納米組分優化對陶瓷結合劑強度的影響研究

劉鑫鑫,劉世凱,張吉祥

納米組分優化對陶瓷結合劑強度的影響研究

劉鑫鑫,劉世凱,張吉祥

(河南工業大學材料科學與工程學院,鄭州 450001)

以R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2為基礎陶瓷結合劑,在不改變原有結合劑配方的組成前提下,用納米Al2O3、納米SiO2、納米CaO部分取代原有配方中的Al2O3,SiO2,CaO成分,運用正交實驗的實驗方法,研究了納米組分優化對陶瓷結合劑抗折強度的影響。試驗結果表明：納米組分優化對結合劑抗折強度影響顯著,其中當部分替換納米Al2O3含量為2%、納米CaO含量為1%、納米SiO2含量為4%時,優化配方抗折強度最大,其抗折強度達到104.24MPa。

組分優化；納米材料；陶瓷結合劑；抗折強度

1 引言

隨著現代磨削加工中高精、高效和高速的三高要求的提出,對陶瓷磨具的性能要求也越來越高[1]。陶瓷磨具具有磨損少、使用周期長、磨削比高和切削鋒利等特點,在材料磨削加工方面具有重要應用前景[2]。為了適應現代加工磨削的需求,就必須要求磨具要有很好的強度,作為磨具的重要組成部分,陶瓷結合劑的強度對磨具的強度有著關鍵性的影響。目前,國內外學者主要研究了外加納米氧化物、氮化物和其它物質對陶瓷結合劑抗折強度的影響。He等[3]研究不同WO3含量對SiO2-B2O3-Al2O3-CaO系陶瓷結合劑結構和性能的影響。結果表明: WO3的添加提高了結合劑的抗折強度,其最大值為114MPa。Hou等[4]研究了納米Al N添加量對陶瓷結合劑結構和性能的影響。結果表明:納米Al N添加量為6.0wt%時,結合劑抗折強度最大。趙志偉等[5]研究了加入不同含量納米Ti(C,N)粉體的納米陶瓷結合劑體系。結果表明:加入量為6wt%時,陶瓷結合劑的抗折強度有明顯提高。以上大都是納米外加對陶瓷結合劑抗折強度的影響,而對陶瓷結合劑納米組分優化的研究還很少。

為了達到陶瓷結合劑高強度的要求,本實驗采用R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2為基礎陶瓷結合劑,運用正交實驗的設計方法,用納米Al2O3、納米SiO2、納米CaO部分取代原有配方中的Al2O3、SiO2、CaO成分,研究了其對陶瓷結合劑抗折強度的影響,以其得到高強度的納米陶瓷結合劑配方。

2 試驗

2.1 試驗原料

所采用的基礎陶瓷結合劑屬于R2O-ROSiO2-Al2O3-B2O3體系,所用原料為Al2O3、氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、硼酸、碳酸鈉和碳酸鉀。

2.2 正交試驗設計

本論文選取納米Al2O3、納米SiO2和納米CaO分別按一定比例替代基礎陶瓷結合劑中的Al2O3、SiO2和CaO,每一種納米組分選取三個水平,以抗折強度為考察指標,選用L9(34)型正交表,其中納米Al2O3為第一列,納米SiO2為第2列,第3列為空列,納米CaO為第4列。

2.3 試樣制備

把一定的原料按上述九組納米優化配方再加上對照組(原始配方)共10組進行分別稱量,分別經過球磨均勻、熔煉、水淬、干燥等工序,球磨至200目以細,得到10組陶瓷玻璃料,然后各加入一定量的潤濕劑,經過燜料,壓制成具有一定形狀的陶瓷結合劑樣條,再經干燥、燒結,最終得到10組陶瓷結合劑試樣。

2.4 結構與性能檢測

抗折強度的測試采用三點彎曲法,采用中國解放軍六九一三廠的電子萬能試驗機(CMT4504);采用德國布魯克AXS公司的X射線衍射儀(D8AA25)進行陶瓷結合劑的物相分析。

3 結果與討論

3.1 結合劑的抗折強度

本試驗共有9組正交試驗加上基礎陶瓷結合劑的對照組(編號0)共10組實驗,分別在680℃、730℃、750℃、810℃、830℃、850℃、870℃七種溫度下燒結并進行抗折強度的測定,單位為MPa。由于本試驗的樣品過多,且每種樣品的配方不同,樣品的燒結溫度以及燒結范圍都不盡相同,有的樣品在較低溫度下未燒結,沒有測量出抗折強度的數據。每組強度選取最大值,具體如表1所示。

3.2 抗折強度的正交分析

根據正交試驗設計,以抗折強度為指標通過極差法進行正交分析,具體結果如表2所示。

表1 抗折強度表Table 1 Bending strength

表2 抗折強度正交分析表Table 2 Orthogonal analysis of bending strength

續表2

通過極差分析法可知:(1)通過對比極差值可以得出三個因素對抗折強度的主次關系:納米氧化鋁＞納米氧化鈣＞納米氧化硅。(2)其中空列的極差大于納米氧化硅的,這表明不同因素之間存在較強的交互作用,進行相關研究時需進一步考慮。(3)結合因素主次順序也可以推斷最優方案為:納米氧化鋁含量為2%,納米氧化鈣含量為1%,納米氧化硅為4%,即為試驗表中第七組試驗。

3.3 抗折強度的因素趨勢圖

圖1(a)為納米氧化鋁因素趨勢圖,圖中可見隨著納米氧化鋁含量的提高,抗折強度也增大,在2%時達到最大;圖1(b)圖為納米氧化鈣趨勢圖,圖中抗折強度隨納米氧化鈣含量的提高呈先升后降的趨勢,即在1%時最大;圖1(c)圖為納米氧化硅因素趨勢圖,圖中曲線呈先降后升的趨勢,在納米氧化硅含量為4%時達到最大。

圖1 抗折強度因素趨勢圖Fig.1 Tendency chart of bending strength factors

3.4 陶瓷結合劑的XRD圖譜分析

如圖2所示,1#為基礎陶瓷結合劑在850℃下燒結的X射線衍射圖,2#為第7組在730℃下燒結的X射線衍射圖。對于2#,在15°到20°之間出現一個弱峰,經分析可知此峰為β-SiO2;在20°到25°之間出現了CaSiO3的弱峰,強度與β-SiO2的相差不大,在30°左右出現Ca2Al2SiO7,Al2O3,CaSiO33種不同的峰。Ca2Al2SiO7峰的出現說明納米材料的添加改變了原有組成結構,有利于新的晶相的形成[6]。

圖2 XRD曲線圖Fig.2 XRD graphs

4 結論

(1)結合劑配方納米組分的優化有利于提高其抗折強度,納米組分對抗折強度影響主次因素為納米氧化鋁大于納米氧化鈣大于納米氧化硅。

(2)最優的結合劑配方組分優化方案為:納米Al2O3含量2%,納米CaO含量1%,納米SiO2含量4%。其抗折強度達到104.24MPa。

[1] Biermann D,Weinert K,Jansen T,et al.High-technology grinding[J].Industrial Diamond Review,2008,4:24-29.

[2] 劉鑫鑫,劉世凱,鄧士煒.超硬磨具納米陶瓷結合劑研究進展[J].超硬材料工程,2016,28(6):46-49.

[3] Han J,He F,Wang L L,et al.Effect of WO3on the structure and properties of low sintering temperature and high strength vitrified bonds[J].Journal of Alloys&Compounds,2016,679: 54-58.

[4] Hou Y G,Qiao G Y,Shang Y,et al.Effects of nano-Al N and sintering atmosphere on microstructure and properties of vitrified bond[J].Composites Part B,2011,42(4):756-762.

[5] 陳飛曉,趙志偉,胡文萌.納米Ti(C,N)對CBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響[J].金剛石與磨料磨具工程,2016,36(2):49-54.

[6] 周琪,何峰,謝峻林,張文濤.低溫高強SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Na2O陶瓷結合劑的結構與性能研究[J].武漢理工大學學報,2014,36(9): 7-11.

CVD金剛石：切削復合材料的利刃

最近幾個月,位于德國凱澤斯勞滕的專業復合材料生產商Cir Comp公司,使用HORN的CVD金剛石刀具,加工了多種回轉對稱類的復合材質工件,例如:管子、支柱、桅桿及高性能滑動軸承。

以前PCD是加工復合材料的首選,但現在,CVD金剛石刀具在加工復合材料時體現的一流性能,遠遠地超過了PCD刀具。

復合材料是一系列的纖維和基材的組合。從微觀角度看,切削纖維可被視為在微秒的時間間隙內不斷改變切削角度的斷續切削——縱向、橫向、斜向,每一層纖維的走向都不同。

Horn最新的CVD厚膜金剛石刀片,使用特殊工藝生產,在加工復合纖維材料時是PCD刀具壽命的5～6倍。主要原因如下:CVD金剛石刀片的材質是99.9%的純凈金剛石,由20μm～25μm的均質晶體構成。而PCD是由金剛石和粘結劑構成的金剛石,含量略高于80%的刀具材質。

這就意味著CVD金剛石的硬度相對PCD可以出現很大幅度的提高,甚至比天然鉆石的硬度也稍高一些。CVD刀具使用精確的激光雕刻進行刃口倒圓,并可提供很高的刃口鋒利度。在激光雕刻過程中,單個的金剛石晶體會被切割掉,而不會出現磨削時的晶體破碎情況。這就意味著CVD金剛石刀具的鋒利程度是PCD刀具的10倍以上。使用激光還可以在CVD金剛石刀具上雕刻出多種斷屑槽。 (機經網)

Study of the Influence of Nano Component Optimization on Strength of Ceramic Bond

LIU Xin-xin,LIU Shi-kai,ZHANG Ji-xiang
(School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou,China 450001)

Influence of nano component optimization on bending strength of ceramic bond has been studied by orthogonal experiment.In the experiment,the composition of the original formula remains the same,and R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2has been used as basic Ceramic bond as constituents of Al2O3,SiO2,CaO been partially substituted by nano -Al2O3,nano-SiO2and nano-CaO.Result shows that nano component optimization has significant influence on bending strength of ceramic bond.The bending strength of the optimized formula reaches its maximum value(104.24MPa)when the contents of nano-Al2O3,nano-Ca O and nano-SiO2are respectively 2%,1%and 4%.

component optimization;nanomaterial;ceramic bond;bending strength

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0044-04

2017-05-12

河南省科技廳自然科學項目(152102210271);河南省教育廳自然科學項目(14B430019)

劉鑫鑫(1990-),男,河南商水人,碩士研究生,主要從事納米陶瓷結合劑的制備及應用研究。E-mail:18638764793@163.com。

劉世凱(1979-),男,河南登封人,博士,河南工業大學副教授,主要從事納米技術在超硬材料和磨料磨具中的應用研究。E-mail:shikai _liu@haut.edu.cn。

劉鑫鑫,劉世凱,張吉祥.納米組分優化對陶瓷結合劑強度的影響研究[J].超硬材料工程,2017,29(4):44-47.