CBN磨具陶瓷结合剂

目录目录 摘要摘要 1 1 1 1 前言 前言 1 1 2 CBN2 CBN 磨具陶瓷结合剂性能磨具陶瓷结合剂性能 2 2 2 1 耐火度 2 2 2 本征强度 2 2 3 热膨胀系数 3 2 4 润湿性 4 3 3 目前的制约因素目前的制约因素 5 5 4 4 CBNCBN 砂轮结合剂的分类砂轮结合剂的分类 5 5 4 1 树脂结合剂 CBN 砂轮 6 4 2 金属结合剂 CBN 砂轮 6 4 3 陶瓷结合剂砂轮 7 5 5 CBNCBN 磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用 8 8 6 6 CBNCBN 陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响 9 9 7 7 金属 粉对 磨具陶瓷结合剂性能的影响 金属 粉对 磨具陶瓷结合剂性能的影响 9 9 7 1 不同烧成温度下 粉对磨具强度的影响 10 8 8 应用推广的前景 应用推广的前景 1010 9 9 结束语结束语 1111 10 10 参考文献参考文献 1212 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 1 CBNCBN 磨具陶瓷结合剂磨具陶瓷结合剂 摘要摘要 本文简单概述了 CBN 的结构与性能特点 对近年来有关 CBN 砂 轮陶瓷结合剂的研究进展作了较详细的综述 指出了低熔点 高强 度陶瓷结合剂是 CBN 砂轮陶瓷结合剂的发展趋势 阐述了 CBN 砂轮 陶瓷结合剂实质上就是碱硼硅玻璃结合剂 其中硼酸盐系结合剂因 具有低熔点 高强度的特性 使之成为了研究的重点 还介绍了玻 璃的特性 和陶瓷结合剂的简介以及玻璃结合剂的特点及加工工艺 关键词 立方氮化硼 CBN 陶瓷结合剂 纳米氧化物 1 1 前言 前言 随着我国政治稳定 经济建设快速发展 作为世界制造业中心的地 位日益凸现 如何逐步缩小与世界工业发达国家的差距 使经济增 长由资源消耗型加速转变为高效节能型上来 走一条具有中国特色 的 可持续发展的道路 就磨削领域来说 陶瓷结合剂 CBN 磨具所 具有的高质量 高精度 高效率 低消耗 低成本 低污染 自动 化程度高等优异性能 是其他磨削工具无法比拟的 保护环境是我 们的基本国策 陶瓷结合剂 CBN 磨具 从它的原材料生产过程 磨 具的制造过程 磨具的使用过程 对资源和能源的消耗都是极低的 属于节能型的高科技产品 非常适合我国现阶段及长远发展 在工 业发达国家 陶瓷结合剂磨具的应用发展非常迅速 每年都以 40 以上的速度增长 但是据不完全统计 我国的增长速度仅为 20 左 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 2 右 因此 我国的陶瓷 CBN 磨具拥有广阔的发展空间 2 CBN2 CBN 磨具陶瓷结合剂性能磨具陶瓷结合剂性能 2 12 1 耐火度耐火度 高温下结合剂保持固相而不转变成液相的能力叫做结合剂的耐火度 在结合剂粒度一定的情况下 结合剂的耐火度由其化学组成所决定 一般的 CBN 陶瓷结合剂中 都以铝氧八面体和硅氧四面体构成其基本 的空间网络结构 当加入一定量的碱金属氧化物时 构成 R2O Al2O3 SiO2 系玻璃 结合剂的耐火度随 R2O 含量的增加而改变 将 R2O 引入结合剂中 R2O 提供了 自由氧 部分 自由氧 将会与硅 氧四面体网络中的硅成键 断开了硅与硅之间的 桥氧键 破坏了 硅氧三维网络结构 因此 降低了结合剂的耐火度 同时 由于结合剂 中还存在着铝氧八面体 它们倾向于夺取 R2O 中的自由氧而变成铝氧 四面体 因此 当 R2O 含量较低 Al2O3 含量较高时 大部分自由氧 被铝氧八面体夺取 与硅成键的 自由氧 相对减少 耐火度下降较 慢 2 22 2 本征强度本征强度 因为陶瓷结合剂 CBN 磨具制备成本较高 因此 需要较高的使用寿命 才能满足用户对性价比的要求 这就要求陶瓷结合剂本征强度要高 对磨料的把持力大 为了满足 CBN 陶瓷结合剂低熔点的要求 通常加 入大量碱金属氧化物 但是 当结合剂中碱金属氧化物含量过高时 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 3 会降低结合剂的强度 目前 常用的 CBN 陶瓷结合剂多数为 B2O3 Al2O3 SiO2 系玻璃 在该体系中 单纯地引入 B2O3 时 B2O3 为三角体 呈 现为层状或链状结构 其强度很低 导致结合剂力学性能下降 当引 入 R2O 构成 R2O B2O3 Al2O3 SiO2 系玻璃时 R2O 将为硼氧三角体 BO3 提供自由氧 使其由原来的层状和链状结构转变为硼氧四面体 BO4 R2O 同时为 Al2O3 中的 Al3 提供自由氧 使 Al3 变为 4 次配 位 而处于铝氧 AlO4 四面体中 BO4 AlO4 可以与 SiO4 相连 共同构成三维网络结构 硼氧四面体和铝氧四面体的体积都比硅氧四 面体小 因此 BO4 AlO4 参与构成的三维网络 要比单纯的 SiO4 构 成的网络结构更加致密 力学性能得到提高 结合剂中 1mol 的 R2O 可以提供 1mol 的 自由氧 如果想将结合剂中的硼氧角体和铝氧 八面体都转变为四面体 则结合剂中 R2O 与 B2O3 和 Al2O3 的摩尔比 需满足下式 12 R2OB2O3 Al2O3 1 当 R2O B2O3 Al2O3 的摩尔比 为 1 时 强度最高 此时绝大部分 B2O3 和 Al2O3 都转变为四面体参与 网络构成 因此 强度最高 当 R2O 含量进一步提高时 多余的自由氧 将会破坏结合剂中的网络结构 使结合剂力学性能下降 另一方面 在结合剂中 R2O 中的阳离子是作为网络变性体填充在三维网络的间 隙中 如果结合剂中存在两种半径差异较大的 R 那么 结合剂网络 的间隙将会被 R 填充得更加充分 结构更加致密 力学强度会大幅度 提高 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 4 2 32 3 热膨胀系数热膨胀系数 CBN 的热膨胀系数在 2 1 10 6 2 3 10 6 之间 结合剂的热膨胀 系数略高于 CBN 的热膨胀系数 在磨具使用过程中 结合剂的膨胀率 略大于磨粒的膨胀率 结合剂与磨粒之间产生压应力 加大了结合剂 对磨粒的把持力 使磨粒不易脱落 提高了磨具的硬度 CBN 陶瓷结 合剂中多为玻璃相 因此 陶瓷结合剂的热膨胀系数主要受其玻璃相 的影响 玻璃的热膨胀系数决定于玻璃相中各种阳离子和氧离子之 间的吸引力 吸引力越大 热膨胀越小 反之则越大 硅氧四面体构成 结合剂的基本三维网络结构 Si O 的键力较大 不易膨胀 当引入一 定量的碱金属氧化物时 由于 R O 较弱 结合剂中原子间结合力减弱 结合剂的热膨胀系数也就随之增大 同时 玻璃的热膨胀系数还与碱 金属的离子半径有关 碱金属离子的半径越大 原子间的结合力就越 小 结合剂膨胀系数也就越大 其对结合剂热膨胀系数的影响次序为 Rb2O Cs2O K2O Na2O Li2O 其次 结合剂中的成分在结合剂网络结构 中的作用也影响结合剂的热膨胀系数 2 42 4 润湿性润湿性 结合剂的润湿性是指结合剂在磨粒表面的铺展情况 如果结合剂的 润湿性很差 则结合剂不能很好地铺展在磨粒表面 也就不能很好地 包裹磨粒 造成结合剂对磨粒把持力的下降 宏观上表现为 烧成的 磨具容易脱粒 磨具的硬度降低 结合剂润湿性好 不仅能够降低砂 结比 而且制成的磨具强度高 硬度大 能有效提高磨具性能 因此 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 5 一般烧熔结合剂都要求其润湿性要好 碱金属的润湿性受其原子半 径影响 半径越小 润湿性越好 其润湿效果为 Li Na K 但是 由于 含 Li 的玻璃容易析晶 晶粒会降低结合剂的流动性 因此含 Li 的结 合剂润湿性反而不好 3 3 目前的制约因素目前的制约因素 陶瓷结合剂 CBN 磨具在使用过程中 由于它需要磨削的精度高 转 速高 产品单价高的特点 因此在使用过程中对修整器和磨削液的 选择必须注意几个问题 磨具修整余量的控制 磨具几何形状的保 持 修整间隙的确定等技术参数 磨削液的选择 应注意把握好磨 削液中的化学成分 因为陶瓷结合剂 CBN 磨具在磨削的过程中需要 大量的磨削液循环工作 磨削液不能与砂轮发生化学变化 要有快 速冷却工件的功能 冲刷被磨削下来的废屑 不能腐蚀被磨削的工 件 只有这样才能有效提高磨具的使用寿命 充分体现磨具的效益 我国陶瓷结合剂 CBN 磨具的开发始于 20 世纪 70 年代末 与工业发 达国家相比并不算晚 但由于陶瓷结合剂 CBN 磨具技术含量高 研 发费用大 各方面对它的重视程度不够 研发的积极性不高 经费 严重不足 拉大了与工业发达国家 CBN 磨具应用的差距 我国数控 磨床的工艺和技术的整体水平不高 数控磨床的精度 转速等相关 的参数不完备也是一大牵制因素 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 6 4 4 CBNCBN 砂轮结合剂的分类砂轮结合剂的分类 CBN 磨料制作的砂轮 根据不同的加工工艺和所用不同成分的结合 剂可分以下几种 4 14 1 树脂结合剂树脂结合剂 CBNCBN 砂轮砂轮 树脂结合剂 CBN 砂轮 是最早出现的 CBN 砂轮 且目前用量最大 一般以酚醛树脂 聚酰亚胺树脂 聚胺酯树脂等高性能树脂和一些 新型树脂为结合剂 主要应用于高钒高速钢刀具 不锈钢量具 工 具钢和模具钢以及耐热合金工件的半精磨和精磨 铸铁 轴承钢的 珩磨 树脂超薄砂轮切削一般钢材具有切割效率高 被切材料消耗 少的优点 但也有很多缺点 1 耐热性差 由于 CBN 的导热系数高 树脂结合剂 CBN 砂轮在加工 工件时 树脂结合剂中就会储存大量的热 导致树脂的热老化 从 而降低了结合剂对磨粒的把持力 使部分 CBN 未充分发挥作用就过 早脱落表现为砂轮不耐磨 2 干磨过程中常出现龟裂 掉块 甚至脱环现象 3 在砂轮的使用和制造过程中 经常发出难闻的臭味 4 24 2 金属结合剂金属结合剂 CBNCBN 砂轮砂轮 金属结合剂 CBN 砂轮 一般用青铜作为结合剂 其结合能力高于树 脂结合剂 因而砂轮强度高 使用寿命长 成本低 磨削 SKD 11 模 具钢时 磨削比是树脂结合剂 CBN 砂轮的 4 倍 磨削奥氏体不锈钢 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 7 磨削比是树脂结合剂 CBN 砂轮的 15 倍 但金属结合剂 CBN 砂轮由于 气孔率低 在磨削过程中产生的磨削很难及时排除 因而工件与砂 轮之间产生大量的热不能因磨屑的及时排出而被迅速带走 导致工 作表面烧伤和砂轮交形 同有机结合剂相比 金属结合剂砂轮的切 削能力较低 这就降低了生产过程的高效性 并限制了金属结合剂 的使用范围 4 34 3 陶瓷结合剂砂轮陶瓷结合剂砂轮 陶瓷结合剂 CBN 砂轮的优越性 在陶瓷结合剂 CBN 砂轮中 CBN 磨粒 与结合剂形成化学键结合 因此结合剂对 CBN 的把持力很强 陶瓷 结合剂具有剐性 耐热性高 所把持的磨粒磨削刃切入被磨削工件 时没有后让 而且 砂轮本身不会由于热和离心力造成变形 因而 砂轮的形状保持性好 能进行高精度的精密加工 砂轮气孔率高 有足够的容屑和排屑空间 切自 4 刃锋利 磨削力小 使得工件与 砂轮之间的温度低 能消除残余拉应力而产生残余压应力 从而避 免了工件表面的烧伤 增加了零件的疲劳寿命 使工件耐用度提高 30 50 切削性能好 磨削效率高 磨削比大 与普通砂轮相比 有时高达 200 多倍 例如 FAG 公司的 CBN 砂轮的磨削比 G 3000 砂轮易于整形与修锐 只需修整一次就可以使用到砂轮耗尽 使用 寿命长 FAG 公司的 CBN 砂轮寿命长达 6000 件 是普通刚玉砂轮的 600 倍 陶瓷结合剂 CBN 砂轮与其它结合剂砂轮相比 不仅具有切 削锋利 磨削力小 生产效率高 使用寿命长 易于整形与修锐 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 8 磨削精度高等优点 而且还具有磨削温度低 能消除残余拉应力而 产生残余压应力 使工件耐用度提高也对超高速砂轮的强度及基体 优化进行了研究 总之 高速 高效 甚至超高速磨削是陶瓷结合 剂 CBN 砂轮的发展趋势 5 5 CBNCBN 磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用 各类超硬工具是由结合剂和超硬磨料颗粒形成的复合材料 由于复 合材料的基体与增强颗粒具有不同的热膨胀系数 所以容易在基体 颗粒界面产生应力 这是复合材料领域众所周知的问题 因此在材料 设计方面 有意识地调整和控制界面应力是获得复合材料良好性能的 重要手段之一 在超硬材料工具这种特殊的复合材料中 金刚石和立 方氮化硼是强共价键结合的晶体 具有比金属 树脂和陶瓷结合剂低 的热膨胀系数 故在烧结超硬工具的冷却过程中 超硬颗粒的收缩小 于结合剂的收缩 故在结合剂中产生拉应力 传统的超硬材料工具以 金属和树脂结合剂为主 由于金属和树脂具有良好的塑性和韧性 产 生的拉应力远小于其抗拉强度极限 并且通过一定的塑性变形可以缓 解和松弛应力 但是对于脆性的传统陶瓷结合剂来说 由于其抗拉强 度比较小 没有塑性 内部分布的拉应力会对陶瓷结合剂的强度造成 严重损害 使结合剂与超硬磨粒界面处易产生微裂纹 甚至烧结块碎 裂造成工具废品 因此研究结合剂 磨料界面应力的分布规律 缓解 或消除界面应力 对陶瓷结合剂超硬磨具的大范围应用具有举足轻重 的意义 本文研究了磨料粒度对磨料 陶瓷结合剂界面应力的影响 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 9 同时 为改善传统陶瓷结合剂的抗拉性能 减轻颗粒 结合剂界面应力 及避免高温对超硬磨料的伤害 我们将纳米技术引入到陶瓷结合剂中 在 陶瓷结合剂基体中引入纳米级的颗粒 片晶 晶须和纤维等第二相 开发研制出一种新型的纳米陶瓷结合剂 降低超硬磨具的烧结温度 缓解磨料 传统陶瓷结合剂界面应力问题 6 6 CBNCBN 陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响 1 在一般陶瓷结合剂中增加硼玻璃 能达到提高结合剂强度的目 的 在试验范围内 随着硼玻璃含量的增加 8 字块的抗拉强度 和砂轮的平均破裂速度也提高 2 在结合剂中其它成分含量相同的情况下 长石中钾长石 钠长 石同时存在 且钠长石按 0 35 50 依次增加 砂轮的平均破裂 速度逐步增大 当钠长石和钾长石各占 50 时 砂轮的平均破裂速 度达到最高值 7 7 金属 粉对 磨具陶瓷结合剂性能的影响 金属 粉对 磨具陶瓷结合剂性能的影响 磨具磨削锋利 磨削力小 磨具容易修整修锐 磨具本身自锐性能 很好 但由于陶瓷 磨具的脆性大 韧性差 这就使得陶瓷 磨具在高速 超高速磨削领域的应用受到一定的限制 性能 良好的结合剂是制备优质磨具的主要因素之一 为实现陶瓷结合剂 磨具在高速 超高速磨削领域的应用 必须改善陶瓷结合剂 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 10 磨具韧性差的特点 7 7 1 1 不同烧成温度下 粉对磨具强度的影响 不同烧成温度下 粉对磨具强度的影响 在不同的烧成温度下 添加 粉陶瓷结合剂 磨具抗弯强度 均比未添加 粉的陶瓷结合剂 磨具抗弯强度高 烧成时 两种磨具的抗弯强度均达到最大 在该温度下 添加 粉陶瓷的磨具强度 两种气氛下烧成的基础结合剂磨具的抗弯强度 都低于添加 粉陶瓷结合剂磨具的抗弯强度 这主要因为在含 粉的结合剂磨具内 粉分布均匀 烧成过程中 粉表面氧 化 生成的 陶瓷结合剂发生结合反应 使得结合剂与金属 颗粒之间呈现牢固的化学结合 同时在磨具中还存在残余的金属铝 粉 当受外力作用时 金属颗粒发生了塑性变形 吸收裂纹扩展的 能量 阻止裂纹的扩展 在磨具断裂时起到了颗粒增强增韧的作用 从而使得磨具的强度得到提高 氮气保护烧成的磨具强度低于空气 烧成的磨具强度 原因主要是磨具成型时添加的有机成分作为临时 粘结剂 有机物中的碳在非氧化气氛下烧成时很难排除 使得磨具 组织结构比较疏松 结合剂对磨粒的把持力较低 从而导致磨具的 抗弯强度下降 8 8 应用推广的前景 应用推广的前景 目前国内陶瓷结合剂 磨具生产企业经过不断的创新 工艺 CBN 磨具陶瓷结合剂 重庆理工大学第二十届开拓杯 11 技术日益完善 产品质量不断提高 已有不少企业的部分产品已接 近或达到了国外同类产品的水平 并广泛应用于机械配件 航空航 天部件 军工 汽配 工具 模具 轴承等磨削加工领域 使磨具 的生产企业和用户均获得了满意的经济效益 陶瓷结合剂 磨 具 包括大 小砂轮 磨头 衍磨条 等应用 是一个系统的社会 工程 还有大量的工作需要做 笔者希望各有关科研机构和相关的 院校 磨床制造企业 修整 冷却液配属企业和陶瓷结合剂 磨具的生产企业 都能以一种新的思维相互配合 携起手来齐心协 作 共同把我国陶结合剂 磨具的应用和推广 提升到一个新 的水平 可供用户选择 水平方向材料液压卡紧 卡紧力无级可调 卡具液压缸行程涵盖整个切割范围 夹料装