堿金屬氧化物Na2O對陶瓷結合劑金剛石磨具性能的影響

梅 濤，黃啟忠，王紹斌,潘富強,馮秀鵬,李洪雪

(1.中南大學,粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2.珠海市巨?？萍加邢薰?，珠海 519110)

0 引 言

精密加工是衡量一個國家制造技術水平高低的重要標志，是現代高技術產業發展的基礎。隨著現代工業技術的發展，人們對高精密機械加工磨具的性能要求越來越高。作為重要加工技術的磨削加工也面臨著技術革新，對超硬耐磨材料的性能要求也越來越高[1-6]。

陶瓷結合劑金剛石/立方氮化硼磨具是實現高速、高效、高精磨削的首選高性能磨具產品，已在汽車液壓挺桿、凸輪軸、曲軸、油噴油嘴、機床部件、軸承、刀具等許多加工用途中取得了很好的磨削應用效果，制備技術可以滿足各種規格模具需要，使用線速度可達160 m/s[7]。

國內對陶瓷結合劑磨具制品的研究與國外相比存在較大的差距，但近些年來國內的科研工作者們也做了大量的研究工作。主要有燕山大學、湖南大學、天津大學和河南工業大學團隊，另外中南大學、北京科技大學、武漢理工大學、鋼鐵研究總院等也有一些團隊進行陶瓷結合劑金剛石磨具的研究。研究方向主要集中在結合劑改性、造孔、結合劑增韌增強和磨料處理四個方面。

在結合劑改性方面：翟浩沖等[8]研究了添加Li2O、ZnO、MgO對陶瓷結合性能的影響，發現在特定的摩爾比(n(Li2O) ∶n(ZnO)=2 ∶1,n(MgO) ∶n(Li2O)=0.67 ∶1)下，該性能更為優異。李玉萍等[9]研究了LiF和CaF2對鋁硅系陶瓷結合性能的影響，研究表明，添加CaF2的結合劑有明顯的結晶性，并且與添加CaF2的陶瓷結合劑相比，添加LiF陶瓷結合劑的熔點低、強度高。王鵬等[10]研究分析了添加不同的堿金屬氧化物對鈉硼鋁硅為基礎體系的陶瓷結合劑的耐火度、熱膨脹系數、機械強度等的影響，發現不同的堿金屬氧化物對結合劑的影響效果相似，但程度上略有差別。于艷妍[11]在陶瓷結合劑中加入了氧化錫，研究發現，當添加9%(質量分數)的氧化錫時，樣品的強度最高，此時，結合劑的流動性和結合劑與磨粒的潤滑性、潤濕性都有了很大的提高。李志宏等[12]深入地研究了添加CaO對陶瓷結合劑的影響,發現隨著CaO含量的增加，陶瓷結合劑的耐火度降低，盡管CaO會使磨具強度降低，但在陶瓷結合劑磨具中適當引入CaO是可以的。

堿金屬氧化物Na2O作為陶瓷結合劑的重要組成成分，在結合劑改性方面存在著很大的研究價值。可以通過改變結合劑的耐火度、流動性、硬度和強度來影響陶瓷結合劑超硬材料磨具的使用效率與壽命。耐火度是結合劑在高溫下軟化時的溫度，直接影響著磨具的燒成溫度。流動性是指結合劑高溫熔體黏度的倒數，對磨具制造及產品性能有重要影響[13]。

結合劑與磨粒的結合狀態和結合劑本身的機械強度是影響磨具機械性能的重要因素。結合劑流動性好，能促使結合劑較均勻地分布在金剛石磨粒周圍并包裹磨粒，增加了磨具強度。若結合劑流動性過低，結合劑不易流動，不能均勻地分布于磨粒之間，會影響結合劑對磨粒的結合強度，從而影響磨具的強度[14]。單位體積內鍵的數目(即網絡結構的疏密程度)對結合劑的機械強度有著重要影響，堿金屬Na2O提供非橋氧，破壞網絡結構，使網絡結構稀疏，磨具強度降低[15]。

因此，研究堿金屬氧化物Na2O對陶瓷結合劑金剛石磨具性能的影響對探索高性能的金剛石磨具有重要意義?；诖?，本工作研究堿金屬氧化物Na2O與SiO2的不同含量比值對陶瓷結合劑金剛石磨具性能的影響。

1 實 驗

1.1 結合劑和磨具試樣的制備

陶瓷結合劑的原料是由二氧化硅、氧化鈉、氧化硼、氧化鋁，氧化鋅，氧化鎂等組成，各組分原料全部購于西隴化工，純度為分析純。表1為本文對照試驗所用的結合劑各組分與二氧化硅的摩爾比。

表1 陶瓷結合劑中各原料與二氧化硅的摩爾比Table 1 Molar ratio of each raw material to silica in the vitrified bond

首先，將陶瓷結合劑的原料稱重、均勻混合后加入剛玉坩堝中;然后將其置于熔塊爐中以5 ℃/min升溫至1 400 ℃，保溫3 h;再將熔融的液體迅速倒入水中淬冷;最后經球磨、干燥、過篩(200目(74 μm))得到結合劑玻璃粉原料。經激光粒度儀測得玻璃粉原料粒度為4 μm，并冷壓成高8 mm、直徑10 mm的圓柱生坯。

將結合劑、金剛石和石蠟按m(結合劑) ∶m(金剛石) ∶m(石蠟)=100 ∶40 ∶7的質量比均勻混合。再將混合料在5 MPa壓強下雙面冷壓成30 mm×6 mm×6 mm的條狀生坯和高8 mm，直徑10 mm的圓柱狀生坯。試樣在720 ℃下空氣氛圍中燒結并保溫2 h，然后自然冷卻至室溫。

1.2 分析和測試

采用SJY-1400影像式燒結點試驗儀測定，將等量的A1～A7結合劑玻璃粉原料按照指定的儀器磨具壓制樣品，然后放入儀器中進行耐火度測試，通過平面流淌法測試不同結合劑的流動性，升溫速率為3 ℃/min；將燒結完成的30 mm×6mm× 6 mm的條狀樣品放在萬能材料試驗機上進行三點抗彎測試，跨距為24 mm，加載速度為0.1 mm/min；采用HR-150DT 型洛氏硬度儀測定，將燒結完成的高8 mm、直徑10mm 的圓柱狀樣品進行測試，每組測表征磨具燒結試樣的硬度；將結合劑玻璃粉原料壓制成的圓柱狀生坯樣品用熱膨脹系數測試儀PCY測定結合劑的熱膨脹系數，以3 ℃/min的速率升溫至450 ℃,空氣氛圍；將經過抗彎強度測試后的樣品斷口用酒精清洗后，進行噴金處理，用FEIQUANTA-200 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的形貌結構；采用SIEMENs5000型X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)儀分析樣品的物相組成,測試范圍為5°～90°，掃描速度為5(°)/min。

2 結果與討論

2.1 Na2O含量對結合劑耐火度和流動性的影響

圖1、圖2顯示了不同Na2O摩爾含量(下同)對結合劑耐火度和流動性的影響，可以看出隨著結合劑中n(Na2O)/n(SiO2)比值的增大，結合劑的耐火度不斷降低，流動性不斷提高，這是因為堿金屬氧化物Na2O屬于網絡外體氧化物，提供非橋氧的能力強，起斷網作用，破壞硅氧三維網絡結構，結合劑中大型四面體群分解為小型四面體群，自由度活動度增大，結合劑抵抗高溫能力降低，流動性提高。

圖1 不同Na2O含量對結合劑耐火度的影響Fig.1 Influence of different Na2O content on refractoriness of the bond

圖2 不同Na2O含量對結合劑流動性的影響Fig.2 Influence of different Na2O content on fluidity of the bond

2.2 Na2O含量對磨具硬度和強度的影響

硬度和抗彎強度是衡量磨具機械性能的重要參數，一般情況下，抗彎強度高的試樣具有較高的洛氏硬度。圖3、圖4顯示了不同Na2O含量對磨具硬度和抗彎強度的影響，隨著結合劑中Na2O含量的增大，當n(Na2O)/n(SiO2)<0.1，結合劑的流動性增加，結合劑包裹金剛石的狀態良好，磨具強度和硬度不斷增大，n(Na2O)/n(SiO2)>0.1時，堿金屬Na2O含量過多，結合劑網絡結構破壞程度較大，網絡結構稀疏，磨具強度和硬度逐漸降低。當n(Na2O)/n(SiO2)=0.1，磨具強度(57.7 MPa)和硬度(117 HRB)取得最大值。

圖3 不同Na2O含量對磨具硬度的影響Fig.3 Influence of different Na2O content on hardness of abrasive tools

圖4 不同Na2O含量對磨具抗彎強度的影響Fig.4 Influence of different Na2O content on bending strength of abrasive tools

2.3 Na2O含量對結合劑熱膨脹系數的影響

圖5 不同Na2O含量的結合劑在450 ℃的熱膨脹系數Fig.5 Thermal expansion coefficient of bond with different Na2O content at 450 ℃

結合劑的熱膨脹系數與磨料的熱膨脹系數的匹配性對磨具的機械性能有很大影響。通常要求兩者相等或相近，這樣在溫度發生變化時，兩者伸縮一致，不會因產生熱應力而降低結合強度[16]。圖5顯示了不同Na2O含量的結合劑在450 ℃的熱膨脹系數，隨著結合劑中Na2O含量的增大，結合劑的熱膨脹系數不斷增大。玻璃結合劑的網絡骨架對膨脹起著重要作用，三維架狀結構越完整，玻璃的熱膨脹系數越小，但在堿金屬氧化物Na2O的斷網作用下，玻璃結構遭到破壞，熱膨脹系數增大。金剛石的熱膨脹系數為4.5×10-6K-1，A4、A5結合劑(n(Na2O)/n(SiO2)=0.1)的熱膨脹系數分別為4.6×10-6K-1、4.7×10-6K-1，兩者相差不大。結合劑A6和A7的熱膨脹系數與磨料相差較大，對應著抗彎強度降低，符合圖4抗彎強度變化趨勢。

2.4 顯微結構和XRD分析

圖6顯示了不同n(Na2O)/n(SiO2)(A1-0.4、A4-0.1、A7-0.16)金剛石磨具的微觀結構?？梢钥闯鰣D6(a)中空隙較多，存在很多連通孔，孔隙網絡化高，致密化程度低。圖6(b)中連通孔減少，隔離閉孔增多，致密化程度提高。圖6(c)中孔隙進一步減少，致密化程度進一步提高。圖6(d)中結合劑與金剛石磨料之間存在縫隙，結合不牢固，圖6(e)～(f)中結合劑和金剛石磨料完美結合，結合牢固。原因是A1、A4、A7樣品中結合劑Na2O含量依次增多，耐火度依次降低，流動性依次增加，結合劑包裹金剛石程度依次提高。耐火度偏高，燒結過程中結合劑不能很好地包裹磨料，結合劑與磨料結合不牢，磨具硬度和強度降低。

圖7為A4樣品的XRD譜，展示了材料的相結構和結晶性能，從圖中可知，在燒結之后，樣品中除了結合劑水淬形成的玻璃相和加入的金剛石相，結合劑中還產生新的結晶相——硅鋰石。圖8為A1～A7樣品的XRD譜，從圖中可以看出，結合劑中堿金屬氧化物Na2O含量變化對結晶相的種類不產生影響，7種樣品所產生的相結構相同，硅鋰石結晶相的含量不同。隨著結合劑中Na2O含量的增大，A1樣品到A7樣品，硅鋰石相的含量先增多后減少，A4樣品中硅鋰石相最多。這與磨具樣品的強度、硬度變化規律相同，所以結合劑中晶相的產生對磨具性能有一定的強化作用。

圖6 不同n(Na2O)/n(SiO2)(A1-0.4、A4-0.1、A7-0.16)陶瓷結合劑金剛石磨具斷面的微觀結構Fig.6 Microstructure of the cross-section of vitrified bond diamond abrasive tools with different n(Na2O)/n(SiO2) (A1-0.4, A4-0.1, A7-0.16)

圖7 A4結合劑的XRD譜Fig.7 XRD pattern of A4 vitrified bond

圖8 不同Na2O含量結合劑的XRD譜Fig.8 XRD patterns of vitrified bonds with different Na2O content

3 結 論

(1)堿金屬氧化物Na2O對陶瓷結合劑磨具樣品的硬度和強度的影響規律相似，隨著結合劑中Na2O含量的增大，磨具樣品的硬度和強度先增大后減小，當結合劑中n(Na2O)/n(SiO2)=0.1時，強度和硬度達到最大。

(2)SEM照片顯示，隨著結合劑中Na2O含量的增大，磨具樣品中孔隙數量不斷減少，孔隙尺寸不斷降低，樣品致密性不斷提高，結合劑能更好地包裹金剛石。

(3)XRD譜顯示，隨著結合劑中Na2O含量的增大，結晶相的數量先增大后減少。結合劑中產生的結晶相對磨具樣品有一定的強化作用，當結合劑中n(Na2O)/n(SiO2)=0.1時，結合劑中結晶相含量最多，樣品強度和硬度也達到最大。