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陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备研究

http://www.momo35.com   来源:超硬天地  日期:2017/07/04

文/聂道俊,卜忠衡,刘小磐 (湖南大学材料科学与工程学院)
  

  摘要:
  
  陶瓷结合剂金刚石砂轮广泛运用于磨削加工,文章研究了金刚石粒度、烧结温度及结合剂含量对陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的影响。研究结果发现金刚石表面微观结构呈多孔状,粒度越细,烧结过程中与结合剂的反应活性越低,砂轮硬度越高。同时在一定范围内烧结温度越高,结合剂含量越低,砂轮硬度越高。
  
  关键词:
  
  陶瓷结合剂;金刚石砂轮;烧结温度;硬度

  
  1、引言
  
  陶瓷结合剂金刚石砂轮是目前发展比较迅速的一种超硬材料磨具,与树脂结合剂磨具相比其形状保持性好,加工尺寸精度高;与金属结合剂磨具相比其具有砂轮易于修整、磨削时不易堵塞及不易烧伤工件等优点。同时由于树脂及金属结合剂砂轮通常采用热压法制备,难以获得足够的气孔用于储存磨削液及提高砂轮自锐性,而陶瓷结合剂金刚石砂轮可以很方便地控制气孔率的大小。目前,陶瓷结合剂金刚石砂轮主要应用于刀具、硬质合金、金属陶瓷、铁氧体、液压泵齿轮颈、宝石、普通陶瓷及新型工程陶瓷材料的磨削和加工,具有广阔的应用前景。
  
  目前在欧美日俄等发达国家陶瓷结合剂金刚石砂轮的使用已较普遍,相应的产品日渐丰富,而国内对其研究仍处于实验室阶段或试用阶段。与树脂或金属结合剂砂轮不同,陶瓷结合剂金刚石砂轮须通过烧结制备,因此烧结温度成为影响其性能的一个很重要因素。一个性能优异的陶瓷结合剂金刚石砂轮应当是在金刚石粒度、烧结温度及结合剂含量上均取得一个平衡的结果。对其进行研究可以对砂轮的生产起指导性作用,有利于提升其性能。
  
  2、试验
  
  2.1 试验步骤
  
  采用实验室用某结合剂与不同粒度的工业金刚石磨料为主要成分,以白刚玉作为填充料,在常温20MPa下压制成试片,在不同烧结温度下烧成,试样参数如表1所示。
  

表1 各试样配料比及烧结温度
  


  2.2 试样表征
  
  将每个烧成试样在HR-150DT洛氏硬度仪上测其硬度,取其5点平均值。在FEIQUANTA-200环境扫描电镜上观察试样表面形貌,在EDS上分析元素组成。
  
  3、结果讨论与分析
  
  3.1 金刚石粒度对砂轮性能的影响
  
  图1为1#、2#和3#试样的洛氏硬度值,由图可知当砂轮中结合剂含量一定时,其随金刚石粒度的增大而减小。图2分别为2#、3#试样的表面微观结构图。由图2(a)可知该试样已经明显发泡,而图2(b)中试样结合剂与金刚石结合较好,未有发泡迹象。一般情况下,磨料粒度越小比表面积越大,活性越高,越容易与结合剂起反应。而我们的试验结果却表明金刚石粒度越大越容易被结合剂氧化。
  


图1 不同粒度金刚石洛氏硬度值

  


图2 不同磨料制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮显微结构

  
  由图3可知金刚石微观结构呈多孔状,且粒度越粗其表面起伏越大,孔结构越粗大。由于金刚石是在触媒处最先生长,其最终结构可能是触媒占据了金刚石中一定空间,而在酸洗过程中触媒被腐蚀故而金刚石表面会留下孔状结构,因为粗颗粒表面粗糙度更大,可能使粗颗粒磨料的表面活性提高。
  


图3 不同粒度金刚石颗粒表面显微结构

  
  对上述两种粒度金刚石颗粒进行EDS分析,其结果如图4所示。从图中可以看出两者成分大致相同,但是图4(b)即粒度为230/270的金刚石表面含有少量的Al,这可能是金刚石合成中使用的触媒含有Al,在金刚石磨料的酸洗过程中金属Al被氧化成Al2O3而残留于磨料表面。金刚石粒度越细其比表面积越大,残留的Al含量越高,在烧结过程中它们会夺取结合剂中的自由氧,从而在一定程度上抑制了金刚石的氧化。
  


图4 不同粒度金刚石颗粒EDS
  

  3.2 烧结温度对砂轮性能的影响
  
  图5为同配方试样在不同温度下烧结时其洛氏硬度值,由图可知,随着温度的上升,试样的洛氏硬度值缓慢上升,当温度到达800℃时硬度达到最大值126,但随着温度的进一步升高试样硬度值迅速下降。
  


图5 不同温度下试样硬度值

  
  砂轮的硬度表征的是结合剂与金刚石的结合强度。理论上讲,烧结温度越高结合剂的流动性越好,一方面,可以提高结合剂与金刚石之间的润湿性;另一方面可及时排出结合剂中的气孔,提高结合剂对磨料的把持力。故试样的硬度值在一定范围内随温度的升高而增大。
  
  当烧结温度在800℃以上时,金刚石将变得不稳定,金刚石将与结合剂中碱金属氧化物起反应并在界面处产生气孔,使结合剂对金刚石的把持力急剧下降。如图6中试样在820℃时表面已经有明显的发泡痕迹,因为在该温度下金刚石与氧气或结合剂反应生成CO2,由于气泡的存在使得结合剂与金刚石的结合力大大下降。
  


图6 820℃试样表面微观结构

  
  3.3 结合剂的含量
  
  图7为不同结合剂含量对试样硬度的影响。当结合剂含量较低时试样硬度值随结合剂含量的增大而缓慢增加,当结合剂含量到达34%时试样硬度最高。继续增加结合剂含量,试样硬度急剧下降。图8为不同结合剂含量试样的表面微观结构,图8(a)中试样已经发泡严重,而由图8(b)可知其结合剂与金刚石包裹性良好。
  


图7 不同结合剂含量试样硬度值

  


图8 不同结合剂含量试样表面微观结构

  
  烧结体中的气孔主要来源于两个方面:一方面是有机粘结剂在高温下分解产生气体,留下气孔;另一方面是结合剂与金刚石起反应,在一定烧结温度下,结合剂含量越高烧结体中液相越多,产生的气体越难排出,容易残留在烧结体内产生大量气孔。
  
  4、结论
  
  (1)金刚石的粒度对陶瓷结合剂金刚石砂轮的烧结有一定的影响,粒度越细在相同结合剂含量和烧结温度条件下砂轮硬度越大;
  
  (2)陶瓷结合剂金刚石砂轮的烧结温度对金刚石磨具的硬度有很大影响,温度过低时结合剂流动性差,对金刚石润湿性差,温度过高时,金刚石容易与结合剂中碱金属氧化物反应产生气孔,影响磨具硬度和强度;
  
  (3)结合剂在磨具中的加入量对烧结后磨具的硬度有一定的影响,结合剂含量较低时烧结体强度不高,砂轮硬度低,当结合剂含量过高时烧结体中容易产生气孔,磨具硬度大幅下降。
 
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