h c t o r i n e s s i n c r e a s e da n df l u i d i t yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa l u m i n u mo ri t sa l l o va d d i t i v e t h ec h a n g eo fb o n d sr e f r a c t o r i n e s sw a sn e a r l ys 锄ea r e ra d d i n gt h en i c k e la n di t s a l l o y w h i l et h eb o n d sf l u i d i 妙s h o w e dt i n yd f e r e n c e w i t h4 v t c o p p e r 2 v t a l u m i n u ma n d6 叭 a l u m i n u ma l l o y t h es t r e n 舀ha n dm i c r o s t l l j c t u r eo f g r i n d i n gt o o l s m t e r e da tp r o p e r l yc h o s e nt e m p e r a t u r e sw e r ei m p r o v e dg r e a t l y t h em o r ea m o u n to f c o p p e ra l l o y t h eb e t t e rs t r e n 鲈ho fg r i n d i n gt 0 0 1 m o r e o v e r w i t ht h ea d d i t i o no f6 r c n i c k e la n d4 v t i t sa l l o y t h es t r e n 垂ha n dm i c r o s t r u c t u r eo f g r i n d i n gt o o lw e r ea l s o i m p r o v e d t h es i n t e r i n ga t m o s p h e r eh a dl i m i t e de f f e c t0 1 1t h ep r o p e r t yo fg r i n d j n g t 0 0 1 t h es t r e n 舀ha n dm i c r o s t r u c t u r eo fg r i n d i n gt o o ls i n t e r e da tn 2w e r ew o r s et h a n t h a to fg r i n d j n gt o o ls i n t e r e da ta t m o s p h e r e k e yw o l m s c u b i cb o r o nn i t r i d e c e r a m i c m e t a i b o n d g r i n d i n gt o o l p r o p e r f v 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 也不包含为获得叁盗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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 社刹霞签字日期 棚g 年石月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞叁堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤盗盘鲎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 学位论文作者签名 程利衷 导师签名 签字日期 诩矽年石月弓日 签字日期 劬 孑年g 月弓日 第一章前言 第一章前言 磨削加工是人类最主要的加工手段之一 随着工业特别是硬金属加工 的发展 磨削逐渐成为不可缺少加工手段 所以磨料磨具也成为了与现代 工业发展有着密不可分的加工工具 在二十世纪八十年代 德国g u e h r i n g a u t o m a t i o n 公司制造出了当时世界第一台最具威力的6 0 l 洲 磨具线速度达 到1 4 0 1 6 0 m s 的强力立方氮化硼 c b n 磨具磨床 从此 c b n 磨具在高 速 高效磨削技术上得到长足的发展及应用 c b n 是继人造金刚石之后 于 9 5 7 年由美国通用电气 g e 公司首先研制成功的一种新型超硬磨料 其 硬度仅次于金刚石 具有很好的热稳定性 所以已经广泛应用在磨料磨具行 业 c b n 磨具因其具有磨削能力强 磨削效率高 磨削质量好 使用寿命 长等一系列优异性能 目前受到世界的广泛关注 成为世界上磨料磨具行 业研发的热点之一l l 4 j 随着科学技术的发展和新材料的不断涌现 c b n 磨具在磨削加工领域 越来越向着高速 高效 高精 甚至超高速 超精密加工的方向发展 这 种高效高精磨削技术已经在世界汽车制造领域正快速扩展 在机床 工具 模具 轴承 航空 航天 军工等其它许多应用领域也在不断深入 目前 在该领域处于领先地位的主要有德国 日本 美国 意大利等发达国家 而中国虽对高速 高效磨削加工技术装备研究也进行了较大的投入 但是 从总体水平上来看与这些发达国家还有一定的差距 磨具被誉为 工业的 牙齿 是衡量一个国家的工业发展水平的标准之一 所以要想在高效磨 削领域缩小与发达国家的差距 必须大力发展国内磨具行业 尤其要大力 发展能用于高速高效高精磨削的c b n 磨具 目前国内c b n 磨具还没有进入规模应用或普及阶段 所以c b n 磨具的 研究开发在国内还有很广阔的发展空间 c b n 磨具作为一种超硬材料磨具 既能用于钢铁材料的加工 也能用于非金属材料的加工 应用范围比金刚 石磨具更广 年增长速度也远高于金刚石磨具 所以它是一类用途很广的 超硬磨具 c b n 磨具是借助结合剂的作用将c b n 磨粒粘结成具有一定几何形状的 制品 所以在c b n 磨具的制备技术中 关键就是结合剂的制备技术 由于 c b n 磨料本身的一些特性 研究制备低温 低热膨胀系数 高强度 能与 c b n 磨料良好结合的结合剂是关键 c b n 磨具用的结合剂主要有金属 结合剂 树脂结合剂和陶瓷结合剂三种 树脂结合剂c b n 磨具由于结合剂 第 章前言 导热性差 易氧化 结合剂对磨粒把持能力差等原因 其应用受到很大限 制 金属结合剂c b n 磨具具有结合强度高 韧性好 耐磨性好 能承受大 负荷磨削等优点 已经应用于硬脆材料复杂性面工件的成形磨削和精密 超精密磨削领域 而在磨削的过程中 由于磨具的自锐性能差 易堵塞 烧伤工件 从而降低了磨削质量和精度 所以金属结合剂磨具必须经常进 行修整 然而 由于金属结合剂磨具是密实体 修整难度大 效率低 从 而影响其磨削效率 陶瓷结合剂c b n 磨具有充足的气孔 不易堵塞 烧伤 工件 自锐性好 切削锋利 易修整 修锐 陶瓷结合剂c b n 磨具被认为 是高速 高效 高精 低磨削成本 低环境污染的高性能磨具 目前已广 泛应用在轴承 机床 汽车等行业 但任何事物都有它不足之处 陶瓷结 合剂c b n 磨具也不例外 陶瓷结合剂c b n 磨具作为一种陶瓷复合材料 它 不可避免的具备了陶瓷脆性大 韧性 抗冲击性 抗疲劳性能差的缺点 所以有效的改善陶瓷结合剂c b n 磨具脆性必将是获得更完善陶瓷结合剂 c b n 磨具使用性能的基础和前提 也是当前获得高性能磨削技术的基础和 前提 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 立方氮化硼 c b n 磨料 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 g e 公司首先研制成功的一种超硬材料 1 9 6 4 年进入市场 1 9 6 9 年开始工业生 产中得到应用l l 卜1 5 j c b n 磨料属于立方晶系 具有闪锌矿型晶体结构中原子的排列与金刚石型晶 体结构中的原子排列相类似 c b n 与金刚石不仅晶格常数相近 金刚石为3 5 6 7 a c b n 为3 6 1 5 a 而且晶格中结合键也基本相同 都是沿四面体杂化轨道形成 的共价键 m 1 8 与金刚石晶体结构不同之处在于 金刚石是纯碳原子之间的共 价结合 而c b n 是b n 异类原子之间的共价结合 并且还存在一定的弱离子键 c b n 典型的几何形状是正四面体和负四面体的结合 常见的几何形态有四面体 假八面体 假六面体等i l9 l c b n 这种晶体结构决定了c b n 磨料不同于其他磨料的一些性能 如表2 1 表2 1 各种磨料性质 t a b l e2 1p 九 p e r t i e so f k i n d so f g r i n d i n ga b m s i v e 磨料 c b n 磨料金刚石磨料刚玉磨料 性能 晶系立方立方六方 组成 b nc a a 1 2 0 3 密度 c m 3 3 4 4 3 4 93 3 0 3 5 03 9 1 4 0 1 显微硬度 m p a 7 2 0 0 0 9 8 0 0 09 8 0 0 0 10 8 0 0 017 6 0 0 2 4 0 0 0 抗弯强度 m p a 2 0 4 1 99 8 0 61 5 2 热膨胀系数 2 1 4 60 9 1 17 8 8 6 1 0 6 弹性模量 g p a 7 2 0 6 8 6 1 0 2 83 4 4 3 7 5 是否与铁族元素反应 否 易反应 否 热稳定性 1 5 0 0 1 6 0 07 0 0 8 0 01 7 0 0 1 9 0 0 剧烈氧化温度 1 4 0 08 0 01 7 5 0 第二章文献综述 2 2 结合剂的作用与分类 2 2 1 结合剂的作用 磨具用结合剂是指能粘结磨粒 并且在磨削过程中对磨粒起把持作用的材 料 在磨具中 结合剂的作用主要有以下几点 1 把磨粒粘结在一起 以便制备出各种形状的磨具 2 磨具固结后 结合剂使磨具能够承受一定的磨削力和回转时的离心力 从而使磨具具有足够高的回转强度 包 裹 在 结 厶 口 剂 由 的 磨 粒 气孔 图2 1 结合剂在磨具中的分布状态 f i g 2 一lt h ed i s t r i b u t i o no fb o n di 1 1g r i n d i n gt o o l 结合剂在磨具中的主要作用是把持磨粒防止磨粒脱落 结合剂在磨具中的分 布情况大致有两种 如图2 1 a 结合剂包覆着磨粒周围并与磨粒表面产生物 理 化学变化 形成具有一定的结合强度的过渡连接层 b 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 2 2 2 结合剂的分类及特点 鉴于结合剂的上述作用 结合剂应该具备以下 些基本性质 1 较高的强度 因为结合剂的强度是影响磨具强度的主要因素 一般是磨具 强度与结合剂强度成正比关系 第二章文献综述 2 较高的韧性 能够承受较大的负荷而不产生裂纹 3 较好的高温流动性和对磨料的润湿性 以利于提高磨粒与结合剂之间的结 合强度 4 与磨料的热膨胀系数相匹配并且具有适当的弹性模量 5 具有适当的反应能力 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中间层将使它们之间的热膨胀 系数差值减小 良好的热匹配性有利于提高磨具的整体性能 磨具用结合剂一般可分为树脂结合剂 金属结合剂 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 制备相对简便等优势 主要用于 刃磨刀量具 磨孔 外圆磨及平面磨 但是树脂结合剂磨具受热后 磨粒容易脱 落 不适合在高温下使用 并且使用寿命短 陶瓷结合剂磨具的优点在于 结合 剂对磨粒的把持力强 形状保持性好 磨削效率高 磨削过程中不易发热和堵塞 耐高温性能好且使用寿命长 但是陶瓷结合剂脆性较大 韧性差 金属结合剂则 介于两者之间 对磨粒的把持较强 但在使用过程中自锐性差 难修整 易烧伤 工件 2 3 陶瓷结合剂 2 3 1 陶瓷结合剂的主要性能指标 2 3 1 1 耐火度 陶瓷结合剂的耐火度是指结合剂在高温下软化时的温度 耐火度是结合剂的 主要性能指标之一 它与磨具的烧成温度密切相关 结合剂的耐火度过高或过低 直接影响磨具的烧结质量 烧成温度一定时 结合剂的耐火度偏高 烧结程度较 差 结合剂与磨料之间结合就不牢固 磨具的硬度和强度就会降低 而耐火度偏 低时 烧成时结合剂中液相量增多 液相粘度变小 磨具容易发泡变形 因此 结合剂的耐火度是制定磨具烧成温度的主要依据 结合剂耐火度的主要影响因素是化学组成和粒度 结合剂中a 1 2 0 3 s i 0 2 含 量增加 一般可以提高结合剂的耐火度 碱金属 碱土金属氧化物在陶瓷结合剂 中常常作为助熔剂 一般来讲 结合剂的耐火度随着这些物质加入量的增加而降 低 向陶瓷结合剂加入一定量的b 2 0 3 可以降低耐火度 结合剂的颗粒度越细 颗 粒的比表面积和表面活化能越高 势必引起结合剂的反应能力增强 结合剂的耐 火度就低 另外 利用耐火锥测定耐火度值时 升温速率也是影响耐火度值的因 第二章文献综述 素 升温速率越快 耐火锥内外温差就会增大 就会影响耐火锥的 倾倒 时间 倒 的越晚结合剂的耐火度值就越大 反之 耐火度值就会越小 2 4 2 3 1 2 流动性 结合剂的流动性 p 是结合剂高温熔体粘度的倒数 q 该性能反映了 烧熔结合剂在高温下熔融后粘度的变化情况 伊是影响磨具制造和产品的性能重 要因素 矿过大 结合剂的粘度过低 结合剂很容易从磨粒间流出 这样会造成 制品发泡变形 伊过低 则结合剂的粘度大 结合剂不易流动 所以很难均匀分 布在磨粒之间 从而影响结合剂和磨粒的结合状况 磨具强度就会降低 影响结合剂流动性的因素主要有烧成温度 结合剂的化学成分和反应能力 结合剂液相粘度一般随焙烧温度的升高而降低 所以结合剂的耐火度越低 烧成 温度越高 结合剂的流动性越大 一般来讲 碱金属氧化物和碱土金属氧化物能 够提高结合剂的流动性 a 1 2 0 3 s i 0 2 降低结合剂的流动性 b 2 0 3 对结合剂流动 性能的影响与其含量有关 1 5 以下降低流动性 大于1 5 时 提高结合剂的流 动性 反应能力主要是指结合剂与磨料之间的反应能力 譬如刚玉磨具烧成过程 中 a 1 2 0 3 熔入结合剂中时的结合剂的粘度增大 流动性降低 反应能力强的结 合剂 结合剂熔体中溶有较多的a 1 2 0 3 时 流动性较低 反之流动性就大 这里主要从微观结构方面介绍一下碱金属氧化物 r 2 0 和碱土金属氧化物 r o 对陶瓷结合剂网络结构的影响 0 0 b 一一 山r r c 卜 h d 一 h m o 呻 卜 o r r o 叫h 6 6 66 拿中拿9 1 r 幔 一中r 卞6 666 0o b 国o n b s i 图2 2r 2 0 和r 0 对结合剂中s i o 网络的作用 f i g 2 2e f b c t so fr 2 0a n dr oo nt h en e t w o r ko fs i o 从图2 2 可以看出 r 2 0 和r o 引入到玻璃结合剂中后 结合剂中0 s i 增加 破坏了玻璃结合剂原来的三维架状结构 r 2 0 的引入使s i o s i 桥氧键完全断裂 连续网络s i 0 2 骨架被完全破坏 从而使得微观网络结构变松弛 宏观上玻璃结合 剂的粘度下降 流动性提高 r o 引入到玻璃结合剂中后 r 2 离子与结合剂网络 第二章文献综述 中一个桥氧结合 使玻璃网络中桥氧数目减少 原先的架状结构变成链状结构 从而使得玻璃结构网络结构松弛 粘度下降 流动性提高 从图中可以看出r 2 0 降低粘度 增加流动性的作用大于r o 一 2 3 1 3 高温润湿性 结合剂的高温润湿性是指高温下结合剂熔体对磨料的润湿能力 一般用结合 剂熔体对磨料的润湿角o 的大小来表示陶瓷结合剂高温润湿性的好坏 高温润湿 性常采用高温显微镜进行测定 弋 y y 丫豇 图2 3 润湿角图示 f i g 2 3c h a r to fw 酣i n ga n g l e 结合剂的润湿性主要取决于相邻两相的界面张力 如图2 3 所示 当结合剂 熔体 磨料表面和空气三者相互间的作用力达到平衡时 满足下列式子 2 1 2 6 1 7 s 矿27 5 z 呢矿 嬲秒 2 1 式中 丫s y 固体磨粒 气相界面上的表面张力 丫乩 固体磨粒 结合剂熔体界面上的表面张力 7 矿 结合剂熔体 气相界面上的表面张力 口 v 结合剂熔体对磨粒的润湿角 结合剂对磨粒润湿性能的好坏关系到两者能否产生良好结合的先决条件 若 结合剂对磨粒的润湿性很差 熔体很难铺展到磨粒的表面 这样结合剂对磨粒的 把持力度就不好 最终会导致磨具强度较低 磨粒容易脱落 当润湿角0 9 0 0 时 表明结合剂熔融体对固体磨粒润湿 一般认为润湿角e 3 0 0 时有助于提高结合剂 与磨粒的结合强度 陶瓷结合剂的润湿性影响因素主要是结合剂的化学组成 磨粒的表面状况 缺陷 粗糙度 也会影响到结合剂的润湿性 2 7 2 8 1 当e 9 0 0 时 则粗糙度越大 越不利于润湿 而 对同种结合剂来说 温度越高 其润湿角越小 润湿性越好 所以适当提高烧成 温度有助于提高磨具的强度 2 3 1 4 热膨胀性 所谓的热膨胀就是指物体的体积或长度随温度的变化而变化的现象 磨具中 结合剂热膨胀系数与磨料热膨胀系数的匹配性直接影响磨具的强度 制造工艺和 使用性能 在磨具制造中 一般结合剂的膨胀系数与磨料的应尽量接近 这样当 温度发生变化时 两者伸缩协调 减少热应力的产生 从而保证磨料与结合剂结 合牢固 另外 结合剂的膨胀系数随温度的增长率应平缓 不能发生突变 否则 当烧成速率过快时因坯体内外温差过大产生的热应力而导致制品裂纹的产生 结合剂的热膨胀系数的影响因素主有化学组成 晶体结构等 烧熔陶瓷结合 剂物相组成中大部分是玻璃相 而玻璃的热膨胀系数取决于其化学组成 玻璃的 热膨胀系数可用加和公式 2 2 算出 口玻 p l 口1 p 2 口2 p 3 口3 p y 口y 2 2 式中 p 玻璃中氧化物的百分含量 口 各氧化物的经验膨胀系数 参考表2 2 研究者们建立了不同的模型来衡量各种玻璃氧化物对玻璃热膨胀系数的影 响 并测定了常见氧化物的玻璃热膨胀计算系数 1 0k 如表2 2 所示1 2 对于 不同的玻璃系统 较适合实验测定结果的热膨胀系数经验模型也不同 其中 w i n k e l m a n n 和s c h o l 矿1 的系数是以数学模型为基础而建立的 e n g l a n i s h 和 t u m e r 模型的计算系数是在2 5 9 0 范围内测定的 g i l a r d 和d u b r u 1 模型的 计算系数是在1 0 0 f 1 3 0 f 范围内测定的 h a l l 1 模型的计算系数是在2 5 到测试 玻璃的临界温度范围内测定的 b 2 0 3 a 1 2 0 3 s i 0 2 系玻璃用w i n k e l m a n n 和 s c h o l t t 模型比较准确 r 2 0 a 1 2 0 3 s i 0 2 系玻璃用h a l l 模型较准确 第二章文献综述 备注 g i l a r d 和d u b r u l 模型中p 代表相应氧化物的质量百分含量 州 晶体结构类型和晶体点阵中质点间的结合力对结合剂的膨胀系数也有很大 的影响 根据固体的有关理论 在同样的温差下 质点间的结合力越大 质点振 幅增加的就小 膨胀系数就小 晶体结构类型相同的情况下 质点结合力大的物 质熔点就高 晶体的膨胀系数就大 晶体的膨胀系数 口 与熔点 t m 之间 有这样的经验公式 2 3 2 0 口 掣一7 o 1o 口 1 r 一一 u l u 工m 2 3 1 5 机械强度 结合剂的机械强度包括抗拉强度 抗弯强度 抗冲击强度和抗压强度四种 在磨具制造行业上 对结合剂强度的考察多通过磨具试块强度的考察来实施 因 而 结合剂的强度实际上是磨具的机械强度 即磨具制品抵抗外力作用而不破坏 的能力 磨具的机械强度主要取决于结合剂本身的强度 结合剂的反应能力与结 晶程度 磨具的显微结构以及结合剂与磨料热膨胀系数的匹配性等因素 抗拉强度和抗弯强度的影响因素基本相同 主要有结合剂的化学组成和物相 组成 结合剂桥的显微结构以及烧成工艺等 第二章文献综述 陶瓷结合剂的物相组成影响了结合剂与磨料的结合状态 进而影响结合剂与 磨料的结合强度 在相同条件下 玻璃相含量越多 结合剂对磨粒的润湿和它们 之间结合的牢固程度越高 结合强度越大 1 结合剂的物相多半以玻璃相存 在 我们可以借助于玻璃强度理论来解释结合剂的化学组成对磨具强度的影响 在玻璃的组成中 少量的c a o b a o b 2 0 3 以及a 1 2 0 3 z n o 等对玻璃强度的提高 作用很大 根据断裂力学理论 结合剂桥上的气孔 裂纹和其他缺陷常常是应力 的集中区域 从而影响结合剂和磨具的强度 烧成工艺对结合剂中的物相组成 气孑l 率和气孔尺寸等起着关键作用 因此对结合剂及磨具的强度影响也很显著 抗冲击强度是衡量结合剂韧性和脆性的指标 由于陶瓷结合剂属于脆性材 料 物质内部缺少滑移系统 因此韧性较差 影响抗冲击强度的主要因素包括结 合剂的化学组成和显微结构 然而 何种成分对结合剂的韧性贡献较大 国内外 研究较少 少数资料显示 结合剂中引入石英粉后 韧性降低 引入f e 2 0 3 a 1 2 0 3 后 韧性会得到一定的改善 2 3 2c b n 磨具用陶瓷结合剂的特点 2 3 2 1 具有较低的耐火度和烧成温度 与刚玉磨料相比 立方氮化硼 c b n 的热稳定性不高 在1 0 0 0 左右开 始氧化 所以 为避免烧成过程中c b n 磨料的氧化和磨料性能的劣化 c b n 陶 瓷结合剂磨具必须使用低温陶瓷结合剂 从国内外c b n 磨具用结合剂的烧成温度情况来看 一般都采用低于10 0 0 的烧成温度 如前苏联国家使用6 8 0 9 0 0 的烧成温度 中国多数使用低于9 0 0 的烧成温度 2 3 2 2 具有较高的机械强度 随着世界高速磨削机床不断发展 陶瓷结合剂c b n 磨具在磨削加工领域的 应用越来越广泛 高速的磨削加工对c b n 磨具的强度要求越来越高 而陶瓷结 合剂c b n 磨具的高强度必须有高强度的陶瓷结合剂来保证 所以 要想c b n 磨 具陶瓷结合剂c b n 磨具在高速磨削的应用 必须使用高强度的陶瓷结合剂 2 3 2 3 具有较好的高温润湿性 结合剂对c b n 磨料的高温润湿性的好坏直接影响着结合剂与c b n 磨粒的结 合性能 高温润湿性好 则结合剂与c b n 磨粒之间的结合状况好 结合剂对磨 粒的把持强度高 反之 则差 2 3 2 4 与c b n 磨粒之间应无明显的化学反应 为了保持c b n 磨料原有强度和硬度高的性能 尽量避免结合剂与c b n 磨粒 之间剧烈的化学反应 因剧烈的化学反应对磨料的表面结构和强度等性质有破坏 第二章文献综述 作用 2 3 2 5 具有较好的导热性 为了将磨削过程中产生的热量尽快的传递转移 结合剂最好具有较好的导热 性能 这样有利于磨削区域的快速冷却 避免工件的烧伤 2 3 2 6 具有良好的工艺性能 为降低废品率实现陶瓷结合剂c b n 磨具的规模化生产 陶瓷结合剂应具备 较好的工艺性能 2 3 3 陶瓷结合剂c b n 磨具的特点及应用 陶瓷结合剂c b n 磨具一方面具有超硬磨具硬度高 导热性好 磨粒锋利 磨削力强 磨削温度低 磨具磨损小 使用寿命长等一系列优点 另一方面 还 具有陶瓷结合剂磨具耐热 耐油 耐水 耐酸碱 磨具形状保持性好 磨削精度 高等优点 不仅可以用于难加工材料和一般材料的高精高效磨削 还适用于数控 机床和自动化的生产线上 随着陶瓷结合剂c b n 磨具的不断发展 c b n 磨具的应用领域也在不断扩大 已从难磨金属材料的加工领域 推广到轴承 汽车 机床 压缩机等行业中普通 黑色金属材料的加工领域 磨削方式也从一般的工具磨 内圆磨 发展到缓进给 磨削 高精度磨削 高速磨削 凸轮磨 曲轴磨 大有取代刚玉磨具之势 陶瓷 结合剂c b n 磨具的磨削有高速度 高效率 高质量 低成本 低环境污染的特 点 其使用速度普遍达到8 0 1 2 5 州s 大余量粗精磨一次完成 由于磨削工件 表面呈压应力状态可使工件使用寿命提高2 0 3 0 综合磨削成本可降低1 0 以上 近年来国内进口成套c b n 磨削技术呈快速增长之势 国产c b n 磨具的制 造和应用技术进人高水平和快速发展的新阶段 并已进入汽车制造业这个主流市 场 部分c b n 磨具性能接近国外同类产品水平 可替代进口 国产高速数控c b n 专用磨床已研发成功 但是 在科学技术高速发展的今天 磨削加工越来越向着高速 高效 高精 甚至超高速 高效 高精的方向发展 现有陶瓷结合剂c b n 磨具却因韧性不足 的特点也就越来越不能满足磨削加工的需求 所以改善陶瓷结合剂c b n 磨具的 韧性问题也就顺理成章的成为人们研究的热点课题 第二章文献综述 2 4 金属结合剂 2 4 1 金属结合剂的种类及性能 按传统分类方法 一般将金属结合剂分为青铜结合剂和电镀结合剂两种 青铜结合剂刚性好 结合强度高 成型性好 耐高温 导热性和耐磨性好 使用寿命长 形状保持性好 能承受较大的负荷 但是其自锐性差 容易堵塞和 发热 修整难度大 其实除了铜基结合剂 还有很多类型的金属结合剂 譬如钴 基 铁基 镍基 钨基 铝基等金属结合剂 电镀结合剂强度较高 主要用于制造形状复杂的磨具制品 比如 小磨头 切割刀 切割锯片等 用其制造的磨具制品具有切割锋利 磨削效率高 不需修 整的特点 但是这种磨具的使用寿命较短 2 4 2 金属结合剂磨具的性能与应用 金属结合剂磨具按制备工艺的不同主要分为烧结型金属结合剂磨具和电镀 型金属结合剂磨具两种类型 近年来 随着超硬磨料在磨具领域的应用 为了充 分发挥超硬磨料的作用 国外从2 0 世纪8 0 年代后期开发了一种新的制备工艺一 一高温钎焊技术1 3 川 2 0 世纪9 0 年代中后期国内也对这种技术也进行了广泛的研 究 3 8 2 4 2 1 烧结型金属结合剂磨具 烧结型金属结合剂磨具应用比较普遍 烧结可以分为热压烧结和冷压烧结 冷压烧结压力大 烧结时间长 而热压烧结压力小 烧结时间短 烧结型金属结 合剂磨具以青铜结合剂磨具应用最为广泛 除此之外 还有钴基 铁基 镍基 钨基和铝基等金属结合剂磨具 钻基磨具抗弯强度高 对碳材料和碳化物的润湿 性和粘结性较好 随钴含量增加 结合剂的脆性增大 自锐性变好 但是这种结 合剂价格较昂贵 目前主要应用在各种花岗石和大理石的切割 3 叫2 1 铁基磨具 的磨耗较小 磨削比高 强度高 不易破损 价格低廉 用于花岗岩和大理石等 的加工 但是含铁量过高时 结合剂对烧结温度很敏感 极易出现欠烧和侵蚀磨 料 4 叫1 1 镍基磨具的耐磨性和耐热性都比较好 但是也是因为其价格较高而没 有广泛应用 钨基磨具的硬度高 但是其烧结温度高 自锐性能很差 对磨料的 耐高温性能要求很高 主要用于高密度 高硬度 高石英含量的难加工材料 4 0 l 铝基结合剂的熔点和烧结温度低 王双喜等人用铝基结合剂与金刚石磨料结合备 成a l 基金刚石磨具 这种磨具在修整陶瓷砖时兼顾树脂结合剂金刚石磨具和铜基 金刚石修磨具的优良性能 4 3 1 但是目前对这种结合剂研究的文献较少 第二章文献综述 另外 由于磨具在磨削的过程中不可避免地会产生变形 变钝 所以使用磨 具前和磨具磨钝后要对其进行修整 修锐 然而传统的金属结合剂磨具一般都为 密实型 这样造成磨具的自锐性很差 在磨削的过程中容易出现堵塞 使用之初 和磨损后的整形和修锐困难 目前在磨具生产中常用对滚整形方法 但是这种 整形的方法不仅费时费力 而且修整过程中金刚石颗粒的脱落较多 修整磨具本 身的消耗很大 整形精度较低 近些年来 世界各国的学者都相继开展了修整金 属结合剂磨具方法的研究工作 主要有电火花修整法 电解修整法和复合修整法 电火花修整法不仅可以用来整形 还可以用来修锐 并且整形精度高 但是整形 速度较慢 电解修整法修整速度快 但是精度不高 复合修整法是电火花修整法 与电解修整法复合修整的方法 这种方法修整的效果不错 但是系统比较复杂 因此利用烧结型金属结合剂制备的磨具的修整修锐问题还没有得到根本的解决 2 4 2 2 电镀金属结合剂磨具 电镀结合剂磨具是通过电镀析出的金属使磨料粒团结成一层 把持住磨粒以 防其脱落 电镀金属结合剂磨具具有强度高 磨削效率高 无需修整 工艺简单 投资少等优点 致使电镀磨具在高速 超高速磨削中占据着无可争议的主导地位 h 但是电镀结合剂磨具自身也有缺陷 在镀层金属与基体及磨料的结合面上 并不存在牢固的化学冶金结合 磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中 因而把持力小 磨料颗粒在负荷较重的高效磨削中易脱落 或镀层成片剥落 而导 致整体失效 为增加把持力就必须增加镀层厚度 其结果是磨粒裸露高度和容屑 空间减小 磨具容易发生堵塞 散热效果差 工件表面容易发生烧伤 目前国内 的电镀磨具制造尚未实现按加工条件的要求而优化设计出磨具的最佳地貌 另 外 电镀金属结合剂磨具只能用于磨削负荷较小的场合 单层电镀磨具的这些固 有弊端必然会大大限制它在高效磨削中的应用 2 4 2 3 高温钎焊超硬磨具 高温钎焊超硬磨具是正处于研究中的一种新型磨具 它是借助高温钎焊使钎 料在超硬磨料与母材界面上发生溶解 扩散 化合之类的相互作用 从根本上改 善磨料 结合剂 基体三者之问的结合强度 所以 高温钎焊超硬磨具能克服电 镀结合剂磨具的缺点 可以实现超硬磨料 结合剂 金属基体三者之间的化学冶 金结合 使得磨具具有较高的结合强度 并且仅需将结合层厚度维持在磨粒高度 的2 0 3 0 就能在大负荷高速高效磨削中牢固地把持住磨粒 使钎焊磨具的磨 粒裸露高度可达7 0 8 0 因而增大了容屑空间 使磨具在磨削的过程中不易 堵塞 磨料的利用率更加充分 但是目前利用高温钎焊技术只能制备单层超硬磨 具 单层磨料消耗完后没有后继磨料补充 限制了其使用寿命的进一步提高 3 丌 第二章文献综述 并且在磨具制备的过程中还存在着一系列的问题 钎焊的温度比较高 易造成 金刚石和c b n 的热损伤从而降低超硬磨料的强度 制作工艺比较复杂 难以控 制 磨粒的合理排布和结合剂层适宜的厚度 均匀性不能保证 采用什么样 的钎料和钎焊工艺才能使磨料结合界面上产生具有较高结合强度的化学冶金结 合等还都没有从根本上得到解决 所以 这种方法就目前来说还不完善 研制开 发出较完善的制作工艺还需要一定的时间 2 5 金属陶瓷复合材料 所谓的金属陶瓷复合材料就是指由金属或合金同陶瓷相所组成的非均质复 合材料 2 5 1 金属陶瓷复合材料组成的选择原则 金属陶瓷的性能主要取决于陶瓷和金属组分的性质 以及两相之间的结合状 态 要想获得具有良好性能的金属陶瓷材料 我们不光要选择具有良好性能的陶 瓷和金属材料 而且还必须考虑两相之间的界面结合状况 影响两相结合的因素 主要有界面的润湿情况 化学反应以及来两相组分的溶解程度等 因此金属陶瓷 复合材料组分的选择一般要遵循以下原则 1 金属相和陶瓷相之间的润湿性要良好 2 金属相和陶瓷相之间不能发生剧烈的化学反应 3 陶瓷基体与金属增韧体的线膨胀系数和弹性模量应相匹配 4 添加金属或合金量最好不超过1 5 体积百分比 因为增韧相为低浓 度时更有利于强化主相 陶瓷相 这样得到的金属陶瓷复合材料具有较高的使 用性能 j 2 5 2 金属陶瓷复合材料的增韧机理 陶瓷基复合材料增韧方法一般可分为相变增韧 纤维或晶须增韧及颗粒增 韧 对于金属陶瓷复合材料 金属颗粒增韧效果就较显著 金属颗粒具有良好的 延展性 以其作为增韧相的陶瓷材料具有良好的各相同性 组织均匀性 抗氧化 性及抗高温蠕变性 金属相对陶瓷基体的增韧机制主要有 裂纹偏转机制 裂纹屏障机制及裂纹 桥接机制 但是大量研究显示韧性的提高主要来源于裂纹桥接机制 5 2 4 1 裂纹 在陶瓷基体复合材料中扩展时 作为第二相的金属粒子在外力的作用下产生一定 的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变 使裂纹扩展应力得到释放 从而达到增强增 第二章文献综述 韧的效果 2 6 课题的提出及研究内容 近年来 随着数控磨床的发展和进步 对与之配套的磨具也提出了新的要求 数控磨床用磨具不仅要满足机械加工精度 加工质量 加工效率的要求 而且还 要适应越来越高的高速加工要求 而陶瓷结合剂磨具因具有强度高 耐热性好 形状保持性好 自锐性好 易修整 磨削刃锋利 加工效率高 使用寿命长等一 系列优点 目前已被广泛应用于数控机床的加工领域 陶瓷结合剂磨具目前主要包括传统陶瓷结合剂磨具和超硬陶瓷结合剂磨具 随着机械工业 机械装备水平的不断提高 机械加工要求也越来越向着 高速 高精 高效 的方向发展 然而 传统的陶瓷结合剂磨具已经不能或很难满足磨 削加工的需要 因此 作为一种兼具传统陶瓷磨具和超硬材料优点的高硬 高耐 磨的超硬c b n 陶瓷磨具应运而生 在西欧的一些工业发达国家 c b n 陶瓷磨具已被普遍应用到数控机床上 并且发挥了显著的作用 在中国 c b n 陶瓷磨具也是各大科研院校和企业研究 的热点 同时也有不同水平的c b n 陶瓷磨具已经应用到磨削领域 但是 作为 一种陶瓷工具 c b n 陶瓷磨具不可避免的具有陶瓷脆性大 韧性差的性质 然 而 陶瓷结合剂是导致c b n 陶瓷磨具脆性的重要因素 要想改善c b n 陶瓷磨具 的韧性差的特点 我们必须从根本上改善陶瓷结合剂的脆性大的缺点 所以 对 c b n 陶瓷磨具增韧的课题已成为目前制造高性能 高水平陶瓷磨具的前提条件 金属结合剂具有金属韧性好的特点 使得在磨削的过程中 金属结合剂c b n 磨具也具有良好的韧性 但是金属结合剂c b n 磨具磨削前和磨钝后修整非常困 难 虽然目前已有不少针对金属磨具修整方案的出台 但是并没有得到根本的改 善 本课题就是利用陶瓷结合剂高强 高气孔率 高自锐性的性质以及金属结合 剂韧性好的性质制备兼具二者优良性能的金属陶瓷复合结合剂 本课题主要是根 据金属陶瓷复合材料中延性金属颗粒增韧原理 以陶瓷结合剂为基体 选择a l 及其合金 c u 及其合金 n i 及其合金等延性金属或合金颗粒作为增韧相 研究 不同量 种类的金属或合金在不同烧成温度 气氛下对陶瓷结合剂及其磨具性能 的影响 同时还研究了烧成温度和烧成气氛对金属陶瓷复合结合剂磨具性能的影 响 第三章实验 3 1 实验方案设计 第三章实验 本实验结合磨具用金属结合剂和磨具用陶瓷结合剂的优点和不足 以自制的 n a 2 0 b 2 0 3 一a 1 2 0 3 s i 0 2 系陶瓷结合剂为基础结合剂 以常用的金属粉及其合金为 添加剂 来研究不同含量的a l a 1 合金 c u c u 合金 n i n i 合金等在不同 的烧成温度和烧成气氛下对n a 2 0 b