金剛石、陶瓷結合劑界面結合對金剛石把持力的影響①

李旭燕,栗正新

(河南工業大學材料學院,河南鄭州450001)

金剛石、陶瓷結合劑界面結合對金剛石把持力的影響①

李旭燕,栗正新

(河南工業大學材料學院,河南鄭州450001)

陶瓷結合劑對金剛石的把持力是陶瓷結合劑金剛石磨具質量的關鍵。文章對金剛石、陶瓷結合劑界面結合的影響因素,以及界面結合對把持力的影響進行分析。

金剛石;陶瓷結合劑;界面結合;把持力

1 引言

把持力是指金剛石工具中的結合劑阻止金剛石脫落的能力,包括結合劑對金剛石磨粒的物理附著力、機械鑲嵌力和化學作用力。決定金剛石制品質量的關鍵,在于是否具備合適的把持力,因此對金剛石工具把持力的研究是非常重要的。

一般情況下,把持力的影響因素包括:結合劑中的添加劑成分與含量、結合劑致密度;金剛石表面狀態、金剛石粒度及金剛石的濃度;金剛石與陶瓷結合劑的界面結合情況。要保證結合劑對金剛石有足夠的把持力,以確保金剛石工具在使用過程中金剛石不容易脫落,才能充分發揮金剛石的切削作用。但是把持力是一個相對的參數,并不是越大越好,在金剛石工具中,希望使用時把持力足夠大,以保證能夠使結合劑與金剛石實現同步磨損,這樣金剛石工具既具有良好的自銳性,保證金剛石工具足夠鋒利,又能保證工具有較長的使用壽命,實現較高的性價比。

金剛石、陶瓷結合劑的性能共同影響陶瓷結合劑與金剛石的界面結合,它們的界面結合情況直接影響陶瓷結合劑對金剛石的把持力。因此,本文將分別分析金剛石、陶瓷結合劑對界面結合的影響,進而介紹分析界面結合對把持力影響的檢測方法。

2 陶瓷結合劑、金剛石對界面結合的影響

2.1 陶瓷結合劑

2.1.1 陶瓷結合劑應具備的性能

陶瓷結合劑的主要性能包括耐火度、高溫潤濕性、流動性、熱膨脹性和機械強度等。根據金剛石的性能,陶瓷結合劑應具有的性能要求如下:

(1)耐火度

陶瓷結合劑抵抗高溫作用而不熔融的性質稱為陶瓷結合劑的耐火性,耐火性用耐火度表示,耐火度是指陶瓷結合劑在高溫下軟化時的溫度。[1]耐火度是陶瓷結合劑的主要性能之一,磨具的燒成溫度與陶瓷結合劑的耐火度有著密切的關系,一般而言,磨具的燒成溫度要比陶瓷結合劑耐火度高80℃左右。在同樣的燒成溫度下,陶瓷結合劑的耐火度越高,結合劑的玻化程度越小、流動性越小,結合劑對磨料的結合性就不牢固,從而磨具的強度和硬度就會減小;反之,如果耐火度較低,燒成時結合劑中液相量增多,流動性增大,磨具的硬度增加,但是,如果耐火度過低,磨具容易發泡變形,因此,結合劑的耐火度一般作為磨具燒成溫度制定的主要依據。[1]

影響耐火度的主要因素有:陶瓷結合劑的化學組成、均勻程度,燒成時的升溫速率等[2]。

由于金剛石的高溫穩定性較差,金剛石磨具的燒成溫度較低。所以要求結合劑的耐火度低,以滿足金剛石低溫燒成的要求。

(2)高溫潤濕性

陶瓷結合劑的高溫潤濕性是指高溫狀態下結合劑熔體對磨料的潤濕能力[]。對于陶瓷結合劑的高溫潤濕性,通常用結合劑熔體對磨料的潤濕角θ的大小來進行表征。一般采用高溫顯微鏡對陶瓷結合劑的高溫潤濕性進行測定。

若結合劑對磨料的高溫潤濕性很差,熔體很難流鋪到磨粒的表面,這樣結合劑就不能將磨粒包裹住,就不能形成良好的粘結,從而會導致磨具強度較低,磨粒容易脫落。因此,希望結合劑對磨粒應有較好的潤濕性,有利于提高結合劑對金剛石的粘結強度。

(3)流動性

結合劑的流動性定義為結合劑高溫熔體黏度的倒數。[]即:

式中:φ是指結合劑的流動性

η是指結合劑的高溫熔體黏度

若結合劑流動性過低,則結合劑黏度大,不易流動,不易均勻地分布于磨粒之間,因而會影響結合劑和磨粒之間的結合狀況,不能保證磨具應有的機械強度;相反,若結合劑流動性過大,則結合劑黏度過低,很容易從磨粒間流出并造成制品變形。因此陶瓷結合劑必須有良好的流動性,才能保證其與金剛石之間有良好的結核狀況,并保證磨具有良好的機械性能。

(4)熱膨脹性

物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。[]結合劑的熱膨脹系數與磨料的匹配性直接影響著磨具的強度、制造工藝和使用性能。若磨料的熱膨脹系數小于結合劑的膨脹系數,則產品在冷卻時,結合劑的體積收縮比磨料大,會導致結合劑橋產生張應力,削弱了結合劑橋的作用。相反,若磨料的熱膨脹系數大于結合劑的熱膨脹系數,當產品冷卻時,磨料的體積收縮較大,磨料拉離結合劑橋,也會削弱結合劑橋的固結程度,磨削時磨粒容易脫落。因此,陶瓷結合劑與金剛石之間必須有相匹配的熱膨脹系數,才能使結合劑與金剛石在燒成和磨具使用過程中有比較一致的伸縮,從而保證磨具內磨粒與結合劑之間的熱應力降到最小,進而可提高陶瓷結合劑對金剛石磨粒的粘結強度,提高陶瓷結合劑對金剛石的把持力。

(5)機械強度

磨具的機械強度是指磨具制品抵抗外力作用而不被破壞的能力。磨具的機械強度主要取決于結合劑本身的強度、反應能力、結晶程度、顯微結構以及與磨料熱膨脹系數的匹配性等因素。為了保證磨具有較強的機械強度,需要陶瓷結合劑本身具有足夠的強度,這樣才能滿足磨具高速回轉時的強度要求,保證磨具有所需的機械強度。

(6)其它性能

除了上述性能外,還要求:1.結合劑本身應具有較高的韌性。才可以提高磨具磨削時的抗沖擊能力,并提高磨具的形狀保持性。但是由于陶瓷為脆性材料,所以這里的韌性高是相比較而言的。2結合劑與金剛石之間不應有明顯的化學反應,否則會因為金剛石遭到侵蝕而造成金剛石的浪費,進而降低磨具的磨削能力。3.結合劑應有較好的導熱性。只有磨具生產和使用過程中的散熱性能好,才不會使磨具內產生較大溫差。

2.1.2 陶瓷結合劑改性研究現狀

陶瓷結合劑的性能研究一直是人們研究陶瓷結合劑金剛石磨具的重點之一,國內外在此方面成果很多。但是由于陶瓷結合劑的種類繁多,而且添加劑的種類也在不斷地擴展之中,所以人們對陶瓷結合劑的研究與預期尚有一定差距。人們之前所做的研究分析可分為以下幾類:

1.陶瓷結合劑成分對磨具性能的影響

金剛石磨具用陶瓷結合劑一般有兩種類型,一類是由非玻璃料和玻璃料兩部分構成,另一類是由純玻璃料組成。非玻璃料一般為黏土,玻璃料則是低熔點、低膨脹、高強度玻璃。

張書森[3]通過研究Na2O-B2O3-SiO2、Li2OB2O4-SiO2、K2O-B2O3-SiO2三種體系的預熔玻璃料,結果表明Na2O-B2O3-SiO2預熔玻璃料具有較低的耐火度、較高的抗折強度、適宜的膨脹系數和潤濕性,是性能優良的低溫陶瓷結合劑基礎玻璃料。

張小福等[4]研究發現改性Li2O-Al2O3-SiO2玻璃經過適當的熱處理工藝,金剛石試樣中將出現以Li2Al2Si3O10為主晶相的微晶體,試樣的抗折強度比B2O3-Pb O-Zn O-SiO2低熔玻璃結合劑金剛石試樣高;鍍鈦金剛石與微晶玻璃結合劑之間產生化學結合,抗折強度比不鍍鈦金剛石試條高;但是B2O3-Pb O-Zn O-SiO2玻璃結合劑金剛石磨具中的金剛石表面鍍鈦對試條抗折強度的提高沒有影響。

周軍林[5]根據金剛石磨料的高溫熱穩定性,研究分析了金剛石磨料對陶瓷結合劑的性能要求。選擇Li2O-Zn O-SiO2系統玻璃(LZS玻璃)為研究對象,用Bi2O3-B2O3系統玻璃(BBS璃)對其進行改性和性能優化,并研制了新型微晶玻璃結合劑及其金剛石砂輪制品。

陳學偉[6]探討了基礎陶瓷結合劑的組成和混合添加劑分別對結合劑和磨具性能的影響,以及磨具的組織對磨具性能的影響,并對磨削測試結果進行了分析。

侯永改[7]設計了R2O-B2O3-SiO2系(RBS)、R2O-Al2O3-SiO2系(RAS)和R2O-Al2O3-B2O3-SiO2(RABS)三種玻璃結合劑,綜合測試了三種結合劑的性能,優選出基礎預熔玻璃料。

劉小磐[8]研究分析了陶瓷結合劑配方對結合劑性能的影響;采用溶膠-凝膠工藝在金剛石磨料表面涂覆一層致密的TiO2薄膜;優化了陶瓷結合劑金剛石砂輪的配方和制備工藝;將陶瓷結合劑金剛石砂輪應用于單晶硅材料的外圓磨削。

(2)陶瓷結合劑添加劑對磨具性能的影響

為了改善陶瓷結合劑的性能,需要加入適當的添加劑。添加劑的種類很多,人們研究最多的是金屬、堿金屬、堿土金屬、堿土金屬氧化物以及金屬微粉。以下就是近些年來人們對陶瓷結合劑添加劑對陶瓷結合劑性能的影響的研究。

魏征、關巖等[9]研究加入不同量的α-Al2O3對陶瓷結合劑結合性能的影響,并通過測試不同溫度、不同配比的陶瓷試條的抗折強度及晶相分析,深入探討陶瓷結合劑的結合機理及α-Al2O3所起的作用,并找出規律。

王鵬飛[0]向Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2基礎陶瓷結合劑中分別添加堿金屬氧化物(Li2O、K2O)、堿土金屬氧化物(Mg O、CaO、Sr O、BaO)、Zn O、TiO2、Bi2O3、CaF2等添加劑,研究添加劑對陶瓷結合劑性能的影響。

王鵬飛,李志宏,朱玉梅[1]研究了堿金屬氧化物Li2O、K2O2對Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2基礎結合劑性能的影響。

張小福[4]研究分析了B2O3、Na2O加入量對微晶玻璃結構和性能的影響,金剛石表面鍍鈦對其性能的影響。

侯永改等[2]分別研究了納米氮化鋁和燒結溫度對金剛石磨具用低溫陶瓷結合劑的結合強度和耐磨性的影響。

V.M.F.Marques,D.U.Tulyaganov,S.Agathopoulos等[3]通過鈣長石與透輝石的不同比例及不同燒結溫度、燒結粉末結晶的方法制得玻璃陶瓷。

王志起、萬隆等[4-16]分別探討了T i、Ni、鐵族金屬(Ni、Co、Fe)對R2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結合劑及金剛石磨具性能的影響。

侯永改[7]采用納米Al N3改性Na2O-B2O3-SiO2陶瓷結合劑磨具,研究分析了孔隙度對磨削PCD刀具用陶瓷結合劑金剛石砂輪的磨削性能的影響。

2.2 金剛石

2.2.1 金剛石對界面結合的影響

與其他磨料相比,金剛石磨料表現出優異的性能,首先,由于金剛石強度大、硬度高,因此,磨粒耐用度高;其次,金剛石導熱率高,故金剛石工具磨削溫度低;再次,因為金剛石熱膨脹系數小,所以金剛石工具使用壽命長。但由于金剛石在常溫常壓下為亞穩定態,耐熱性不高,并存在一些表面缺陷,因此在加工過程中常會發生氧化失重或石墨化等反應從而降低加工效率。另外,由于金剛石磨粒與結合劑之間一般是機械力鑲嵌,在強的磨削力的作用下金剛石磨粒極易脫落,進而使金剛石工具的使用壽命受到影響。因此如何提高金剛石的工具的加工效率和使用壽命,成為人們研究的重點。目前,通常采用對金剛石進行表面處理的方法來改善金剛石工具的加工特性,從而達到提高其加工效率和使用壽命的目的。

2.2.2 金剛石表面改性及研究現狀

金剛石表面改性是利用表面處理技術在金剛石顆粒表面鍍覆金屬或金屬氧化物,使其表面具有金屬或類金屬的性能。目前人們已經研究開發了許多種金剛石表面處理技術,對金剛石進行表面處理,如鍍鎳、鍍鈦、涂覆玉、鍍氧化鋁及復合鍍Ni-W-P等;金剛石表面各類處理技術的主要目的是:①對金剛石磨粒進行隔離保護,避免在燒結過程中結合劑或外部環境對其造成侵蝕損傷等;②改善金剛石與陶瓷結合劑的界面結合。鍍層在兩者之間起橋梁作用,將金剛石與結合劑牢固結合起來,從而提高磨料與結合劑之間的結合強度;③提高結合劑與金剛石磨粒之間的把持能力,防止金剛石因把持力不足而過早脫落,導致浪費金剛石;④提高金剛石工具的鋒利度和使用壽命。

金剛石表面鍍覆的主要方法有:化學鍍和電鍍、真空鍍、鹽浴鍍和溶膠凝膠法。

化學鍍是在無外加電流的條件下,通過自催化過程的氧化一還原反應在金剛石表面沉積金屬,從而形成厚度均勻、致密的薄膜鍍層。而電鍍是經化學鍍覆導電層后,為加厚或續鍍其他金屬層,被鍍金屬離子在電場力作用下撞擊金剛石表面后吸附還原結晶,在金剛石表面沉積金屬層的方法。劉宏、郭榮新、宗云等[8]研究分析了W的共沉積對Ni-P基合金鍍層熱處理晶化程度、晶粒尺寸的影響,并通過鍍層硬度測試、干摩擦條件下的磨損試驗以及SEM形貌觀察研究了鍍層的磨損行為。李太宗[9]通過分析兩種不同含磷量Ni-W-P合金沉積層熱處理晶化前后的顯微結構特征,揭示了化學沉積高磷含量Ni-W-P合金沉積層納米化及影響沉積層硬度的本質,進而研究高磷含量的Ni-W-P合金沉積層耐磨性及耐腐蝕性的影響機理。

真空鍍是指將強碳化物形成元素(如W、Ti、Cr、V、Mo、Nb等)通過真空鍍覆的方法沉積于金剛石表面,此方法需要真空設備,工藝復雜。目前常用的真空鍍覆技術主要有:真空物理氣相沉積鍍(PVD)、真空化學氣相鍍(CVD)、粉末覆蓋燒結。程文勝、劉一波、劉偉等[20]通過真空蒸汽法鍍鈦、化學鍍鎳、化學銅研究金剛石表面鍍覆不同金屬層對磨具的影響。處理過的金剛石和未處理的金剛石分別于陶瓷結合劑按一定比例冷壓燒結后,經測試發現,鍍鈦、鍍銅、鍍鎳都沒有顯著提高磨具的性能。

鹽浴鍍是在氯化物的鹽浴中加入鈦、鉻等金屬粉末,再將金剛石投入鹽浴中,在850℃～1100℃,鹽浴處理1～2h有熔融金屬的高粘著性和毛細管力的作用而獲得鍍覆層。該方法的鍍覆溫度高,鍍后從鹽浴中分離金剛石工藝復雜,鍍覆成本較高,但也有一些人認為此方法比較經濟適用,且鍍覆成本較低(小于0.1元)等。項東[21]通過分別采用化學鍍、化學鍍十復合鍍、鹽浴鍍鉻、鹽浴鍍鈦等分析比較金剛石表面鍍覆金屬的方法,并優化鍍覆方案。

溶膠凝膠法即采用合適的有機或無機鹽配制成溶液,然后加入能使之成核、凝膠化的溶液,控制其凝膠化過程得到具有球形顆粒的凝膠體,將經過洗滌處理的金剛石放入凝膠中,利用提拉的方法進行鍍膜,鍍覆一次后在一定溫度下烘干冷卻,并且反復浸漬涂膜兩次。劉小磐等[22]分別研究了金剛石表面涂覆鋁-硅-硼氧化物涂層;金剛石表面涂覆TiO2/Al2O3薄膜;溶膠-凝膠法制備TiO2溶膠,并采用浸漬的方法在工業金剛石表面涂覆TiO2薄膜。

3 界面結合情況及對把持力的影響的檢測

3.1 界面結合情況的檢測

陶瓷結合劑、金剛石的界面結合一般由陶瓷結合劑對金剛石的潤濕性、金剛石表面形貌、陶瓷結合劑的成分、添加劑等決定。對陶瓷結合劑、金剛石表面結合情況的檢測,主要方法有界面成分分析、界面形貌分析,以及斷口掃描等。通常利用以下分析方法進行檢測分析。

掃描電鏡 利用掃描電鏡(SEM)可以分析鍍覆前后、不同鍍層、不同方法鍍覆的金剛石表面是否鍍覆上了金屬;可以檢測鍍層的形貌、疏松致密程度、界面成分分布;判斷分析不同高溫下的熱損傷特征;檢測分析金剛石與陶瓷結合劑的界面成分及界面形貌。張小福等[4]通過SEM圖分析金剛石與陶瓷結合劑的界面結合情況。

X射線衍射 X射線衍射(XRD)分析利用特征峰來判別生成的金屬是晶型還是非晶型,鍍覆金屬與金剛石之間有無界面生成物,從而判斷金屬與金剛石之間是否發生化學反應、是否生成所需相;分析金剛石與陶瓷結合劑界面成分。張小福等[4]通過XRD分析了金剛石與陶瓷結合劑的界面結構。

3.2 界面結合情況對把持力的影響

陶瓷結合劑、金剛石的界面結合直接影響著陶瓷結合劑對金剛石的把持力。可以通過在調整好陶瓷結合劑的基礎上,利用正交試驗系統的分析研究陶瓷結合劑、金剛石的共同作用下,它們的界面結合對把持力的影響。

楊雪峰[23]研究探討了提高把持力的兩種方法,即提高結合劑的硬度和金剛石表面涂覆氧化鋁,并提出基于抗拉強度試驗的把持力檢測辦法。

4 小結

陶瓷結合劑對金剛石的把持力決定著金剛石磨具使用時的性能,以及金剛石工具的使用壽命。但是,目前對金剛石、陶瓷結合劑界面結合對把持力影響的研究還很少,需要進一步深化,從而可以從理論上分析控制,使得陶瓷結合劑對金剛石有合適的把持力,從而讓金剛石陶瓷結合劑磨具具有良好的使用性能。

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Influence of interface bonding of diamond and ceramic bond on the holding force

LI Xu-yan,LI Zheng-xin
(School of Materials,Henan University of Science and Technology,Henan 450001,China)

The holding force of ceramic bond to diamond is the key to the quality of vitrified diamond grinding wheel.In the paper,the influencing factors of the interface between ceramic bond and diamond,and also the influence of interface bonding on the holding force were analyzed.

diamond;ceramic bond;interface bonding;holding force

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0043-05

2013-03-12

李旭燕(1985-),女,碩士研究生,主要研究陶瓷金剛石磨具磨粒表面處理對把持力的影響。