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添加氧化铝对陶瓷CBN砂轮结合剂性能的影响研究
发布时间:2016-12-14 点击数:2718

1 前言


由于陶瓷结合剂具有热稳定性较好,脆性、刚性较高和气孔率可控等优点,使得陶瓷结合剂CBN砂轮具备了强度较高、自锐性好、易于修整、容屑能力强等优势,因此广泛应用于汽车、航天、航空及精密切削工具制造等行业。陶瓷结合剂砂轮的强度主要取决于陶瓷结合剂本身的强度和结合剂与磨粒间的结合强度。结合剂的组成是影响陶结合剂强度和结合剂与磨粒界面结合强度的重要因素。


在陶瓷结合剂砂轮的制备过程中,碱金属氧化物往往作为催熔剂引入结合剂中,从而有效地降低结合剂的耐火度,增大结合剂的高温流动性。由于过度添加碱金属氧化物会增大结合剂的热膨胀系数,降低磨具结合剂的强度,因此碱金属氧化物的添加量要控制在较低的范围内。


本实验选取Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂作为基础结合剂,研究了添加Li2O对基础结合剂的耐火度、流动性、磨具的抗折强度,以及结合剂与磨粒界面结合情况的影响,从而为制备低温高强陶瓷结合剂时Li2O的适宜含量确定及烧结工艺的优化提供试验参考依据。


2  实验


实验采用化学纯的二氧化硅、无水碳酸钠、硼酸和氧化铝为原料,经精确称量、均匀混合后,在高温熔块炉中加热至1250℃,保温2小时,使其熔融后冷却形成玻璃。将玻璃粉碎、过筛,得到粉末状基础结合剂。


通过添加Li2CO3向基础结合剂中引入2 -10w%氧化铝。参照磨料磨具行业常用方法测定不同氧化铝含量结合剂的耐火度和流动性。结合剂、白刚玉、临时粘结剂以20:75:5的比例配制成型料,干压成型为30*6*4mm3的磨具试条。将磨具试条在不同的温度下烧成后用三点弯曲法测定抗压强度,压头加载速率为0.5mm/min。用环境扫描电镜观察试条折断后的断面形貌及磨料与结合剂的结合状态。


3  结果与讨论


3.1  添加氧化铝对结合剂的耐火度及流动性的影响


  不同氧化铝含量结合剂的耐火度如图l所示。从图1中可以看出,随着氧化铝的含量增加,结合剂的耐火度比未添加时显著降低;添加氧化铝0-6w%范围内结合剂的耐火度变化剧烈,之后耐火度变化趋于平缓。这主要是因为氧化铝作为网络改变体,使玻璃网络中的Si-O键断裂,玻璃网络的结构紧密度下降,所以玻璃的软化温度和结合剂的耐火度相应降低。




不同氧化铝含量结合剂的流动性如图2所示。由图2可以看出,结合剂的流动性随着氧化铝含量的增加而增大,相同组分的流动性随着温度的升高而增大。添加氧化铝使结合剂的耐火度降低,使结合剂熔融,出现液相,粘度降低。从而使结和剂的流动性提高:相同组成的结合剂,随着温度升高,其高温粘度降低,所以其流动性进一步增大。






3.2  添加氧化铝对结合剂强度的影响





   图3是不同氧化铝含量结合剂所制磨具试条在830℃保温2h条件下烧成后的抗弯强度。从图中可以看出,试条的强度先增大后减小,当氧化铝含量为6w%时强度出现最大值。这可能是因为随着氧化铝含量的增大,结合剂的耐火度显著降低,结合剂在烧成温度下的流动性逐渐改善,从而有利于结合剂在磨料周围均匀分布,改善了结合剂与磨料的结合,提高了磨具试条的强度。


但是,在氧化铝含量超过一定值之后,作为网络改变体的氧化铝,其对网络的破坏作用增强,会使结合剂强度变低。另一方面,较多的氧化铝使结合剂耐火度过低,流动性过大,容易导致磨具过烧而结构疏松,从而使磨具试条的强度降低。


3.3  添加氧化铝对磨具显微结构的影响


  不同氧化铝添加量磨具式样的显微结构如图4所示。







   从图4可以看出,添加2w%氧化铝时,结合剂桥中存在少量气孔,结合剂未充分玻化;随着Li20含量的增大,结合剂玻化程度逐渐改善,结合剂桥中的气孔数量减少、气孔尺寸减小;添加6w%氧化铝,结合剂玻化程度最好,结合剂桥玻化程度最好,结合剂桥较粗且与磨粒形成较好的结合界面。这与磨具强度开始随着Li20


含量的增大而增大,至6%氧化铝时磨具试条的强度最大的情况相一致。从该图中还可以看出,在氧化铝含量超过6w%后,磨具显微结构状态又变差,结合剂桥中的孔洞增加,致密度变差,从与其强度降低的趋势一致。这种结构可能是由氧化铝添加量较大、结合剂耐火度较低、流动太大引起磨具过烧而造成的。


4  结论


(l)  随着氧化铝添加量的增大,结合剂的耐火度显著降低。在0-6w%氧化铝添加量范围内,结合剂的耐火度下降较快,之后耐火度变化趋于平缓。


(2)  随着氧化铝添力量的增加,结合剂的高温流动性增大。随着温度升高,相同组成结合剂的流动性明显增大。


(3)  当氧化铝添加量低于6w%时,随着氧化铝含量增大,结合剂玻化程度逐渐改善,结合剂与磨粒结合紧密,磨具试条的强度增大;氧化铝含量高于6w%的组分,会因其显微结构的破坏和结合剂本身结构的变化,使磨具强度降低。