1　前言

由于陶瓷結(jié)合劑具有熱穩(wěn)定性較好,脆性、剛性較高和氣孔率可控等優(yōu)點(diǎn),使得陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪具備了強(qiáng)度較高、自銳性好、易于修整、容屑能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),因此廣泛應(yīng)用于汽車、航天、航空及精密切削工具制造等行業(yè)。陶瓷結(jié)合劑砂輪的強(qiáng)度主要取決于陶瓷結(jié)合劑本身的強(qiáng)度和結(jié)合劑與磨粒間的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合劑的組成是影響陶結(jié)合劑強(qiáng)度和結(jié)合劑與磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度的重要因素。

在陶瓷結(jié)合劑砂輪的制備過(guò)程中,堿金屬氧化物往往作為催熔劑引入結(jié)合劑中,從而有效地降低結(jié)合劑的耐火度,增大結(jié)合劑的高溫流動(dòng)性。由于過(guò)度添加堿金屬氧化物會(huì)增大結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù),降低磨具結(jié)合劑的強(qiáng)度,因此堿金屬氧化物的添加量要控制在較低的范圍內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)選取Na₂O-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系陶瓷結(jié)合劑作為基礎(chǔ)結(jié)合劑,研究了添加Li₂O對(duì)基礎(chǔ)結(jié)合劑的耐火度、流動(dòng)性、磨具的抗折強(qiáng)度,以及結(jié)合劑與磨粒界面結(jié)合情況的影響,從而為制備低溫高強(qiáng)陶瓷結(jié)合劑時(shí)Li2O的適宜含量確定及燒結(jié)工藝的優(yōu)化提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

2  實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)純的二氧化硅、無(wú)水碳酸鈉、硼酸和氧化鋁為原料，經(jīng)精確稱量、均勻混合后，在高溫熔塊爐中加熱至1250℃，保溫2小時(shí)，使其熔融后冷卻形成玻璃。將玻璃粉碎、過(guò)篩，得到粉末狀基礎(chǔ)結(jié)合劑。

通過(guò)添加Li₂CO₃向基礎(chǔ)結(jié)合劑中引入2 -10w%氧化鋁。參照磨料磨具行業(yè)常用方法測(cè)定不同氧化鋁含量結(jié)合劑的耐火度和流動(dòng)性。結(jié)合劑、白剛玉、臨時(shí)粘結(jié)劑以20：75：5的比例配制成型料，干壓成型為30*6*4mm3的磨具試條。將磨具試條在不同的溫度下燒成后用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定抗壓強(qiáng)度，壓頭加載速率為0．5mm/min。用環(huán)境掃描電鏡觀察試條折斷后的斷面形貌及磨料與結(jié)合劑的結(jié)合狀態(tài)。

3  結(jié)果與討論

3.1  添加氧化鋁對(duì)結(jié)合劑的耐火度及流動(dòng)性的影響

  不同氧化鋁含量結(jié)合劑的耐火度如圖l所示。從圖1中可以看出，隨著氧化鋁的含量增加，結(jié)合劑的耐火度比未添加時(shí)顯著降低；添加氧化鋁在0-6w%范圍內(nèi)結(jié)合劑的耐火度變化劇烈，之后耐火度變化趨于平緩。這主要是因?yàn)?/span>氧化鋁作為網(wǎng)絡(luò)改變體，使玻璃網(wǎng)絡(luò)中的Si-O鍵斷裂，玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)緊密度下降，所以玻璃的軟化溫度和結(jié)合劑的耐火度相應(yīng)降低。

不同氧化鋁含量結(jié)合劑的流動(dòng)性如圖2所示。由圖2可以看出，結(jié)合劑的流動(dòng)性隨著氧化鋁含量的增加而增大，相同組分的流動(dòng)性隨著溫度的升高而增大。添加氧化鋁使結(jié)合劑的耐火度降低，使結(jié)合劑熔融，出現(xiàn)液相，粘度降低。從而使結(jié)和劑的流動(dòng)性提高：相同組成的結(jié)合劑，隨著溫度升高，其高溫粘度降低，所以其流動(dòng)性進(jìn)一步增大。

3.2  添加氧化鋁對(duì)結(jié)合劑強(qiáng)度的影響

   圖3是不同氧化鋁含量結(jié)合劑所制磨具試條在830℃保溫2h條件下燒成后的抗彎強(qiáng)度。從圖中可以看出，試條的強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)氧化鋁含量為6w%時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。這可能是因?yàn)殡S著氧化鋁含量的增大，結(jié)合劑的耐火度顯著降低，結(jié)合劑在燒成溫度下的流動(dòng)性逐漸改善，從而有利于結(jié)合劑在磨料周圍均勻分布，改善了結(jié)合劑與磨料的結(jié)合，提高了磨具試條的強(qiáng)度。

但是，在氧化鋁含量超過(guò)一定值之后，作為網(wǎng)絡(luò)改變體的氧化鋁，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的破壞作用增強(qiáng)，會(huì)使結(jié)合劑強(qiáng)度變低。另一方面，較多的氧化鋁使結(jié)合劑耐火度過(guò)低，流動(dòng)性過(guò)大，容易導(dǎo)致磨具過(guò)燒而結(jié)構(gòu)疏松，從而使磨具試條的強(qiáng)度降低。

3.3  添加氧化鋁對(duì)磨具顯微結(jié)構(gòu)的影響

  不同氧化鋁添加量磨具式樣的顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。

   從圖4可以看出，添加2w%氧化鋁時(shí)，結(jié)合劑橋中存在少量氣孔，結(jié)合劑未充分玻化；隨著Li₂0含量的增大，結(jié)合劑玻化程度逐漸改善，結(jié)合劑橋中的氣孔數(shù)量減少、氣孔尺寸減小；添加6w%氧化鋁，結(jié)合劑玻化程度最好，結(jié)合劑橋玻化程度最好，結(jié)合劑橋較粗且與磨粒形成較好的結(jié)合界面。這與磨具強(qiáng)度開始隨著Li₂0

含量的增大而增大，至6%氧化鋁時(shí)磨具試條的強(qiáng)度最大的情況相一致。從該圖中還可以看出，在氧化鋁含量超過(guò)6w%后，磨具顯微結(jié)構(gòu)狀態(tài)又變差，結(jié)合劑橋中的孔洞增加，致密度變差，從與其強(qiáng)度降低的趨勢(shì)一致。這種結(jié)構(gòu)可能是由氧化鋁添加量較大、結(jié)合劑耐火度較低、流動(dòng)太大引起磨具過(guò)燒而造成的。

4  結(jié)論

(l）  隨著氧化鋁添加量的增大，結(jié)合劑的耐火度顯著降低。在0-6w%氧化鋁添加量范圍內(nèi)，結(jié)合劑的耐火度下降較快，之后耐火度變化趨于平緩。

(2）  隨著氧化鋁添力量的增加，結(jié)合劑的高溫流動(dòng)性增大。隨著溫度升高，相同組成結(jié)合劑的流動(dòng)性明顯增大。

(3）  當(dāng)氧化鋁添加量低于6w%時(shí)，隨著氧化鋁含量增大，結(jié)合劑玻化程度逐漸改善，結(jié)合劑與磨粒結(jié)合緊密，磨具試條的強(qiáng)度增大；氧化鋁含量高于6w%的組分，會(huì)因其顯微結(jié)構(gòu)的破壞和結(jié)合劑本身結(jié)構(gòu)的變化，使磨具強(qiáng)度降低。