納米碳化釩/鉻復合粉末對cBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響*

邱文星，趙志偉，陳飛曉，袁永帥，李 靜，劉曉慧

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

納米碳化釩/鉻復合粉末對cBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響*

邱文星，趙志偉，陳飛曉，袁永帥，李 靜，劉曉慧

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

為了探索在不同燒結溫度下納米碳化釩/鉻復合粉末對cBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響，實驗選用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統作為基礎陶瓷結合劑體系，向陶瓷玻璃料中加入6%質量分數的納米碳化釩/鉻復合粉末并分別在微波燒結爐中以不同溫度燒結制得納米陶瓷結合劑。實驗采用LCP-1差熱膨脹儀、CMT4504型電子拉伸試驗機、Stemi2000-C金相顯微鏡等測試分析儀器，分別對所得結合劑進行差熱分析、抗折強度、顯微結構分析等性能檢測。實驗結果表明：納米碳化釩/鉻復合粉末對結合劑性能有很大影響；加入6%納米碳化釩/鉻復合粉末能使陶瓷結合劑最大抗折強度從18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃);納米碳化釩/鉻可以減小陶瓷結合劑的密度，以700℃的溫度燒結時,結合劑密度從2.165g/cm3減小到1.256 g/cm3；以600℃燒結時,6%納米碳化釩/鉻復合粉末能使結合劑的流動性從145.8%增大為154.8%。

納米碳化釩/鉻粉末；cBN用陶瓷結合劑；不同溫度

0 引言

磨削作為零件加工的最后一道工序，其所用磨具是決定產品質量的重要因素。陶瓷結合劑cBN磨具具有磨削鋒利、磨具容易修整的特點，但由于陶瓷結合劑cBN磨具韌性差，脆性較大，這就使其在高速、超高速磨削領域的應用受到一定的限制[1]。陶瓷結合劑自身的性質對cBN磨具的性能和結構有著非常重要的影響。在適當的情況下，少量的添加物可以明顯改善結合劑的微觀結構[2]。將異質納米顆粒均勻分散在陶瓷基體中，并將其進行充分地復合、分散，可使納米陶瓷復合材料的耐磨性、韌性、高溫力學性能得到很大提高[3]。納米碳化釩和碳化鉻具有高熔點、高硬度、優良的熱導性等性能[4]。本實驗采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統作為基礎陶瓷結合劑，通過加入一定量納米碳化釩/鉻改性劑，制備了性能較為優異的納米陶瓷結合劑,并深入研究了納米碳化釩/鉻對cBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料及實驗設備

本實驗采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統作為基礎陶瓷結合劑體系進行研究，基礎陶瓷結合劑各物質純度及比例如表1所示。表2為結合劑中納米碳化釩/鉻復合粉末用量。

表1基礎陶瓷結合劑中各物質純度及比例

Table 1 The purity and proportion of all materials in the basic ceramic bond

原料純度(%)質量分數(%)SiO299.8%56Al(OH)399.020HBO399.813Na2CO399.56CaCO399.05

表2 結合劑中納米碳化釩/鉻復合粉末含量

實驗主要設備如下：

QM-3SP2行星式球磨機；101-1A電熱鼓風干燥箱； HY-1600℃ 高溫節能精密熔塊爐；Y41-25B2單柱校正型壓裝液壓機；RWS微波多功能實驗爐；LCP-1差熱膨脹儀；CMT4504型電子萬能材料拉伸試驗機；Stemi2000-C金相顯微鏡。

1.2 實驗步驟

實驗以SiO2、Al(OH)3、HBO3、CaCO3、Na2CO3為原料，按一定配比混合球磨至200目左右，壓制成塊后用高溫熔塊爐熔塊，對熔融玻璃料進行急冷烘干制得玻璃料，將制得的玻璃料干燥，球磨至200目，按6%比例加入納米碳化釩/鉻復合粉末，壓塊干燥后用微波多功能實驗爐進行燒結,得到納米碳化釩/鉻陶瓷結合劑樣品。

1.3 樣品檢測

采用CMT4504電子多功能試驗機對cBN磨具用陶瓷結合劑試樣條進行抗折強度測試。用LCP-1差熱膨脹儀對試樣進行差熱分析。采用ED-300A數顯固體密度計測量磨具試樣條的致密度。采用Stemi2000-C金相顯微鏡對產物的微觀形貌進行觀察和分析。

2 結果與討論

2.1 樣品的抗折強度

基礎陶瓷結合劑與添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的納米陶瓷結合劑在不同燒結溫度下得到的試驗樣品的抗折曲線如圖1所示。從圖中可以看出：基礎陶瓷結合劑的抗折強度隨溫度增加而減小，添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的納米陶瓷結合劑的抗折強度隨溫度變化規律為先增大后減小。在不同的燒成溫度下制得的納米陶瓷結合劑的抗折強度均比基礎陶瓷結合劑的抗折強度高。添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的陶瓷結合劑在600℃時抗折強度達最大值44.44MPa，基礎陶瓷結合劑在550℃時有最大值18.32MPa。

圖1 燒結樣品的抗折強度Fig.1 Bending strength of the sintered samples

2.2 樣品的差熱分析

圖2為空氣氛圍中添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的陶瓷結合劑的差熱分析圖。由圖2可知，整個升溫的過程中有兩個峰，峰的方向向下，說明反應是吸熱反應，反應溫度分別在134℃、307℃。此外，在134℃時峰的面積大于307℃時峰的面積，表明135℃的熱效應大。出現了吸熱峰的原因是基礎結合劑中的硼酸與氫氧化鋁等物質發生反應，反應是吸熱的，而且由于分解反應過程中放出氣體導致了玻璃料失重29.14%。當溫度慢慢達到900℃時，原材料的重量變化很慢，基本趨于穩定。

圖2 納米陶瓷結合劑差熱曲線圖Fig.2 Differential thermal curve of nano ceramic bond

2.3 樣品的體積密度

不同溫度下樣品的體積密度如圖3所示。基礎陶瓷結合劑的體積密度隨溫度的變化趨勢為先增大后減小，在700℃時出現最大密度為2.224 g/cm3，在600℃時出現最小密度為1.592 g/cm3。添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的結合劑在600℃之后其體積密度隨著溫度的增加而逐漸減小,且基本上其密度比未添加納米碳化釩/鉻粉末的結合劑小，在700℃時，其體積密度達到最小值0.997g/cm3。

圖3 燒結樣品的密度Fig.3 The density of yrh sintered samples

2.4 樣品流動性檢測

用600℃的溫度燒結時，基礎陶瓷結合劑與添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的陶瓷結合劑的抗折強度均較高，故實驗選用600℃溫度燒結的兩種結合劑檢測流動性，具體數據如表3所示。

表3 600℃時燒結樣品流動性

由表3可知，在未添加納米碳化釩/鉻粉末復合時，結合劑的流動性為145.8%，而添加6%納米碳化釩/鉻復合粉末后，其流動性提升到154.8%，由此可見納米碳化釩/鉻復合粉末能夠提升陶瓷結合劑的流動性。

2.5 樣品的顯微結構

用600℃的溫度燒結時，添加了6%納米碳化釩/鉻復合粉末的陶瓷結合劑的流動性較好，實驗選用微波法以600℃的溫度燒結的兩種結合劑作為掃描電鏡實驗樣品。觀察的局部圖像為陶瓷結合劑試樣條在做抗折強度時的斷面。圖4為掃描電鏡具體圖像。

圖4 600℃時燒結樣品的掃描電鏡Fig.4 The SEM images of sintered samples at 600℃

從圖4可以看出,在 600 ℃燒成時,添加6%納米碳化釩/鉻復合粉末的結合劑呈現比較均勻的玻璃相,氣孔數量多，氣孔圓滑 。比較基礎陶瓷結合劑的微觀結構可以看出, 基礎陶瓷結合劑氣孔數量明顯較少，且分布不均勻, 同時氣孔的形狀不規則。

3 結論

實驗以二氧化硅、氫氧化鋁、硼酸、碳酸鈣、碳酸鈉為原材料，加入6%納米碳化釩/鉻復合粉末，用微波燒結法制備了納米碳化釩/鉻陶瓷結合劑。對不同燒結溫度下所得的結合劑進行了差熱分析、抗折強度、顯微結構分析等性能檢測，得出以下結論：

(1)加入6%納米碳化釩/鉻復合粉末使陶瓷結合劑最大的抗折強度從18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃)。

(2)納米碳化釩/鉻的添加，可以減小陶瓷結合劑的密度，增大氣孔率。當使用700℃的溫度燒結時,結合劑密度從2.165g/cm3減小到1.256g/cm3。

(3)使用600℃燒結時,加入6%納米碳化釩/鉻復合粉末使結合劑的流動性從145.8%增大為154.8%。

[1] 程利霞，李志宏，朱玉梅，等.金屬Al粉對cBN磨具陶瓷結合劑性能的影響[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2008(05):44-47.

[2] Hyeong J k，Sung S R，Seongwon K，et al.Mechanical properties of new vitrified bonds for CBN grinding wheel [J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009,10(3):13-17.

[3] 陳飛曉，趙志偉，胡文萌. 納米氮化釩對陶瓷結合劑cBN磨具的性能影響[J]. 科技視界，2016(18):133+147.

[4] 郭文珺. 納米碳化釩和碳化鉻粉末的制備工藝及機理研究[D].南昌大學,2013.

InfluenceofNanoVC/Cr2C3onCompositePowderonPerformanceofCeramicBondforcBNGrindingTool

QIU Wen-xing, ZHAO Zhi-wei, CHEN Fei-xiao, YUAN Yong-shuai, LI Jing, LIU Xiao-hui

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001,China)

In order to study the influence of nano VC/Cr2C3on composite powder on performance of ceramic bond for cBN grinding tool at different sintering temperature, ceramic bond was prepared in the experiment with SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO system as the basic ceramic bond system, and nanoVC/Cr2C3on composite powder of 6% mass fraction was added into the ceramic frit and then sintered respectively in the microwave sintering furnace under different temperature. Performance tests of the prepared bond such as differential thermal analysis, bending strenth and microstructure analysis were carried out respectively by analytical instruments such as LCP-1 differential dilatometer, CMT4504 electron-tensile tester and Stemi2000-C metallurgical microscope. Result shows that nanoVC/Cr2C3on composite powder has significant influence on performance of ceramic bond; adding 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the maximum bending strenth of ceramic bond from 18.32MPa(550℃)to 44.44MPa(600℃); nanoVC/Cr2C3on can reduce the density of ceramic bond from 2.165g/cm3to 1.256 g/cm3under the sintering temperature of 700℃; 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the flowability of the bond from 145.8% to 154.8%.

nano VC/Cr2C3composite powder; ceramic bond for cBN grinding tool; different temperature

2017-03-24

邱文星(1997-)，E-mail：1275601142@qq.com; 趙 志 偉(1979-)，男，博士，副教授。

邱文星，趙志偉，陳飛曉,等.納米碳化釩/鉻復合粉末對cBN磨具用陶瓷結合劑性能的影響[J].超硬材料工程，2017，29(5)：34-37.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0034-04