金属及合金粉对低温陶瓷结合剂性能影响.docx

金属及合金粉对低温陶瓷结合剂性能影响侯永改 , 王改民 , 荆运杰( 郑州工业高等专科学校 ,郑州 450007)摘要 : 在低温陶瓷结合剂中添加适量金属或合金粉 ,就会对结合剂的耐火度 、流动性 、热膨胀系数 、强度等性能产生影响 。通过试验分析 ,合金粉的加入能改善结合剂的强度及韧性 。关键词 : 低温陶瓷结合剂 ; 添加剂 ; 结合剂强度 ; 结合剂的性能中图分类号 : TQ174文献标识码 : A文章编号 : 1001 - 9642 ( 2002) 04 - 0013 - 03几种金属结合剂超硬材料磨具常用的金属及其合金添加到陶瓷结合剂中 ,初步了解它们对结合剂各项性能的 影响 ,并从中找出一些变化规律 。前言1随着国民经济的飞速发展 ,磨削加工对磨具的要求越来越高 ,超硬材料磨具在磨削加工中具有越来越明显 的优势 。尤其是陶瓷结合剂超硬材料磨具 ,磨具内有着大小 、数量不等的气孔 ,使磨具具有较好的形状保持性能 ,易于修整 ,具有较高的磨削效率 ,是一种备受青睐的 理想加工工具 。但在磨具的磨削加工中发现 ,超硬材料陶瓷磨具以结合剂磨耗为主 ,以结合剂桥的断裂为主要磨削机理 。特别是陶瓷的脆性较大 , 抗冲击能力差 , 这 样直接影响到磨具的磨削性能及耐用度 ,为改变这种现象 ,国内外早已从改善陶瓷结合剂性能着手 , 向陶瓷结 合剂引入各种添加剂 ( 金属 、氧化物等) 改善结合剂本身 性能及结合剂对磨粒的湿润性 , 来调节磨具的强度 、韧性 、耐磨性等性能 。 本课题是基于金属有比较高的韧性及导热性能 ,将试验过程本课题选用含硼结合剂做为基准 ,即以 Na2O 、B2O3 、 SiO2 为基 本 成 分 , 形 成 Na2O2B2O32SiO2 三 元 系 结 合 剂 。 该系 统 为 由 于 引 入 Na2O 使 硼 的 结 构 发 生 变 化 。在 Na2O 提供的自由氧作用下 ,硼由硼氧三角体BO 3 转变 为硼氧四面体BO 4 , 硼由层状结构转变为架状结构 ,与 SiO2 形成均匀一致的玻璃体 。随然 Na2O 本身有着较高 的热膨胀系数 ,但完全玻化状态下 ,Na2O 的加入量在适 量的范围内 ,阳离子被完全牢固结合在网络中 , 对热膨 胀不可能产生什么影响 。经过反复试验最后确定出基 础结合剂 ,其化学成分和性能分别见表 1 和表 2 。2表 1 基础结合剂的化学成分 (wt %)Ta ble 1 The Che mical Co mpo sitio n of Ba sic Bo nd (wt %)选用的添加剂主要是金属及合金类 , 如铜粉 、合金粉 、铝粉 、铁粉等 。几种金属的氧化反应自由能如图 1 。 将不同种类 、不同用量的添加剂加入结合剂中混合均匀 ,分别制成测定耐火度的三角锥 ,15 15mm 的圆柱体测 定 流 动 性 ,4 25mm 的 圆 柱 体 测 定 热 膨 胀 系 数 。再将结合剂与磨料( GC 和金刚石) 按磨具配比要求进行配料 、混 料 、成 型 、干 燥 、烧 成 , 制 成 100 6 8mm和 105 18 18mm 的长方形试条 ,测定结合剂的强度及结合剂的韧性 。3实验结果311加入不同添加剂时结合剂差热分析在结合 剂 中 分 别 加 入 5 % 的 添 加 剂 , 进 行 差 热 分 析 ,结合剂的差热分析图见图 2 。从图可以看出 , 由于Al 粉在空气中反应的自由能负值较大 , 因此结合剂中收稿日期 : 2002 - 06 - 10作者简介 : 侯永改 (1964 年) ,女 ,燕山大学材料系在读硕士 ,现任教于郑州工业高等专科学校材料系 。结合剂的化学成分SiO2Al2O3B2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O灼减百分含量 %47. 8013. 8018. 00 0 . 50 0 . 20 0 . 207 . 5013. 50 0 . 9014 中 国陶 瓷2002 年第 4 期加入 Al 后 ,在 252 就出现一个放热峰 , 但是氧化后生成的 Al2O3 覆盖在粉末表面阻止反应进行 , 所以产生放 热峰比较小 ,而大部分添加 Al 粉则于 651 左右熔融 , 使差热曲线上 651 左右有一明显的吸热峰 。Fe 粉的 氧化反应 的 自 由 能 负 值 也 较 大 , 但 比 Al 粉 的 小 , 它 在756 左右 有 一 明 显 的 放 热 峰 。合 金 粉 的 性 能 比 较 稳 定 ,在试验温度范围内 ,没有明显的吸热和放热峰出现 。加入 ,混合均匀后 ,制作成待测锥 ,与标准锥一起放入耐火度测定炉内 ,在要求的升温曲线下 , 测定出结合剂的 耐火度 ,结果见图 3 。图 3 金属及合金加入对结合剂耐火度的影响Fig. 3 The Influe nce of Metal a nd Allo y o n the PC E of the Bo nd从图 3 上可以看出结合剂加入不同的金属物质 ,结合剂耐火度的变 化 趋 势 不 同 。随 着 Fe 粉 的 加 入 量 增 加 ,耐火度明显增大 ,且试样的外观色泽也明显加深 ,这 是由于 Fe 粉本身溶点较高 ( 约 1535 ) , 且其氧化能力 强 。Cu 粉的溶点为 1083 ,因此在加量较多时 ,其耐火度有少量提高 。经过测定在氧化气氛下合金粉的耐火 度约为 800 830 ,它的加入对结合剂耐火度无明显 的影响 。Al 粉的溶点为 660 ,但由于它在空气中反应 的自由能负值较大 ,表面易生成 Al2O3 ,因此少量加入对 耐火度几乎无影响 ,加入量增大时 , 结合剂耐火度有较 明显下降 。313 添加剂加入对结合剂线膨胀系数的影响用石英作标准 ,采用差热膨胀仪测定了加入不同添加剂时结合剂线膨胀系数 ,结果见表 3 。从表中可以看 出 ,加入不同的添加剂后 ,结合剂的热膨胀系数不同 ,这 是由于一方面添加剂本身的热膨胀系数不同 ,Al 29 10 - 6 ,Cu 20 10 - 6 , Fe 15 10 - 6 , 合金 粉 ( 17 18)10 - 6增大 ,在加入量较多时这种情况对结合剂热膨胀 系数影响比较明显 ;另一方面添加剂在结合剂原样中氧 化及氧化物的熔融程度 ,随着金属的种类不同 , 试验中 Cu 粉 、合金粉及 Al 粉固体的线膨胀系数都比较高 , 但 加入 Cu 粉后结合剂的热膨胀系数较大 。图 1 几种物质氧化反应自由能图Fig. 1 Co mp are Figure of Gibb s of so me Matter表 2 基础结合剂的主要性能Ta ble 2The Main Prop ertie s of Ba sic Bo nd表 3 加入不同添加剂时结合剂的线膨胀系数Ta ble 3 The Ratio of the Thermal Exp a n sio n of the Bo nd Whe n J oine d Diff ere nt Additive图 2 加入不同添加剂时结合剂的 DTA 图Fig. 2 DTA Figure of the Bo nd Whe n joine d Diff ere nt Additive312添加剂对结合剂耐火度的影响不同种类添加物分别按重量百分比为 2 、4 、6 、8 、10添加的种类加入量 , %热膨胀系数( 10 - 6 )测定温度 , 原样45167100650Cu 粉46133100650663 合金粉45185100620Al 粉46125100670Fe46105100700结合剂的性能达到指标耐火度 , 710720烧结范围 , 3550流动性 , %130线膨胀系数 , - 15167抗拉强度 ,MPa1415冲击强度 , Kgm/ cm20 . 032第 38 卷第 4 期侯永改等 金属及合金粉对低温陶瓷结合剂性能影响15 314 添加剂加入对结合剂强度的影响不同种类及不同用量添加剂加入后 , 混合均匀 , 再 与 SiC 磨料混合 ,然后压制成试样在 760 780 的温度下烧成 ,选择无任何外观缺陷试样测定结合剂的抗折强度见图 4 。加入金属及合金添加剂后 ,试样需要装盆 填埋烧成 。从试验结果看出 ,少量的合金粉加入对结合 剂的抗折强度几乎无影响 ,但随着加入量增加 , 结合剂 强度变化较大 ,当合金粉的加入量在 8wt %10wt %时 , 结合剂强度达到最大 。这是由于在烧成温度下合金粉 末本身烧结并与结合剂紧密结合在一起 。Fe 粉的加入 使结合剂的强度明显降低 。加入少量的铝粉结合剂的 强度降低 ,随着加量增大结合剂耐火降低 ,强度增加 ,但 过多时使试样在烧成温度产生变形发泡 ,强度降低 。加入对结合剂冲击强度不会产生明显影响 ; Fe 粉加入则使结合剂冲击强度明显下降 。这主要是由于在低温 下 ,Fe 粉氧化性能好 , 氧化物的熔点高 , 使结合剂烧结不良 ,从而影响冲击强度 。316 添加剂对结合剂流动性的影响将加入不同添加剂的结合剂混合均匀 ,制成 15 15 ( mm) 的试样 , 干燥后随其它试样一起烧成 , 在 780 的烧成温度下保温 2 小时 。测定结果见表 4 。从表中看 出 ,少量金属粉末的加入 ,对结合剂流动性影响不大 。表 4 添加剂加入对结合剂流动性的影响Ta ble 4 The Fluidity of the Bo nd Whe n J oine d Additive5结论(1) 所有金属粉末的加入 , 均会引起结合剂热膨胀系数的增大 ,但合金粉的影响最小 ,Cu 粉加入后影响最 大 。(2) 结合剂的耐火度随着 Fe 粉加入量的增加而增大 ,随着 Al 粉加入量的增加而降低 ,合金粉的加入对其 影响不大 。(3) 适量的合金粉加入可以提高结合剂的抗折强度 和抗冲击强度 。(4) 在烧成温度下适量 Cu 粉的加入提高结合剂的强度 ,但过多强度下降 。(5) 少量金属粉末加入对结合剂的流动 性 影 响 不 大 。图 4 添加剂对结合剂抗折强度的影响Fig. 4 The Influe nce of Additive o n the Rupture of the Bo nd参考文献 联邦德国 H 舒尔兹 1 黄照柏译 1 玻璃的本质 、结构和性质北京 :中国建筑工业出版社 11984111281 日 素木洋一编著 ,刘达权等译 硅酸盐手册 轻工业出版社11984121 台北 赖耿阳著 ,陶瓷与金属接合学 台北 复汉 :19911101D. A. Johnson “, Some Thermodynamic Aspects of Inorganic Chemistry”2nd ed. Combridge University Press ,Comgridge ,19821Toshio Ogawa et al . New Thick - Film Copper Paste for Ultra Lines Cir2cuits. IEEE Trans. CHMT. 1989 ,12 3 1李志宏主编 1 陶瓷磨具制造 1 北京 :中国标准出版社 ,2000191浙江大学等编 1 硅酸盐物理化学 ,中国建筑工业出版社 ,1987171( 下转第 40 页Continued on page 40)1图 5 添加剂对结合剂冲击强度的影响Fig. 5 The Influe nce of Additive o n the Flexural Stre ngth of the Bo nd234315 添加剂对结合剂冲击强度的影响加入不同添加剂后 ,将结合剂与相应的磨粒按陶瓷 磨具生产工艺进行混合 、成型及烧成 。烧成温度及条件 与抗折强度测定相同 。试样尺寸为 105 18 18 ( mm) ,测定结果见图 5 。从图中看出 , 在低温烧成条件下 , 适量的合金粉加入可以使结合剂的冲击强度达到最大 ,而 Cu 粉加入量较多时也会增大结合剂的冲击强度 , 因为 在烧成温度下 Cu 粉部分已经氧化 , 生成氧化铜 ; Al 粉567添加剂的种类加入量 (wt %)结合剂的流动性 ( %)备 注未加添加剂130Cu 粉4135663 粉4135140Al 粉4145Fe 粉4100完全烧结40 中 国陶 瓷2002 年第 4 期铭先生手抚新烧制的天青色三牺樽 , 喜不自禁 , 连声赞叹 。日本慕名来汝州为付旺的窑厂录下了一组烧制天 青色汝瓷的镜头 ,在世界一些国家播出 。海内外陶瓷专家络绎不绝来汝州观赏品评汝瓷新产品 。乒乓球世界冠军邓亚萍专程到汝州温泉镇挑选精美的汝瓷赠送给 国际奥委会主席萨马兰奇 。1994 年该项成果被联合国 技术信息促 进 系 统 授 予“发 明 创 新 科 技 之 星”奖 ; 1998 年新生的汝瓷烧制技术通过国家部级鉴定 。各类造型 的汝瓷艺术品远销世界几十个国家和地区 ,倍受世人青 睐 。一位诗人有感而发 , 写了一篇汝瓷铭:“宋宫 瑰 宝 ,失传千载 。绝代之光 ,今放异彩 。质若美玉 ,星隐雾 霭 。雨过天晴 , 霁雪初开 。雅室得汝 , 静气盈怀 。凝视 忘忧 ,何羡瑶台 。”初获成功 ,令人喜悦 。汝州市领导认为这座土法上 马的瓷窑其貌不扬 。付旺采纳建议 ,又投资万元在原址 上扩建一座新窑 ,谁知这座外观好看的新窑在四年内没 有烧出一件天青色汝瓷 ,瓷厂出现了严重亏损 , 陷入困 境 ,在危难之时 ,付旺向银行贷款 , 向朋友转借 , 筹资六 万元从景德镇买回了一座燃气新窑 ,才使汝瓷厂踏上了 批量生产成功之路 。新生的汝瓷成为中外博物馆和个人收藏的珍品 ,也 是赠送给尊贵朋友的最佳礼品 。原有的一个小窑厂已 不能满足国内外市场的需求 ,2000 年 6 月 ,付旺 、朱喜芝在温泉镇创建“汝州市奉化汝瓷厂”。“奉华”有将汝瓷奉献给祖国之寓意 。在十多年的汝瓷烧制过程中 ,厂长 付旺在掌握了汝瓷胎料 、釉料的来源和配制烧制方法的基础上 ,对料土和釉料的选择更讲究 , 对釉料的配方又进行了几十次对比性实验 ,在原来的