2005年第2期 超　硬　材　料　工　程第17卷2005年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G总第60期低熔高强陶瓷结合剂的研究①郭志敏1,张向红1,2,臧建英2,王艳辉2(1.河北建材职业技术学院,河北秦皇岛066004;2.燕山大学,河北秦皇岛066004)摘　要:为实现陶瓷结合剂超硬磨具的低温烧结,减少或避免高温或由高温引起的对磨粒的伤害,本试验以黏土、硼玻璃和铅玻璃为主要原料,研制一种低熔点高强度结合剂。

通过一系列试验,测定了结合剂的耐火度,研究了结合剂在高温下的相态,分析了结合剂在高温时与超硬磨粒的浸润性,并测试了结合剂的抗折强度。

试验表明,该结合剂耐火度低、强度高,与超硬磨粒具有良好的浸润性,在高温下呈玻璃态,是一种低熔点高强度陶瓷结合剂。

关键词:超硬磨具;陶瓷结合剂;低温烧结试验;低熔高强;玻璃态;中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2005)02-0007-07STUDY ON LOW M EL T ING PO INT AND H IGHSTRENGTH V ITR IF IED B ONDGU O Zh i2m in1,ZHAN G X iang2hong1,2,Z AN G J ian2ying2,W AN G Yan2hu i2(1.H ebei B u ild ing M a teria ls Institu te of V oca tion and T echnology,Q inhuang d ao H ebei,066004;2.Y anshan U n iversity,Q inhuang d ao,H ebei,066004)Abstract:L ow m elting po in t and h igh strength vitrified bond is p rep ared to realizesin tering of vitrified bond sup erhard grinding too ls at low er tem p eratu re.R aw m aterialsw ere m ain ly clay,bo ric glass and lead glass.T he refracto ry tem p eratu re,the p hase ath igh tem p eratu re,the bending strength of the bond and soakage betw een the bond andsup erhard grain s w ere tested.T he resu lts ju st show that the bond ex ist as glassy p haseand is a low m elting po in t and h igh strength vitrified bond.Keywords:vitrified bond;low m elting po in t and h igh strength;sin tering test at low ertem p eratu re;glassy p hase;sup erhard grinding too ls0　前言一般情况下,陶瓷结合剂含有起助熔作用的碱金属氧化物,而且由于其耐火度很高,其烧成温度通常高达1200℃以上,如此高的烧成温度,无论是对金刚石还是对cBN颗粒都有很大的伤害,进而影响超硬磨具的工作效率和使用寿命。

为减少或避免温度对超硬磨粒的不利影响,实现磨具的低温烧成,有必要研究配制一种低熔点陶瓷结合剂。

对超硬磨具来说,其加工效率和使用寿命在很大程度上取决于结合剂的性质以及超硬磨粒与结合剂的结合强度,这就要求:(1)结合剂的膨胀系数应尽量与超硬磨料的膨胀系数相等或相近;(2)结合剂与磨粒之间有较强的浸润性和结合力;(3)超硬磨料的超硬性也要求结合剂具有较高的强度。

因此,研制一种低熔点高强度陶瓷结合剂是提高陶瓷结合剂超硬磨具质量的一个关键因素。

1　试验过程本试验以黏土、硼玻璃、铅玻璃为主要原料,根据配①收稿日期:2004-10-20作者简介:郭志敏(1965-　),女,河北工业大学硕士研究生,主要从事超硬材料和高温材料的研究。

通信作者:王艳辉,项目负责人。

制原则[1],通过调节各原料之间的配比,并进行一系列配方优化试验,最后得到的结合剂的化学成分如表1所示。

表1　陶瓷结合剂的化学成分　(mo l )T ab le 1　Chem ical compo siti on of vitrified bondSi O 2A l 2O 3B 2O 3N a 2O K 2O CaO M gO Fe 2O 3Pb 3O 4ZnO 配方0.300.010.240.020.010.0010.0010.0010.250.171.1　试样的制备(1)计算并称取配制500g 结合剂各原料的需要量。

(2)将称取的500g 原料和250m l 水装入球磨罐内,球磨10h ,倒出。

在空气中自然沉淀3h 左右,倒出水。

放入烘箱,在100～105℃下烘干至恒重,然后再干磨10h ,过筛。

(3)将球磨好的结合剂按每20g 加入0.5g 糊精和10滴水的比例进行称取,然后放入研钵中研磨均匀,过筛,将粗粒再次研磨。

最后,将混好的料倒入冷压模具,进行冷压试验。

加压至400kN 时保压3m in ,然后卸压脱模。

(4)将试样条放在干燥通风的环境中自然干燥至恒重。

1.2　耐火度试验将干燥的试样条按图1所示方式置于电阻炉炉膛中央位置,阶梯升温,每隔50℃观察一次。

取试样条发生深度弯曲并与耐火砖平面接触的温度为结合剂的耐火度。

图1　耐火度测试示意图F ig .1M easu rem en t of the refracto riness of the bond1.3　结合剂X 射线衍射分析将试样条分别在耐火度和高于耐火度温度下保温2h ,冷却后作X 射线衍射分析试验。

1.4　结合剂与超硬磨料的高温浸润性浸润性的测量原理见图2,Η为浸润角。

试验步骤:(1)将结合剂加少量水调成糊状。

(2)在一平坦陶瓷片上均匀涂上厚度适中的糊状结合剂,放入炉中升温至预定温度,保温2h 后,随炉冷却。

(3)将金刚石(或cBN )均匀分散地撒在熔融后的结合剂表面,小心放入炉中,再次升温至步骤(2)中的温度,保温2h 后,随炉冷却。

(4)在显微图像分析系统下观察结合剂对金刚石或cBN 的浸润性。

(5)用量角器量出不同温度下结合剂与磨粒之间的浸润角。

考虑到金刚石颗粒的自重作用,在本试验中统一采用晶型好的40 50金刚石,并且要求在步骤(2)完成后,熔融结合剂层的厚度不得超过金刚石高度的2 3。

图2　浸润角测量原理图F ig .2Schem atic diagram fo r m easu rem en t of adhesi onangle betw een the bond and diamond1.5　抗折强度试验将180目白刚玉与结合剂分别以75 25、70 30、6535、60 40的比例混合均匀,根据结合剂的耐火度和结合剂的类型,在一定的烧成温度范围内进行热压烧结试验,在D KZ -5000型电动抗折试验机上测定热压试样条的强度。

2　试验结果与讨论耐火度试验结果表明,结合剂在600℃发生深度弯曲并与耐火砖平面接触。

图3　结合剂加热到600℃后的X 射线衍射图谱F ig .3XRD pattern of the bond after heatingat the temperatu re of 600℃图4　结合剂加热到850℃后的X射线衍射图谱F ig.4XRD pattern of the bond after heatingat the temperatu re of850℃图3和图4分别为结合剂经600℃和850℃温度处理后的的X射线衍射图谱。

图3和图4表明,在600℃温度下,结合剂以非晶玻璃态形式存在,同时还存在少量的ZnO晶体。

在850℃温度下,结合剂完全以纯玻璃态形式存在。

故温度高于850℃时,结合剂是一种纯玻璃态结合剂。

结合剂的耐火度为600℃,属于烧熔结合剂。

又由于烧熔结合剂烧后近似于玻璃体,故其化学成分决定其热膨胀系数。

根据玻璃的膨胀系数加和公式[2～3]。

Α=P1Α1+P2Α2+P3Α3+…+P iΑi+…计算出本结合剂的热膨胀系数为4.89×10-6 ℃。

各化学成分的经验膨胀系数[3]见表2所示。

金刚石和cBN的热膨胀系数分别为4.50×10-6 ℃(750℃)和4.30×10-6 ℃(700℃)[4],结合剂的热膨胀系数与磨料的热膨胀系数相近。

表2　结合剂中各化学成分的经验膨胀系数 (10-7 ℃)T ab le2　Experien tial expan si on coefficien t of every componen t成分Si O2A l2O3B2O3N a2O K2O CaO M gO Fe2O3Pb3O ZnO经验膨胀系数0.675.54.3343.239166.6713.38.335.33 图5是结合剂与金刚石颗粒一起烧至700℃并保温2h后的显微照片。

结合剂表面基本呈水平状铺开,金刚石颗粒被埋入熔融的具有光泽的结合剂中。

由于cBN颗粒比较小,与结合剂一起升温至700℃后发现其已经被埋入结合剂中。

因此,结合剂对cBN颗粒的浸润角Η的测定比较困难。

既然cBN颗粒能被没入结合剂中,说明结合剂对cBN颗粒的浸润性较好。

根据结合剂的耐火度(600℃)和结合剂的类型(烧熔结合剂),选择其热压烧成温度为850℃,表3为不同砂结比的结合剂的热压抗折强度值。

砂结比为615∶315时,热压烧结块的抗折强度值最高,达到12517M Pa,是一种低熔高强度结合剂。

图5　结合剂与金刚石升温至700℃后的显微照片F ig.5M icrograph of the bond and diamondafter heating at700℃表3　砂结比与抗折强度的关系T ab le3R elati on betw een rati o of ab rasive-bondand the bending strength砂结比7.5:2.57.0:3.06.5:3.56.0:4.0抗折强度(M Pa)82.8104.2125.7107.73　结论综上所述,本试验得出以下结论:(1)本结合剂以黏土、硼玻璃和铅玻璃为主要原料,耐火度为600℃,热膨胀系数为4.89×10-6 ℃。