淺析《超硬材料陶瓷磨具》教學(xué)中的典型實(shí)驗(yàn)

趙志偉　侯永改　李寶膺

【摘 要】本文概述了《超硬材料陶瓷磨具課程實(shí)驗(yàn)》課程的性質(zhì)。通過介紹基本概念、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)原理，分析每個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的必要性，加深學(xué)生對所學(xué)課程知識的理解，提高學(xué)生獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備、分析問題和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】超硬材料陶瓷磨具；課程；實(shí)驗(yàn)

《超硬材料陶瓷磨具課程實(shí)驗(yàn)》是一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，主要面向材料科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作。通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生熟悉并掌握超硬材料陶瓷結(jié)合劑的常溫性能、高溫性能、熱學(xué)性能、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測試方法，熟練操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析設(shè)備，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)操作技能[1]。本文簡要分析陶瓷結(jié)合劑線膨脹系數(shù)、耐火度（熔融溫度）、流動(dòng)性和高溫潤濕性等典型實(shí)驗(yàn)。

1 陶瓷結(jié)合劑的性能測試

1.1 線膨脹系數(shù)的測定

線膨脹系數(shù)是指在一定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，其線性尺寸的平均相對增加值。其測定方法雖然隨所使用的儀器的不同有所差異，但所得結(jié)果均能反映這一固有性能。由于不同材料其線膨脹系數(shù)不同，所以，磨料與結(jié)合劑的膨脹系數(shù)之間也同樣存在著差異。為了保證磨具的質(zhì)量及磨削效率，在磨具制造過程中，結(jié)合劑和磨料的熱膨脹系數(shù)要相等或接近，這樣當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，不致于產(chǎn)生熱應(yīng)力而降低其結(jié)合強(qiáng)度，而且要求磨料和結(jié)合劑的線膨脹曲線具有同樣的變化趨勢。

結(jié)合劑的線膨脹系數(shù)測定，是將結(jié)合劑壓制成規(guī)定形狀的試樣，經(jīng)熱膨脹儀測出試件的線膨脹量，然后根據(jù)線膨脹量計(jì)算出線膨脹系數(shù)。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解線膨脹系數(shù)的概念，掌握結(jié)合劑線膨脹系數(shù)的測定方法，了解差熱膨脹儀的工作原理及使用方法。

1.2 耐火度（熔融溫度）的測定

陶瓷結(jié)合劑的耐火度（熔融溫度）指結(jié)合劑在高溫軟化時(shí)的溫度。陶瓷結(jié)合劑的耐火度作為結(jié)合劑的重要性能指標(biāo)之一，它直接影響陶瓷磨具的燒成溫度。當(dāng)燒成溫度一定時(shí)，如果耐火度偏高，則會(huì)出現(xiàn)欠燒現(xiàn)象，陶瓷磨具的燒結(jié)程度就會(huì)變差，導(dǎo)致結(jié)合劑與磨粒的結(jié)合不牢固，最終影響陶瓷磨具的硬度和強(qiáng)度。如果耐火度偏低，燒成溫度偏高，則會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，燒成時(shí)出現(xiàn)大量的液相，結(jié)合劑的度變小，流動(dòng)性增加，導(dǎo)致磨具的硬度增加，但容易使磨具出現(xiàn)發(fā)泡、變形等缺陷。因此，陶瓷結(jié)合劑的耐火度是制定磨具燒成溫度的主要依據(jù)[2]。

本實(shí)驗(yàn)采用影像式燒結(jié)點(diǎn)測試儀測試結(jié)合劑的耐火度（熔融溫度），將制備的試樣放在陶瓷片或鉑片上，緩慢推入爐膛中心。當(dāng)試樣熔融時(shí)，物體將不能保持原有的形狀，并且在該溫度下試樣的外形和形狀將發(fā)生很大的變化，原來投影呈矩形的圓柱體，將會(huì)發(fā)生直角鈍化，由原來的矩形變成半球形，此時(shí)對應(yīng)的溫度即可確定為結(jié)合劑的耐火度（熔融溫度）。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解陶瓷結(jié)合劑耐火度（熔融溫度）的定義，掌握影像式燒結(jié)點(diǎn)測試儀測試結(jié)合劑耐火度（熔融溫度）的方法，并了解相關(guān)設(shè)備的使用方法及工作原理。

1.3 流動(dòng)性的測定

結(jié)合劑的流動(dòng)性指結(jié)合劑高溫熔體粘度的倒數(shù)。如果結(jié)合劑在高溫下的粘度越大，流動(dòng)性則越差。反之，流動(dòng)性則越好。結(jié)合劑的流動(dòng)性對磨具產(chǎn)品的性能具有重要影響。如果結(jié)合劑的流動(dòng)性過大，結(jié)合劑高溫狀態(tài)下的粘度則過低，會(huì)造成結(jié)合劑很容易從磨粒間流出，導(dǎo)致磨具制品變形。如果結(jié)合劑的流動(dòng)性過低，那么結(jié)合劑在高溫壯態(tài)下的粘度過大，結(jié)合劑不容易流動(dòng)，以至于不能勻地分布在磨粒之間，導(dǎo)致結(jié)合劑對磨粒的結(jié)合強(qiáng)度較低，最終影響磨具的強(qiáng)度[3]。對于碳化硅磨具，結(jié)合劑的流動(dòng)性不宜過大，如果結(jié)合劑的流動(dòng)性過大，熔融的結(jié)合劑會(huì)過早地覆蓋在碳化硅磨粒表面，從而隔絕磨粒與氧氣的接觸，使磨具中分解出來的碳不能被充分氧化，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的黑心。因此，結(jié)合劑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)合劑在磨粒間的均勻分布，又能保證磨具具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，并且不會(huì)出現(xiàn)變形、黑心等廢品。

本實(shí)驗(yàn)采用平面流淌法測試結(jié)合劑的流動(dòng)性。其步驟如下：取過篩后的結(jié)合劑樣品，加適量的濕潤劑并混和均勻，然后稱取5g樣品，并壓制成Φ15×15mm的圓柱體，干燥后放置于耐火板或光滑陶瓷磚上，并放入電爐內(nèi)，按一定的升溫曲線進(jìn)行升溫。試樣冷卻后，測量試樣流淌后的直徑（6處），并取算術(shù)平均值。結(jié)合劑的流動(dòng)性等于試樣燒成流淌后的直徑與試樣燒成前直徑的比值。結(jié)合劑的流動(dòng)性約通常在90%～130%之間，最高可達(dá)280%。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解結(jié)合劑的流動(dòng)性的定義，掌握平面流淌法的測試過程和測試原理。

1.4 高溫潤濕性的測定

結(jié)合劑的高溫潤濕性指在高溫狀態(tài)下結(jié)合劑對磨粒的潤濕能力。當(dāng)潤濕角等于0°時(shí)，結(jié)合劑可以完全鋪展到磨粒的表面，說明此時(shí)結(jié)合劑熔體對磨粒完全潤濕。當(dāng)潤濕角在0°～90°時(shí)，說明此時(shí)結(jié)合劑熔體對磨粒可以潤濕。當(dāng)潤濕角大于90°時(shí)，說明結(jié)合劑熔體對磨粒不潤濕。當(dāng)潤濕角等于180°時(shí)，說明結(jié)合劑熔體對磨粒完全不潤濕。結(jié)合劑與磨粒的高溫潤濕性的大小是兩者能否產(chǎn)生良好結(jié)合的關(guān)鍵因素。如果潤濕角較大，則結(jié)合劑不能夠潤濕磨粒或?qū)δチ５臐櫇裥暂^差，導(dǎo)致結(jié)合劑很難均勻流散到磨粒表面，結(jié)合劑將不能與磨粒牢固包裹，從而造成結(jié)合劑與磨粒的結(jié)合強(qiáng)度較低，磨粒在磨削過程中容易脫落。因此，一般希望結(jié)合劑具有較高的高溫潤濕性。

本實(shí)驗(yàn)采用采用高溫顯微鏡法測定結(jié)合劑的高溫潤濕性。測試步驟如下：取過篩后適量的結(jié)合劑，加水或糊精液混合均勻，然后壓制成Φ3×2.5mm的圓柱體。將試樣放置在采用細(xì)粒度磨料壓制的托板上，放入電爐內(nèi)，按照一定的升溫曲線進(jìn)行升溫，加熱到磨具燒成溫度附近時(shí)，對結(jié)合劑的熔融狀態(tài)進(jìn)行觀察并照相，最后在照片上求出高溫潤濕角。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解結(jié)合劑高溫潤濕性的概念，掌握高溫潤濕性的測定方法，了解高溫顯微鏡的工作原理及使用方法。

2 結(jié)束語

上述實(shí)驗(yàn)是陶瓷結(jié)合劑性能測試的部分典型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在對基本概念理解的基礎(chǔ)上，通過獨(dú)立操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等過程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考和解決問題的能力。本專業(yè)教師應(yīng)該在這些典型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，以便更好地培養(yǎng)本專業(yè)的學(xué)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1]侯永改.陶瓷磨具制造[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2010.

[2]陳敢新，呂智，章兼植，等.CBN砂輪陶瓷結(jié)合劑的研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程，2003（5）：35-39.

[3]呂智，陳國華，徐西鵬.CBN砂輪陶瓷結(jié)合劑研究中的若干關(guān)鍵問題[J].礦冶， 2006（1）：33-37.