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分享干货!影响陶瓷结合剂CBN磨具性能的因素是这些

http://www.momo35.com    来源:磨商网    日期:2020-05-20

       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瓷结合剂强度和结合剂与磨粒界面结合强度的重要因素。
  
  一、纳米稀土氧化物增强增韧[1]
  陶瓷结合剂CBN磨具具有高速、高效率、高精度、低磨削成本、绿色环保等优异性能,是近年世界各国科研人员研究热点[2--5],其发展速度非常快。CBN磨具的性能很大程度上取决于陶瓷结合剂的性能,但陶瓷结合剂的脆性大,会降低CBN磨具的使用寿命,提高加工成本。因此需对陶瓷结合增强增韧,改善CBN磨具的微观结构,提高其综合性能。
  
  陶瓷结合良剂的增韧方法很多,如相变增韧[6--7]、金属增韧[8--9]、纤维增韧[10--11]、第二相颗粒弥散增韧等[12]。除上述增韧机制外,还有引入稀土氧化物的方法。在这方面有大量研究成果[13--17],例如:
  
  栗正新[18]探索了Li2O3、CeO2、Y2O3对陶瓷结合剂耐火度和抗折强度的影响,发现La2O3对陶瓷结合剂的耐火度影响较大,Y2O3对陶瓷结合剂的强度有较好的提高作用。
  
  候永改等[19]发现,在钙铝硅微晶玻璃体系中引入一定量的Y2O3,可以降低陶瓷结合剂的耐火度,增加流通性,同时Y2O3具有诱导析晶作用。
  
  XIA等[20--21]在陶瓷结合剂中引入适量的Y2O3,不仅提高了结合过程中结合剂的流动性,还可以增加结合剂中β=石英固溶体的含量,提高其机械性能。
  
  目前,采用稀土氧化物提高陶瓷超硬磨具结合剂的断裂韧性的研究文献较少。在本研究中[22],以Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2体系为基础陶瓷结合剂,通过添加不同的纳米稀土氧化物(CeO、Sm2O3、Y2O3、La2O3、Er2O3)对结合剂进行增强增韧处理,探索不同稀土氧化物对陶瓷结合剂微观结构及断裂韧性的影响规律。
  
  通过研究分析得出如下结果:
  
  (1)添加体积分数为2%Er2O3时,结合剂试样的抗折强度最高,达到194MPa,比基础结合剂的抗折强度提高17,6%。
  
  (2)CeO、Sm2O3、Y2O3、La2O3、Er2O3均对基础结合剂有增韧效果,其中添加体积分数2,5%的ER2O3时,结合剂试样的断裂韧性最高为2,7MPam1/2,比基础结合剂提高108,2%
  
  (3)含体积分数2%的ER2O3的复合结合剂对CBN磨粒润湿良好,其抗折强度为102MPa。
  
  (4)通过XRD分析可以看出,基础结合剂主相为方石英,其对应的衍射峰强度很高。纳米稀土氧化物的掺入改变了试样主晶相,使部分膨胀数较大的立方结构石英相转变成膨胀系数较小的六方结构石英相。这可能是添加纳米稀土氧化物后试样断裂韧性明显提高的原因之一。
  
  (5)通过SEM观察,进一步对比发现,含有CeO2、Sm2O3、Y2O3试样有较多的孔洞,而Li2O3和Er2O3试样表面孔洞较少,这可能是导致试样断裂韧性存在差异的原因之一。
  
  (6)从观察添加Er2O3的陶瓷结合剂CBN磨具断口形貌可以看出,添加Er2O3的陶瓷结合剂对CBN磨粒的润湿结合比较理想,结合剂在磨粒之间铺展均匀,结合剂分布有大小较为均匀的气孔。这些气孔在CBN磨具磨削工件时,将发挥容屑、容纳冷却液和降低工件表面温度的作用,防止工件出现烧伤。
  
  
  
  二、不同润湿剂对成型性能的影响[23]
  陶瓷合剂磨具中的结合剂、磨料、填料大多都是颗粒或粉状物,都属于瘠性料。混料时,为使成型料具有一定的成型性,需加入起临时润湿和黏结作用的润湿剂。常见的陶瓷结合剂CBN磨具用润湿剂有多种类型:如糊精液、聚乙烯醇(PVA)溶液、羧甲基纤维素钠(CMC)溶液等[24],均属于有机物类型,润湿性能好,在磨具烧结过程中能被烧尽,但黏结性差,磨具湿坯强度较低,也有水玻璃等无机物类型[25],该类型润湿剂黏结性能好,成型磨具湿坯强度高,但会对陶瓷结合剂成分造成污染,且不易控制。
  
  近年来,针对陶瓷结合剂磨具用润湿剂及混合料的成型性能等方面,学者们开展了诸多研究。卓俭明等[26]研究了一种新型改性油乳化液润湿剂,获得了松散性,、保存性好的成型料,成型制品具有自硬性,湿坯固结干燥速度快,干强度高。
  
  王学涛等[27]选定甘油作为成型料松散度调节剂,对加入甘油后成型料的松散性、流动性以及成型料压制出的湿、干坯强度进行研究,结果显示成型料添加甘油后,其松散性、流动性均有大幅提升,年度组织不均废品率由原来的5,40%降至2,00%。
  
  俞才兴[28]对影响陶瓷磨具坯体湿干强度的因素做了对比分析,结果表明润湿剂对坯体湿干强度影响最大。
  
  李鹤南等[29],以糊精液作对比,探讨聚乙烯醇(PVA)溶液、聚乙二醇(PEG-6000)水溶液、异丁稀马来酸酐共聚物(ISOBAM-110)水溶液4种新型润湿剂对陶瓷结合剂CBN磨具成型料混合均匀性、松散密度、湿坯强度和组织均匀性的影响。其结果是:
  
  (1)成型料松散密度对比
  
  成型料松散密度对磨具的成型性有明显影响,松散性越好,流动性也越好,磨具在成型过程中投料也比较容易。5种润湿剂成型料松散密度测试结果如图3所示。

  
  图3 不同类型润湿剂成型料松散密度对比(行待补)
  
  从图3可以看出,用PAM混合的成型料松散密度最大,较糊精所混成型料的松散密度提高了51,14%;使用ISOBAM-110混合料次之,较糊精提升了16,59%;PEG-6000所混成型料最低。这是因为用PAM和ISOBAM-110作为润湿剂时,结合剂在磨料表面形成均有匀的包裹层,没有出现结合剂或结合剂与磨料形成的结团,混合料颗粒大小均匀一致,在自然堆积的过程中流动性好,可以均匀填充空隙;而使用PEG-6000所混成型料出现了结合剂团聚现象,且磨粒之间粘连严重,造成成型料内部颗粒大小不一,流动性差,因此松散密度也较小。
  
  (2) CBN试条湿坯强度对比
  
  衡量润湿剂性能的另一个重要指标就是磨具的湿坯强度。磨具在制作和搬运的过程中如果湿坯强度不够就会造成磨具的直接损坏或隐形损伤。图4为不同类型润湿剂CBN试条湿坯强度测试结果。
 
  
  图4 不同类型润湿剂CBN试条湿坯强度(待补)
  
  从图4可以看出,糊精为润湿剂的CBN试条湿坯可承受的断裂长度为18,13mm;PAM的断裂长度为24,49mm,较糊精的提升35,08%。ISOBAM-110的断裂长度次之,较糊精提升17,71%,PVB的断裂长度最小。这表明使用PAM和ISOBAM-110作为润湿剂,可以较为有效地提升湿坯的强度,大大改善磨具的成品率,而PVB作为润湿剂对磨具湿坯强度有降低的趋势。
  
  
  
  三、添加Li2O的影响
  
  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增大结合剂的热膨胀系数,降低磨具结合的强度。因此碱金属氧化物的添加量要控制在较低的范围内。
  
  王鹏飞等[30]选取Na2O=B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂作为基础结合剂,研究了硖添加La2O对基础结合良剂的耐火度、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。以下引用添加Li2O对结合剂耐火度及流动性以及对结合剂强度的影响。
  
  ( 1)随着Li2O的含量增加,结合剂的耐火度比未添加时显著降低;添加Li2O在0—6wt%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Li2O作为网络改变体,使玻璃网络中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下降。
  
  (2)结合剂的流动性随着Li2O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Li2O使结合剂的耐火度降低,使结合剂熔融出现液相,粘度降低,从而使结合剂的流动性提高;相同组分的结合剂,随着温度升高,其高温粘度到降低,所以其流动性进一步增大。
  
  (3)分析发现,试条的强度先增大后减小,当Li2O含量为5wt%时强度出现最大值。这可能是因为随着Li2O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,从而有利结合剂在磨料周围均匀分布,改善了结合剂与磨料结合,提高了磨具试条的强度。
  
  但是当Li2O含量超过一定值之后,作为网络改变体的Li2O,其对网络的破坏作用增强,会使结合剂强度降低。另一方面,较多的Li2O,使结合剂的耐火度过低,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。
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