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1 前言
由于陶瓷結(jié)合劑具有熱穩(wěn)定性較好,脆性、剛性較高和氣孔率可控等優(yōu)點,使得陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪具備了強度較高、自銳性好、易于修整、容屑能力強等優(yōu)勢,因此廣泛應(yīng)用于汽車、航天、航空及精密切削工具制造等行業(yè)。陶瓷結(jié)合劑砂輪的強度主要取決于陶瓷結(jié)合劑本身的強度和結(jié)合劑與磨粒間的結(jié)合強度。結(jié)合劑的組成是影響陶結(jié)合劑強度和結(jié)合劑與磨粒界面結(jié)合強度的重要因素。
在陶瓷結(jié)合劑砂輪的制備過程中,堿金屬氧化物往往作為催熔劑引入結(jié)合劑中,從而有效地降低結(jié)合劑的耐火度,增大結(jié)合劑的高溫流動性。由于過度添加堿金屬氧化物會增大結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù),降低磨具結(jié)合劑的強度,因此堿金屬氧化物的添加量要控制在較低的范圍內(nèi)。
本實驗選取Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結(jié)合劑作為基礎(chǔ)結(jié)合劑,研究了添加Li2O對基礎(chǔ)結(jié)合劑的耐火度、流動性、磨具的抗折強度,以及結(jié)合劑與磨粒界面結(jié)合情況的影響,從而為制備低溫高強陶瓷結(jié)合劑時Li2O的適宜含量確定及燒結(jié)工藝的優(yōu)化提供試驗參考依據(jù)。
2 實驗
實驗采用化學(xué)純的二氧化硅、無水碳酸鈉、硼酸和氧化鋁為原料，經(jīng)精確稱量、均勻混合后，在高溫熔塊爐中加熱至1250℃，保溫2小時，使其熔融后冷卻形成玻璃。將玻璃粉碎、過篩，得到粉末狀基礎(chǔ)結(jié)合劑。
通過添加Li2CO3向基礎(chǔ)結(jié)合劑中引入2 -10w%氧化鋁。參照磨料磨具行業(yè)常用方法測定不同氧化鋁含量結(jié)合劑的耐火度和流動性。結(jié)合劑、白剛玉、臨時粘結(jié)劑以20：75：5的比例配制成型料，干壓成型為30*6*4mm3的磨具試條。將磨具試條在不同的溫度下燒成后用三點彎曲法測定抗壓強度，壓頭加載速率為0．5mm/min。用環(huán)境掃描電鏡觀察試條折斷后的斷面形貌及磨料與結(jié)合劑的結(jié)合狀態(tài)。
3 結(jié)果與討論
3.1 添加氧化鋁對結(jié)合劑的耐火度及流動性的影響
不同氧化鋁含量結(jié)合劑的耐火度如圖l所示。從圖1中可以看出，隨著氧化鋁的含量增加，結(jié)合劑的耐火度比未添加時顯著降低；添加氧化鋁在0-6w%范圍內(nèi)結(jié)合劑的耐火度變化劇烈，之后耐火度變化趨于平緩。這主要是因為氧化鋁作為網(wǎng)絡(luò)改變體，使玻璃網(wǎng)絡(luò)中的Si-O鍵斷裂，玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)緊密度下降，所以玻璃的軟化溫度和結(jié)合劑的耐火度相應(yīng)降低。
不同氧化鋁含量結(jié)合劑的流動性如圖2所示。由圖2可以看出，結(jié)合劑的流動性隨著氧化鋁含量的增加而增大，相同組分的流動性隨著溫度的升高而增大。添加氧化鋁使結(jié)合劑的耐火度降低，使結(jié)合劑熔融，出現(xiàn)液相，粘度降低。從而使結(jié)和劑的流動性提高：相同組成的結(jié)合劑，隨著溫度升高，其高溫粘度降低，所以其流動性進一步增大。
3.2 添加氧化鋁對結(jié)合劑強度的影響
圖3是不同氧化鋁含量結(jié)合劑所制磨具試條在830℃保溫2h條件下燒成后的抗彎強度。從圖中可以看出，試條的強度先增大后減小，當(dāng)氧化鋁含量為6w%時強度出現(xiàn)最大值。這可能是因為隨著氧化鋁含量的增大，結(jié)合劑的耐火度顯著降低，結(jié)合劑在燒成溫度下的流動性逐漸改善，從而有利于結(jié)合劑在磨料周圍均勻分布，改善了結(jié)合劑與磨料的結(jié)合，提高了磨具試條的強度。
但是，在氧化鋁含量超過一定值之后，作為網(wǎng)絡(luò)改變體的氧化鋁，其對網(wǎng)絡(luò)的破壞作用增強，會使結(jié)合劑強度變低。另一方面，較多的氧化鋁使結(jié)合劑耐火度過低，流動性過大，容易導(dǎo)致磨具過燒而結(jié)構(gòu)疏松，從而使磨具試條的強度降低。
3.3 添加氧化鋁對磨具顯微結(jié)構(gòu)的影響
不同氧化鋁添加量磨具式樣的顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。
從圖4可以看出，添加2w%氧化鋁時，結(jié)合劑橋中存在少量氣孔，結(jié)合劑未充分玻化；隨著Li20含量的增大，結(jié)合劑玻化程度逐漸改善，結(jié)合劑橋中的氣孔數(shù)量減少、氣孔尺寸減小；添加6w%氧化鋁，結(jié)合劑玻化程度最好，結(jié)合劑橋玻化程度最好，結(jié)合劑橋較粗且與磨粒形成較好的結(jié)合界面。這與磨具強度開始隨著Li20
含量的增大而增大，至6%氧化鋁時磨具試條的強度最大的情況相一致。從該圖中還可以看出，在氧化鋁含量超過6w%后，磨具顯微結(jié)構(gòu)狀態(tài)又變差，結(jié)合劑橋中的孔洞增加，致密度變差，從與其強度降低的趨勢一致。這種結(jié)構(gòu)可能是由氧化鋁添加量較大、結(jié)合劑耐火度較低、流動太大引起磨具過燒而造成的。
4 結(jié)論
(l） 隨著氧化鋁添加量的增大，結(jié)合劑的耐火度顯著降低。在0-6w%氧化鋁添加量范圍內(nèi)，結(jié)合劑的耐火度下降較快，之后耐火度變化趨于平緩。
(2） 隨著氧化鋁添力量的增加，結(jié)合劑的高溫流動性增大。隨著溫度升高，相同組成結(jié)合劑的流動性明顯增大。
(3） 當(dāng)氧化鋁添加量低于6w%時，隨著氧化鋁含量增大，結(jié)合劑玻化程度逐漸改善，結(jié)合劑與磨粒結(jié)合緊密，磨具試條的強度增大；氧化鋁含量高于6w%的組分，會因其顯微結(jié)構(gòu)的破壞和結(jié)合劑本身結(jié)構(gòu)的變化，使磨具強度降低。