CBN 超硬材料磨用低温陶瓷结合剂的设计实验本实验中要求设计一种适用于超硬磨料的陶瓷结合剂，要求其抗折强度大于60MPa ，膨胀系数小于7×10-6/℃,烧结温度不高于950℃。

通过配方设计、高温熔制、制样、烧结温度范围测试直至烧结后测试样品的热膨胀系数、抗折强度测试等等。

了解设计一种新的超硬磨料陶瓷结合剂需要考虑的多方面的影响因素，从而提高分析问题、解决问题的能力。

实验目的：设计一种低温高强度的CBN 砂轮陶瓷结合剂。

实验流程如下：玻璃组成的设计与配合料的制备→玻璃料的熔制→试样的制备→压制成型→烧结温度范围的测定→烧结→试样相关性能测试（热膨胀系数、抗折强度）一、玻璃组成的设计与配合料的制备配料是根据设计的玻璃成分和选择的原料的化学组成来计算的。

为得到指定性能的玻璃，玻璃的熔制需要反复实验多次，并多次修改玻璃成分，以达到合乎要求的玻璃性能。

因此要根据实验结果反复改变配方，及时调整原来组成及其质量配比。

设计配方时，应注意原料中所含水分的变动，要确切地掌握原料的化学成分，然后按所要求的玻璃成分，并根据各种原料的化学成分计算配方。

同时根据试验中相关性能测试所用试样的质量及实验过程中的损耗量，确定原料的总用量。

根据现有实验条件，运用相关专业知识，查阅大量相关文献，并理论计算相关性能的契合度，设计配方如下：确定玻璃的类型为硼酸盐玻璃体系。

（A ）相关计算1、 膨胀系数（干福熹法计算）《玻璃工艺学》计算得Ψ= -0.72595 <4，又SiO 2含量为 48.21%，则α（B2O3）=12.4*(4-Ψ)= 8.0172*10-7 α（SiO2）=35+0.5*(67-a)=44.44*10-7 整体膨胀系数计算公式为2、 熔制温度《无机材料专业实验指导书》τ=( SiO2+ A1203)/（Na20+ K20+0.5 B203）=4.00827表1 不同τ对应的熔制温度查表知熔制温度约为1320O C 3、 抗折强度抗折强度指模局在受到弯曲应力作用时不发生破裂的极限能力。

大约相当于抗拉强度的3-3.5倍。

玻璃的化学组成对其强度的贡献符合加法法则。

抗拉强度为71.2835MPa ，则抗张强度213.8505-249.4923 MPa 4、 耐火度SiO2A1203B203K20Na20Li20CaOMgO整体摩尔质量 60.1 102 69.6 94.2 62 29.8 56.1 40.3质量百分数% 48.21 19.6313.752.457.62.233.562.57 100 摩尔组分 80.21631 19.2451 19.75575 2.600849 12.25806 7.483221 6.3458116.377171 154.2823摩尔百分数% 51.99321 12.47395 12.80494 1.685773 7.945219 4.850344 4.1131184.133444100 膨胀系数（10^-6） 4.444 -4 0.860172 51 40 26 13 6 6.961826 组分膨胀系数（10^-8) 214.2452-78.52 11.82737 124.95304 57.9846.28 15.42 696.1826 温度系数1 1.2 1.25 1 1 10.5 0.6 0.456895 抗拉强度系（Mpa ）0.90.50.650.10.220.171.2835K=（a1B203+a2K20+a3Na20+a4Na20+a5Li20+a6CaO）/(b1SiO2+b2A1203)= 0.456895综上，理论计算符合各性能要求。

（B）原料分类及作用玻璃原料的分类：主要原料和辅助原料。

主要原料，是指想玻璃中引入各种组成氧化物的原料，如：石英砂、氧化硼、碳酸钙、硝酸钠、氧化镁、硼酸、碳酸锂、氧化铝等。

辅助原料，是指使玻璃获得某些必要的性质和加速熔制的原料。

用量少，却很重要。

有澄清剂、着色剂、乳浊剂、氧化剂、助熔剂（加速剂）等、。

各组分的影响及作用：（一）引入酸性氧化物的原料1、引入SiO2的原料：SiO2相对分子质量：60.1，相对密度：2.4~2.65。

SiO2是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体[SiO4]的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。

单纯的SiO2可以在1800℃以上的高温下，熔制成石英玻璃（SiO2的熔点是1713℃）。

在钠-钙-硅玻璃中能境地玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、软化温度、耐热性、硬度、机械强度、粘度和透紫外线性。

但SiO2含量高时，需要较高的熔融温度，而且可能导致析晶。

引入SiO2的原料是：纯石英。

本实验选择用纯石英砂引入SiO2。

2、引入氧化硼的原料：B2O3相对分子质量69.6，相对密度1.84。

B2O3也是玻璃的形成氧化物，它以硼氧三角体[BO3]和硼氧四面体[BO4]为结构组元，在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体[SiO4]共同组成结构网络。

B2O3能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽，提高玻璃的力学性能。

B2O3在高温时能降低玻璃的粘度，在低温时则提高玻璃的粘度，所以B2O3含量较高的玻璃，成型的温度范围较窄，因此可提高机械成型的机速。

B2O3常温水蒸气挥发。

引入B2O3的原料是氧化硼、硼酸、硼砂和含硼矿物。

本实验选择用纯硼酸。

3、引入氧化铝的原料：Al2O3属于中间体氧化物，当玻璃中Na2O与Al2O3的分子比大于1时，形成铝氧四面体[AlO4]并与硅氧四面体[SiO4]构成连续的结构网络；当Na2O与Al2O3的分子比小于1时，则形成铝氧八面体[AlO6]，为网络外体而处于硅氧结构网络的空穴中。

Al2O3能降低对耐火材料的侵蚀，并有助于氟化物的乳浊。

Al2O3能提高玻璃的粘度。

绝大多数玻璃都引入1%~3.5%的Al2O3，一般不超过8%~10%。

引入Al2O3的原料有长石、粘土、蜡石、氧化铝、氢氧化铝等，也可以采用某些含Al2O3的矿渣和选矿厂含长石的尾矿。

本实验选择用纯Al2O3。

（二）引入碱土金属及其他二价金属氧化物的原料：1、引入氧化钙的原料：CaO，相对分子质量56.1，相对密度3.2~3.4。

CaO为二价的网络外体氧化物，在玻璃中期稳定剂的作用，即增加玻璃的化学稳定性和机械强度，但含量较高时，能使玻璃的结晶倾向增大，而且易使玻璃发脆。

在一般玻璃中，CaO含量不超过12.5%。

CaO在高温时能降低玻璃的粘度，促进玻璃的熔化和澄清；但当温度降低时，粘度增加的很快，使成型困难。

CaO 是通过方解石、石灰石、白垩、沉淀碳酸钙等原料来引入的。

本实验选择纯碳酸钙引入CaO 。

2、引入氧化镁的原料：MgO相对分子质量40.3。

MgO在钠钙硅酸盐玻璃中为网络外体氧化物。

玻璃中以3.5%以下的MgO代替部分CaO，可使玻璃的硬化速度变慢，改善玻璃的成型性能。

MgO还能降低结晶倾向和结晶速度，增加玻璃的高温粘度，提高玻璃的化学稳定性和机械强度。

引入MgO的原料油白云石、菱镁矿等。

本实验选择纯氧化镁。

（三）引入碱金属氧化物的原料：1、引入Na2O的原料：Na2O相对分子质量62，相对密度2.27。

Na2O为网络外体氧化物，钠离子居于玻璃结构网络空穴中。

Na2O 能提供游离氧使玻璃结构中的O/Si比值增加发生断键，因而可以降低玻璃的粘度，使玻璃易熔，是良好的助熔剂。

Na2O能增加热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械强度，所以引入量不能过多，一般不超过18%。

引入Na2O的原料主要为纯碱和芒硝，有时也采用一部分氢氧化钠和硝酸钠。

本实验中选择纯碳酸钠引入Na2O。

2、引入氧化钾的原料：K2O相对分子质量94.2，相对密度2.32。

它为网络外体氧化物，在玻璃中的作用与Na2O相似。

钾离子半径较钠离子大，钾玻璃的粘度较钠玻璃的粘度大，能降低玻璃的析晶倾向，增加玻璃的透明度和光泽等。

引入K2O的原料主要是钾碱（碳酸钾）和硝酸钾。

本实验选择碳酸钾引入K2O。

3、引入氧化锂的原料Li2O相对分子质量29.8，网络外体氧化物。

它在玻璃中的作用比Na2O和K2O特殊。

当O/Si比值较大时，主要为积聚作用，Li2O代替Na2O或K2O使玻璃的热膨胀系数降低，结晶倾向变小，过量Li2O又使结晶倾向增加。

在一般玻璃中引入少量的Li2O（0.1~0.5），可以降低玻璃的熔制温度，提高玻璃的产量和质量。

引入Li2O的原料主要是碳酸锂和含锂的天然矿物。

本实验中选择纯碳酸锂引入Li2O。

据给定性能要求,玻璃组成暂定为(%)SiO248.21 Al2O319.63 B2O313.75 K2O 2.45 Na2O 7.6 Li2O 2.23 CaO 3.56 MgO 2.57（C）进行辅助原料的配制（假定熔制100g玻璃料）澄清剂：向玻璃配合料或玻璃熔体中加入一种高温时自身能气化或分解放出气体，以促进排除玻璃中气泡的物质。

助熔剂：能促进玻璃熔制过程加速的原料。

挥发组分的补充（计算过程参考玻璃工艺学P221 详细的在纸上）澄清剂NaNO3 1.20g助熔剂萤石1.24g挥发组分碳酸钠+0.416g 硼酸+2.930g碳酸钾+0.431g综上，实际用料为二.玻璃的熔制1、原理本实验阶段是通过合理的熔制制度，以制得供成型所需的玻璃料。

根据玻璃制品的性能要求，设计出玻璃的化学组成，并以此为依据，进行配料，将制备好的配合料在高温下加强，使其发生一系列的物理的、化学的、物理化学的变化，从而使各原料的机械混合物变成复杂的熔融物，进而得到基本无气泡、结石均匀的玻璃液，并将其均匀的降温，最终得到所需的玻璃液。

该过程大概分为五个阶段：硅酸盐的形成→玻璃液形成→澄清→均化→冷却。

熔制过程分为三个步骤：配料→熔制→出料。

硅酸盐形成阶段是指配合料各组分在加热过程中经过一系列物理、化学变化，主要的固相反应结束，大部分气态产物从配合料中逸出，在这一阶段结束后，配合料变成由硅酸盐和SiO2组成的不透明烧结物，制造普通的硅酸盐玻璃时，硅酸盐的形成在800~900℃基本结束。

玻璃液的形成阶段是指烧结物连续加热时即开始熔融，易熔的低共熔混合物首先开始熔化，在熔化的同时发生硅酸盐和剩余的SiO2的互熔，到这一阶段结束时，烧结物变成透明体，再没有未反应的配合料颗粒。

但玻璃液中还有大量气泡，而玻璃本身在化学组成和性质上也不均匀，它有很多余纹。

熔制普通玻璃时，玻璃的形成在1200~1250℃完成。

玻璃液的澄清阶段，是指对玻璃继续加热，其粘度降低，并从中放出气态混杂物，进而去除可见气泡的过程，熔制普通玻璃时，玻璃的澄清在1400~1500℃完成，这时玻璃液粘度Η=10Pa•s。