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陶瓷結合劑金剛石砂輪的制備研究

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2017-07-10 09:19:00

文/聶道俊,卜忠衡,劉小磐 (湖南大學材料科學與工程學院)
  

  摘要:
  
  陶瓷結合劑金剛石砂輪廣泛運用于磨削加工,文章研究了金剛石粒度、燒結溫度及結合劑含量對陶瓷結合劑金剛石砂輪性能的影響。研究結果發現金剛石表面微觀結構呈多孔狀,粒度越細,燒結過程中與結合劑的反應活性越低,砂輪硬度越高。同時在一定范圍內燒結溫度越高,結合劑含量越低,砂輪硬度越高。
  
  關鍵詞:
  
  陶瓷結合劑;金剛石砂輪;燒結溫度;硬度

  
  1、引言
  
  陶瓷結合劑金剛石砂輪是目前發展比較迅速的一種超硬材料磨具,與樹脂結合劑磨具相比其形狀保持性好,加工尺寸精度高;與金屬結合劑磨具相比其具有砂輪易于修整、磨削時不易堵塞及不易燒傷工件等優點。同時由于樹脂及金屬結合劑砂輪通常采用熱壓法制備,難以獲得足夠的氣孔用于儲存磨削液及提高砂輪自銳性,而陶瓷結合劑金剛石砂輪可以很方便地控制氣孔率的大小。目前,陶瓷結合劑金剛石砂輪主要應用于刀具、硬質合金、金屬陶瓷、鐵氧體、液壓泵齒輪頸、寶石、普通陶瓷及新型工程陶瓷材料的磨削和加工,具有廣闊的應用前景。
  
  目前在歐美日俄等發達國家陶瓷結合劑金剛石砂輪的使用已較普遍,相應的產品日漸豐富,而國內對其研究仍處于實驗室階段或試用階段。與樹脂或金屬結合劑砂輪不同,陶瓷結合劑金剛石砂輪須通過燒結制備,因此燒結溫度成為影響其性能的一個很重要因素。一個性能優異的陶瓷結合劑金剛石砂輪應當是在金剛石粒度、燒結溫度及結合劑含量上均取得一個平衡的結果。對其進行研究可以對砂輪的生產起指導性作用,有利于提升其性能。
  
  2、試驗
  
  2.1 試驗步驟
  
  采用實驗室用某結合劑與不同粒度的工業金剛石磨料為主要成分,以白剛玉作為填充料,在常溫20MPa下壓制成試片,在不同燒結溫度下燒成,試樣參數如表1所示。
  

表1 各試樣配料比及燒結溫度
  


  2.2 試樣表征
  
  將每個燒成試樣在HR-150DT洛氏硬度儀上測其硬度,取其5點平均值。在FEIQUANTA-200環境掃描電鏡上觀察試樣表面形貌,在EDS上分析元素組成。
  
  3、結果討論與分析
  
  3.1 金剛石粒度對砂輪性能的影響
  
  圖1為1#、2#和3#試樣的洛氏硬度值,由圖可知當砂輪中結合劑含量一定時,其隨金剛石粒度的增大而減小。圖2分別為2#、3#試樣的表面微觀結構圖。由圖2(a)可知該試樣已經明顯發泡,而圖2(b)中試樣結合劑與金剛石結合較好,未有發泡跡象。一般情況下,磨料粒度越小比表面積越大,活性越高,越容易與結合劑起反應。而我們的試驗結果卻表明金剛石粒度越大越容易被結合劑氧化。
  


圖1 不同粒度金剛石洛氏硬度值

  


圖2 不同磨料制備的陶瓷結合劑金剛石砂輪顯微結構

  
  由圖3可知金剛石微觀結構呈多孔狀,且粒度越粗其表面起伏越大,孔結構越粗大。由于金剛石是在觸媒處最先生長,其最終結構可能是觸媒占據了金剛石中一定空間,而在酸洗過程中觸媒被腐蝕故而金剛石表面會留下孔狀結構,因為粗顆粒表面粗糙度更大,可能使粗顆粒磨料的表面活性提高。
  


圖3 不同粒度金剛石顆粒表面顯微結構

  
  對上述兩種粒度金剛石顆粒進行EDS分析,其結果如圖4所示。從圖中可以看出兩者成分大致相同,但是圖4(b)即粒度為230/270的金剛石表面含有少量的Al,這可能是金剛石合成中使用的觸媒含有Al,在金剛石磨料的酸洗過程中金屬Al被氧化成Al2O3而殘留于磨料表面。金剛石粒度越細其比表面積越大,殘留的Al含量越高,在燒結過程中它們會奪取結合劑中的自由氧,從而在一定程度上抑制了金剛石的氧化。
  


圖4 不同粒度金剛石顆粒EDS
  

  3.2 燒結溫度對砂輪性能的影響
  
  圖5為同配方試樣在不同溫度下燒結時其洛氏硬度值,由圖可知,隨著溫度的上升,試樣的洛氏硬度值緩慢上升,當溫度到達800℃時硬度達到最大值126,但隨著溫度的進一步升高試樣硬度值迅速下降。
  


圖5 不同溫度下試樣硬度值

  
  砂輪的硬度表征的是結合劑與金剛石的結合強度。理論上講,燒結溫度越高結合劑的流動性越好,一方面,可以提高結合劑與金剛石之間的潤濕性;另一方面可及時排出結合劑中的氣孔,提高結合劑對磨料的把持力。故試樣的硬度值在一定范圍內隨溫度的升高而增大。
  
  當燒結溫度在800℃以上時,金剛石將變得不穩定,金剛石將與結合劑中堿金屬氧化物起反應并在界面處產生氣孔,使結合劑對金剛石的把持力急劇下降。如圖6中試樣在820℃時表面已經有明顯的發泡痕跡,因為在該溫度下金剛石與氧氣或結合劑反應生成CO2,由于氣泡的存在使得結合劑與金剛石的結合力大大下降。
  


圖6 820℃試樣表面微觀結構

  
  3.3 結合劑的含量
  
  圖7為不同結合劑含量對試樣硬度的影響。當結合劑含量較低時試樣硬度值隨結合劑含量的增大而緩慢增加,當結合劑含量到達34%時試樣硬度最高。繼續增加結合劑含量,試樣硬度急劇下降。圖8為不同結合劑含量試樣的表面微觀結構,圖8(a)中試樣已經發泡嚴重,而由圖8(b)可知其結合劑與金剛石包裹性良好。
  


圖7 不同結合劑含量試樣硬度值

  


圖8 不同結合劑含量試樣表面微觀結構

  
  燒結體中的氣孔主要來源于兩個方面:一方面是有機粘結劑在高溫下分解產生氣體,留下氣孔;另一方面是結合劑與金剛石起反應,在一定燒結溫度下,結合劑含量越高燒結體中液相越多,產生的氣體越難排出,容易殘留在燒結體內產生大量氣孔。
  
  4、結論
  
  (1)金剛石的粒度對陶瓷結合劑金剛石砂輪的燒結有一定的影響,粒度越細在相同結合劑含量和燒結溫度條件下砂輪硬度越大;
  
  (2)陶瓷結合劑金剛石砂輪的燒結溫度對金剛石磨具的硬度有很大影響,溫度過低時結合劑流動性差,對金剛石潤濕性差,溫度過高時,金剛石容易與結合劑中堿金屬氧化物反應產生氣孔,影響磨具硬度和強度;
  
  (3)結合劑在磨具中的加入量對燒結后磨具的硬度有一定的影響,結合劑含量較低時燒結體強度不高,砂輪硬度低,當結合劑含量過高時燒結體中容易產生氣孔,磨具硬度大幅下降。

 

此文關鍵字:陶瓷砂輪   綠碳化硅微粉   金剛石砂輪   樹脂砂輪   綠碳化硅砂輪   CBN砂輪    白剛玉砂輪   單晶剛玉砂輪
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