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    1.1超硬磨具

    1.1.1超硬磨具简介

    磨具属于工具范畴。广义的讲,凡是在加工工序中起磨削、研磨、抛光工作的工具,都称为磨具,如在日常生产生活中常见的砂轮、砂纸等。磨具与其表面硬度不一致的被加工材料之间通过在一定的压力下发生相对运动而产生磨削、研磨、抛光等作用。

    在一般情况下,磨具由磨粒、结合剂和气孔三个部分构成,三者也构成了磨具的形貌特征,被称为磨具的三要素。

    在磨具的三要素中,磨粒是构成磨具的主要原料,是磨具起磨削作用的主要物质。其暴露在磨具表面上的众多棱角是加工工件的切削刃。

    结合剂是磨具中粘结磨粒的物质。它把磨粒粘结在一起,使之成为具有一定形状和强度的磨具,并使磨粒在磨削过程中具有一定的自锐作用。

    气孔是磨具中磨粒之间、磨粒和结合剂之间以及结合剂内部存在的间隙,其在磨具磨削过程中具有容屑、排屑和增强散热、冷却的作用。磨具气孔的多少和气孔的大小,可根据磨削用途通过调整配方来控制。

    1.1.2超硬磨具的分类

    按所使用的磨料分:金刚石超硬磨具和cBN超硬磨具。

    按结合剂种类分:树脂结合剂、金属结合剂、电镀结合剂和陶瓷结合剂超硬磨具四种。

    树脂结合剂主要是酚醛树脂。它是由苯酚和甲醛按一定的比例在催化剂的作用下聚合而制得的。用它成型的磨具通过热硬化成为具有一定耐火性和耐热性的固体,并且具有相当的弹性,但其不抗碱性溶液作用,强度也不太大,不能在线速度大于60m/s的高速磨削中使用。

    金属结合剂超硬磨具一般指烧结金属超硬磨具。金属结合剂制备的超硬工具以金刚石工具为主导。如各类锯片、钻头、磨辊和砂轮工具,金属结合剂金刚石磨具中应用最广泛的是青铜结合剂金刚石磨具。青铜结合剂金刚石砂轮比树脂结合剂砂轮强度高、耐磨,工作面积和形状保持性好,寿命长,可承受大负荷,但自锐性差、效率低。青铜结合剂砂轮宜用于首先考虑耐用而不是效率的场合。

    电镀结合剂是通过金属的电沉积方法得到的。镀层一般比较薄,结合力较大,抗宏观断裂的能力相当强,而且磨具也有较好的自锐性能,在较长时间内能满足磨削要求,并具有较高的锋利性,且具有优良的形状保持性能,因此特别适用于成型磨削;但由于其镀层较薄,故使用寿命短。

    陶瓷结合剂利用的是低熔点的陶瓷玻璃,在超硬磨料的热稳定性温度下通过烧结,使结合剂全部或部分熔融,成为有一定流动性的粘滞液体,将磨粒粘结包裹起来,位于磨粒间的陶瓷结合剂液相由于表面张力的作用将两颗粒拉紧;冷却后把磨料紧紧固结起来。陶瓷结合剂的磨具在烧结中产生了一定量的气孔,因此磨具有很强的自锐性和较低的热膨胀性;陶瓷的脆硬特性使得磨具具有弹性模量高,使用时变形小,加工精度高的优点。

    1.2陶瓷结合剂概述

    按陶瓷结合剂烧成温度(或耐火度)的高低来分,陶瓷结合剂分为高温和低温两大类。一般把耐火度高于1000℃以上的称为高温结合剂,这类结结合剂由长石、石英等无机非金属矿物和少量的添加化合物组成,其原料成本较低,结合剂的耐火度高,适用高温烧成,烧成后的磨具内物相不均匀,有大量的未融物质,常用作普通磨料磨具生产用结合剂。耐火度低于1000℃以下的称为低温结合剂,又分为两种类型,一类用于普通磨料磨具生产;另一类是超硬材料磨具剂。为满足低温烧成的要求,结合剂中一般要引入大量的熔剂性原料,这些熔剂原料若以矿物质或化工原料引入,在烧成升温过程中一方面将发生较大的体积变化,另一方面由于分解而产生大量的气体,不利于结合剂与磨粒之间的粘结,因此对这些原料应首先熔制成预熔玻璃。低温陶瓷结合剂所用玻璃料具有如下特点:

    (l)玻璃料的耐火度低,熔融温度适当,可以适用于低温烧成;

    (2)由于引入大量低熔原料,因此结合剂的热膨胀系数往往比较高;

    (3)结合剂的强度比较低。

    1.2.1陶瓷结合剂原料的分类

    陶瓷结合剂的种类根据用途不同,有很多种。超硬材料陶瓷磨具用结合剂原料一般分为两种:非玻璃料和玻璃料。

    非玻璃料一般为粘土,粘土在低温陶瓷结合剂中的主要作用是改善结合剂的可塑性及成型性,调整结合剂的耐火度和烧结范围,但在超硬材料陶瓷磨具结合剂中的用量很小。

    玻璃料则是低熔点、低膨胀、高强度玻璃。超硬材料陶瓷磨具结合剂用的主要原料为玻璃料。

    1.2.2陶瓷结合剂常用的玻璃料及其性质

    熔制玻璃料的主要原料有:

    (1)硼酸(H3BO3):硼酸熔点148℃,加热脱水成硼酐(B2O3),硼酐密度2.46g/cm3,熔点460℃。硼酸是往玻璃中引入B2O3的主要原料。

    (2)石英:石英的主要成分是SiO2,是向玻璃中引入SiO2的主要原料。

    (3)氧化锌:氧化锌的密度5.6g/cm3,熔点1975℃。它与硼酐形成硼锌玻璃,在磨具烧成过程中起催熔作用。

    (4)氧化铅(PbO):四角晶体呈黄红色,密度9.35 g/cm3,熔点888℃。能降低玻璃结合剂的耐火度,改善玻璃熔体的湿润性。

    (5)氧化锂:Li2O在结合剂玻璃料中具有催熔作用,并且可以改善结合剂对磨料的湿润性。

    (6)碳酸钠(Na2CO3):无水碳酸钠为白色粉末,密度为2.53 g/cm3,熔点为851℃,是往玻璃中引入Na2O的主要原料。

    (7)氧化铝:白色粉末,密度为3.65~3.70 g/cm3,熔点为2050℃。

    (8)碳酸钾:白色结晶粉末,密度为2.43 g/cm3,熔点为891℃。是往玻璃中引入K2O的原料。

    (9)氧化钛:TiO2的熔点1640℃,在玻璃料中具有一定的催熔作用,可以改善结合剂对磨料的湿润性能。

    1.2.3陶瓷结合剂的体系及其特点

    常见陶瓷结合剂体系包括铝硅酸盐玻璃系、硼硅酸盐玻璃系、硼铝硅酸盐玻璃系和铅玻璃系陶瓷结合剂。

    1.2.3.1铝硅酸盐玻璃系结合剂

    铝硅酸盐玻璃系陶瓷结合剂主要包括R2O-Al2O3-SiO2玻璃系结合剂和R2O-RO-Al2O3-SiO2玻璃系结合剂两大类。

    R2O-Al2O3-SiO2结合剂体系中R2O主要是Na2O、K2O。一方面,Na2O、K2O作为玻璃网络修饰成分可以使玻璃体系中的硅氧键断裂,起到降低玻璃粘度的作用,因此可以降低结合剂的耐火度,提高结合剂的流动性,对结合剂的热膨胀性也有较大的影响;另一方面,在Al2O3存在的情况下,Na2O、K2O提供的游离氧可以改变铝氧多面体的配位类型,使铝氧多面体参与玻璃结构网络的构建,从而实现Al2O3对结合剂性能的调节。Na2O、K<, SUB>2O在R2O-Al2O3-SiO2结合剂体系中含量较低,一般总含量不能超过15%。碱金属氧化物含量过高会降低磨具的使用性能,如减弱结合剂中玻璃相抵抗冷却液侵蚀的能力。因此,R2O-Al2O3-SiO2系结合剂中Al2O3、SiO2含量较高,所以结合剂的耐火度一般较高,结合剂的流动性也较差。其中,Al2O3、SiO2含量相对较少的为烧熔结合剂,多用于刚玉类磨具的制造;Al2O3、SiO2含量相对较多的为烧结结合剂,多用于碳化硅类磨具的制造。

    Al2O3和SiO2是结合剂中的基本成分,它们构成了玻璃网络的基本架构,从而提供结合剂的基体强度。Al2O3和SiO2可以提高结合剂的高温粘度和耐火度,降低结合剂的高温流动性。Al2O3/SiO2比例越大,磨具的烧结范围越宽,反之烧结范围较窄。在玻化后的冷却过程中,陶瓷结合剂在578℃左右石英晶体发生由β→α晶型转变,并伴随有较大的体积膨胀,这可能使结合剂桥中形成微裂纹。所以,含有较大石英颗粒的结合剂在烧成时,磨具必须在玻化温度附近保温足够长的时间使石英颗粒充分溶解,以保证结合剂桥的整体性。对于刚玉磨具,在烧成过程中刚玉磨料和结合剂相互作用,磨料表面的Al2O3溶解扩散到结合剂中,结合剂中的SiO2、K2O等也会溶解到刚玉中,它们在刚玉磨料与结合剂接触处形成一厚度10~100μm的过渡层。烧熔结合剂磨具在高温烧成过程中,由于Al2O3的溶入提高了结合剂的高温粘度,在一定程度上可以防止磨具变形。另外,Al2O3还可以提高结合剂的韧性,但对结合剂的热膨胀系数的影响不大。

    R2O-RO-Al2O3-SiO2结合剂体系中RO主要是MgO、CaO。Mg2+、Ca2+的电荷低、半径大,离子场强度比较小,它们一般作为网络修饰离子填充于网络结构孔隙处,对玻璃的性质起到一定的调节作用。RO引入到玻璃中使断裂后的桥氧与R2+相结合,所以RO对玻璃网络结构的影响不如R2O明显。因而RO降低结合剂的耐火度、提高结合剂的流动性和对结合剂的热膨胀性的影响都不如R2O显著。一般,R2O-RO-Al2O3-SiO2结合剂体系中RO的含量较少。

    1.2.3.2硼硅酸盐玻璃系结合剂

    硼硅酸盐玻璃系陶瓷结合剂主要是R2O-B2O3-SiO2系结合剂,其中碱金属氧化物多为Na2O。Na2O-B2O3-SiO2系玻璃具有较低的热膨胀系数、良好的热稳定性和化学稳定性。B2O3作为一种强助熔剂的引入,显著地降低了结合剂的耐火度,改善了结合剂的流动性、高温润湿性和反应能力等。而且,B2O3具有负的热膨胀系数,它可以和热膨胀系数较大的碱金属氧化物共同作用形成具有较低热膨胀系数的硼玻璃,从而使结合剂的热膨胀系数与磨料的热膨胀系数进行更好的匹配。这一类结合剂均属于烧熔结合剂,一般用于需要提高砂轮强度的场合,如粗粒度磨具、软级硬度磨具、高速砂轮等。

    B2O3对结合剂的强度及性能贡献可以从有关玻璃理论得到解释。当加入R2O和RO时,R2O或RO提供的自由氧使硼氧三角体[BO3]转变为完全由桥氧组成的硼氧四面体[BO4],硼的结构由层状结构转变成与硅氧四面体[SiO4]相似的三维空间架状结构,同时进入玻璃网络,从而使玻璃的网络得到加强。当加入量超过一定限度时,硼氧四面体[BO4]又会转变为硼氧三角体[BO3],玻璃结构和性质发生逆转。在引入R2O和RO的同时,玻璃的某些性质在性质变化曲线中会出现极大值或极小值。与相同条件下的硅酸盐玻璃相比,硼玻璃的性能随碱金属和碱土金属的加入量的变化规律相反,称之为“硼反常”现象。

    1.2.3.3硼铝硅酸盐玻璃系结合剂

    硼铝硅酸盐玻璃系结合剂是在硼硅酸盐玻璃的基础上加入Al2O3,形成以Na2O、B2O3、A12O3、SiO2为主要组分的结合剂体系。

    在Na2O-B2O3-SiO2玻璃中加入Al2O3后,Al3+使硼氧四面体中的B-O键断裂,使硼氧四面体转化为硼氧三角体,从而以铝氧四面体进入玻璃网络,如图1-1所示。Al2O3的加入也增大了Na2O-B2O3-SiO2玻璃中硼氧网络和硅氧网络的兼容性,较大的修饰离子停留在结构的空隙之中,保持了以铝代硅后网络的正负电荷平衡,保持了正常的交联结构,从而抑制了Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃的分相趋势,如图1-2所示。所以,适量Al2O3的加入可以提高硼硅酸盐系结合剂的强度。

    通过调节B2O3的含量及(Al2O3+B2O3)与(R2O+RO)的摩尔比可以得到具有较低耐火度、良好的流动性和高温润湿性、较高强度的硼铝硅酸盐玻璃系结合剂。B2O3加入量在15~25wt%的硼铝硅酸盐玻璃系结合剂具有较高的强度,能够减少结合剂的用量和提高磨具的磨削性能,且能够适应多种磨削类型的性能要求。




    图1-1 Al2O3对硼网络结构转变的影响

    图1-2 Al2O3对硼氧网络和硅氧网络的兼容性的影响

    1.2.2.4铅玻璃体系结合剂

    铅玻璃系结合剂主要是以PbO-B2O3-SiO2系玻璃为基础体系,再添加其它一些改性成分,如R2O、RO、ZnO等,以此来调节结合剂的性能。

    在硼硅酸盐玻璃中引入适量PbO能够降低结合剂的耐火度。PbO代替Na2O能够明显提高结合剂强度。PbO-B2O3在熔体中的结构不同于晶体,因此制品在冷却过程中不易析晶,这使得结合剂大部分成为均匀的玻璃相,也有利于结合剂在低于烧成温度下熔融,从而增大了结合剂的反应能力和润湿性,增大制品中结合剂的强度。

    但是,PbO毒性大,在玻璃熔融过程中容易挥发,对人体造成危害,磨削废液中残留的Pb2+也会污染环境,所以,近年来铅玻璃系陶瓷结合剂逐渐被无铅结合剂所取代。

    1.3陶瓷结合剂的主要性能及影响因素

    结合剂在磨具中起着粘结与把持磨粒的作用,它决定着磨具的强度、硬度、耐用度、自锐性、使用寿命等主要性能,同时也较大程度地决定着磨具的制造工艺性能,所以必须选择和研制出性能良好的结合剂。陶瓷结合剂的主要性能包括物理、化学、热学、力学等方面。

    1.3.1耐火度

    1.3.1.1耐火度的意义

    结合剂的耐火度是指能够抵抗高温作用而不熔融的性质,即结合剂在高温下软化时的温度。耐火度是结合剂的主要性能指标之一。如果结合剂的耐火度太高,烧成时烧结程度差,它与磨粒粘结不牢,影响磨具的硬度及强度,且对烧成温度的波动很敏感,使磨具硬度不稳;相反如果结合剂的耐火度太低,烧成时液相粘度小,将引起磨具的变形发泡。

    1.3.1.2影响耐火度的主要因素

    影响结合剂耐火度的主要因素

    (l)结合剂的化学成分:

    Al2O3、SiO2含量的增加,一般提高结合剂的耐火度;K2O、Na2O、Li2O、CaO、MgO等碱性氧化物含量及B2O3含量的增加,一般会降低结合剂的耐火度。

    (2)结合剂的粒度

    结合剂的颗粒度越细,结合剂的耐火度降低;结合剂的粒度越粗,结合剂的耐火度越高。

    (3)升温速度

    升温速度快,耐火度偏高;升温速度慢,耐火度偏低。

    1.3.2热膨胀系数

    1.3.2.1热膨胀系数的意义

    物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。某物体在温度t0时的长度为L0,温度升高到t时的长度为Lt,长度增量△L与温升△t之间存在以下关系:

    1.1超硬磨具

    1.1.1超硬磨具简介

    磨具属于工具范畴。广义的讲,凡是在加工工序中起磨削、研磨、抛光工作的工具,都称为磨具,如在日常生产生活中常见的砂轮、砂纸等。磨具与其表面硬度不一致的被加工材料之间通过在一定的压力下发生相对运动而产生磨削、研磨、抛光等作用。

    在一般情况下,磨具由磨粒、结合剂和气孔三个部分构成,三者也构成了磨具的形貌特征,被称为磨具的三要素。

    在磨具的三要素中,磨粒是构成磨具的主要原料,是磨具起磨削作用的主要物质。其暴露在磨具表面上的众多棱角是加工工件的切削刃。

    结合剂是磨具中粘结磨粒的物质。它把磨粒粘结在一起,使之成为具有一定形状和强度的磨具,并使磨粒在磨削过程中具有一定的自锐作用。

    气孔是磨具中磨粒之间、磨粒和结合剂之间以及结合剂内部存在的间隙,其在磨具磨削过程中具有容屑、排屑和增强散热、冷却的作用。磨具气孔的多少和气孔的大小,可根据磨削用途通过调整配方来控制。

    1.1.2超硬磨具的分类

    按所使用的磨料分:金刚石超硬磨具和cBN超硬磨具。

    按结合剂种类分:树脂结合剂、金属结合剂、电镀结合剂和陶瓷结合剂超硬磨具四种。

    树脂结合剂主要是酚醛树脂。它是由苯酚和甲醛按一定的比例在催化剂的作用下聚合而制得的。用它成型的磨具通过热硬化成为具有一定耐火性和耐热性的固体,并且具有相当的弹性,但其不抗碱性溶液作用,强度也不太大,不能在线速度大于60m/s的高速磨削中使用。

    金属结合剂超硬磨具一般指烧结金属超硬磨具。金属结合剂制备的超硬工具以金刚石工具为主导。如各类锯片、钻头、磨辊和砂轮工具,金属结合剂金刚石磨具中应用最广泛的是青铜结合剂金刚石磨具。青铜结合剂金刚石砂轮比树脂结合剂砂轮强度高、耐磨,工作面积和形状保持性好,寿命长,可承受大负荷,但自锐性差、效率低。青铜结合剂砂轮宜用于首先考虑耐用而不是效率的场合。

    电镀结合剂是通过金属的电沉积方法得到的。镀层一般比较薄,结合力较大,抗宏观断裂的能力相当强,而且磨具也有较好的自锐性能,在较长时间内能满足磨削要求,并具有较高的锋利性,且具有优良的形状保持性能,因此特别适用于成型磨削;但由于其镀层较薄,故使用寿命短。

    陶瓷结合剂利用的是低熔点的陶瓷玻璃,在超硬磨料的热稳定性温度下通过烧结,使结合剂全部或部分熔融,成为有一定流动性的粘滞液体,将磨粒粘结包裹起来,位于磨粒间的陶瓷结合剂液相由于表面张力的作用将两颗粒拉紧;冷却后把磨料紧紧固结起来。陶瓷结合剂的磨具在烧结中产生了一定量的气孔,因此磨具有很强的自锐性和较低的热膨胀性;陶瓷的脆硬特性使得磨具具有弹性模量高,使用时变形小,加工精度高的优点。

    1.2陶瓷结合剂概述

    按陶瓷结合剂烧成温度(或耐火度)的高低来分,陶瓷结合剂分为高温和低温两大类。一般把耐火度高于1000℃以上的称为高温结合剂,这类结结合剂由长石、石英等无机非金属矿物和少量的添加化合物组成,其原料成本较低,结合剂的耐火度高,适用高温烧成,烧成后的磨具内物相不均匀,有大量的未融物质,常用作普通磨料磨具生产用结合剂。耐火度低于1000℃以下的称为低温结合剂,又分为两种类型,一类用于普通磨料磨具生产;另一类是超硬材料磨具剂。为满足低温烧成的要求,结合剂中一般要引入大量的熔剂性原料,这些熔剂原料若以矿物质或化工原料引入,在烧成升温过程中一方面将发生较大的体积变化,另一方面由于分解而产生大量的气体,不利于结合剂与磨粒之间的粘结,因此对这些原料应首先熔制成预熔玻璃。低温陶瓷结合剂所用玻璃料具有如下特点:

    (l)玻璃料的耐火度低,熔融温度适当,可以适用于低温烧成;

    (2)由于引入大量低熔原料,因此结合剂的热膨胀系数往往比较高;

    (3)结合剂的强度比较低。

    1.2.1陶瓷结合剂原料的分类

    陶瓷结合剂的种类根据用途不同,有很多种。超硬材料陶瓷磨具用结合剂原料一般分为两种:非玻璃料和玻璃料。

    非玻璃料一般为粘土,粘土在低温陶瓷结合剂中的主要作用是改善结合剂的可塑性及成型性,调整结合剂的耐火度和烧结范围,但在超硬材料陶瓷磨具结合剂中的用量很小。

    玻璃料则是低熔点、低膨胀、高强度玻璃。超硬材料陶瓷磨具结合剂用的主要原料为玻璃料。

    1.2.2陶瓷结合剂常用的玻璃料及其性质

    熔制玻璃料的主要原料有:

    (1)硼酸(H3BO3):硼酸熔点148℃,加热脱水成硼酐(B2O3),硼酐密度2.46g/cm3,熔点460℃。硼酸是往玻璃中引入B2O3的主要原料。

    (2)石英:石英的主要成分是SiO2,是向玻璃中引入SiO2的主要原料。

    (3)氧化锌:氧化锌的密度5.6g/cm3,熔点1975℃。它与硼酐形成硼锌玻璃,在磨具烧成过程中起催熔作用。

    (4)氧化铅(PbO):四角晶体呈黄红色,密度9.35 g/cm3,熔点888℃。能降低玻璃结合剂的耐火度,改善玻璃熔体的湿润性。

    (5)氧化锂:Li2O在结合剂玻璃料中具有催熔作用,并且可以改善结合剂对磨料的湿润性。

    (6)碳酸钠(Na2CO3):无水碳酸钠为白色粉末,密度为2.53 g/cm3,熔点为851℃,是往玻璃中引入Na2O的主要原料。

    (7)氧化铝:白色粉末,密度为3.65~3.70 g/cm3,熔点为2050℃。

    (8)碳酸钾:白色结晶粉末,密度为2.43 g/cm3,熔点为891℃。是往玻璃中引入K2O的原料。

    (9)氧化钛:TiO2的熔点1640℃,在玻璃料中具有一定的催熔作用,可以改善结合剂对磨料的湿润性能。

    1.2.3陶瓷结合剂的体系及其特点

    常见陶瓷结合剂体系包括铝硅酸盐玻璃系、硼硅酸盐玻璃系、硼铝硅酸盐玻璃系和铅玻璃系陶瓷结合剂。

    1.2.3.1铝硅酸盐玻璃系结合剂

    铝硅酸盐玻璃系陶瓷结合剂主要包括R2O-Al2O3-SiO2玻璃系结合剂和R2O-RO-Al2O3-SiO2玻璃系结合剂两大类。

    R2O-Al2O3-SiO2结合剂体系中R2O主要是Na2O、K2O。一方面,Na2O、K2O作为玻璃网络修饰成分可以使玻璃体系中的硅氧键断裂,起到降低玻璃粘度的作用,因此可以降低结合剂的耐火度,提高结合剂的流动性,对结合剂的热膨胀性也有较大的影响;另一方面,在Al2O3存在的情况下,Na2O、K2O提供的游离氧可以改变铝氧多面体的配位类型,使铝氧多面体参与玻璃结构网络的构建,从而实现Al2O3对结合剂性能的调节。Na2O、K2O在R2O-Al2O3-SiO2结合剂体系中含量较低,一般总含量不能超过15%。碱金属氧化物含量过高会降低磨具的使用性能,如减弱结合剂中玻璃相抵抗冷却液侵蚀的能力。因此,R2O-Al2O3-SiO2系结合剂中Al2O3、SiO2含量较高,所以结合剂的耐火度一般较高,结合剂的流动性也较差。其中,Al2O3、SiO2含量相对较少的为烧熔结合剂,多用于刚玉类磨具的制造;Al2O3、SiO2含量相对较多的为烧结结合剂,多用于碳化硅类磨具的制造。

    Al2O3和SiO2是结合剂中的基本成分,它们构成了玻璃网络的基本架构,从而提供结合剂的基体强度。Al2O3和SiO2可以提高结合剂的高温粘度和耐火度,降低结合剂的高温流动性。Al2O3/SiO2比例越大,磨具的烧结范围越宽,反之烧结范围较窄。在玻化后的冷却过程中,陶瓷结合剂在578℃左右石英晶体发生由β→α晶型转变,并伴随有较大的体积膨胀,这可能使结合剂桥中形成微裂纹。所以,含有较大石英颗粒的结合剂在烧成时,磨具必须在玻化温度附近保温足够长的时间使石英颗粒充分溶解,以保证结合剂桥的整体性。对于刚玉磨具,在烧成过程中刚玉磨料和结合剂相互作用,磨料表面的Al2O3溶解扩散到结合剂中,结合剂中的SiO2、K2O等也会溶解到刚玉中,它们在刚玉磨料与结合剂接触处形成一厚度10~100μm的过渡层。烧熔结合剂磨具在高温烧成过程中,由于Al2O3的溶入提高了结合剂的高温粘度,在一定程度上可以防止磨具变形。另外,Al2O3还可以提高结合剂的韧性,但对结合剂的热膨胀系数的影响不大。

    R2O-RO-Al2O3-SiO2结合剂体系中RO主要是MgO、CaO。Mg2+、Ca2+的电荷低、半径大,离子场强度比较小,它们一般作为网络修饰离子填充于网络结构孔隙处,对玻璃的性质起到一定的调节作用。RO引入到玻璃中使断裂后的桥氧与R2+相结合,所以RO对玻璃网络结构的影响不如R2O明显。因而RO降低结合剂的耐火度、提高结合剂的流动性和对结合剂的热膨胀性的影响都不如R2O显著。一般,R2O-RO-Al2O3-SiO2结合剂体系中RO的含量较少。

    1.2.3.2硼硅酸盐玻璃系结合剂

    硼硅酸盐玻璃系陶瓷结合剂主要是R2O-B2O3-SiO2系结合剂,其中碱金属氧化物多为Na2O。Na2O-B2O3-SiO2系玻璃具有较低的热膨胀系数、良好的热稳定性和化学稳定性。B2O3作为一种强助熔剂的引入,显著地降低了结合剂的耐火度,改善了结合剂的流动性、高温润湿性和反应能力等。而且,B2O3具有负的热膨胀系数,它可以和热膨胀系数较大的碱金属氧化物共同作用形成具有较低热膨胀系数的硼玻璃,从而使结合剂的热膨胀系数与磨料的热膨胀系数进行更好的匹配。这一类结合剂均属于烧熔结合剂,一般用于需要提高砂轮强度的场合,如粗粒度磨具、软级硬度磨具、高速砂轮等。

    B2O3对结合剂的强度及性能贡献可以从有关玻璃理论得到解释。当加入R2O和RO时,R2O或RO提供的自由氧使硼氧三角体[BO3]转变为完全由桥氧组成的硼氧四面体[BO4],硼的结构由层状结构转变成与硅氧四面体[SiO4]相似的三维空间架状结构,同时进入玻璃网络,从而使玻璃的网络得到加强。当加入量超过一定限度时,硼氧四面体[BO4]又会转变为硼氧三角体[BO3],玻璃结构和性质发生逆转。在引入R2O和RO的同时,玻璃的某些性质在性质变化曲线中会出现极大值或极小值。与相同条件下的硅酸盐玻璃相比,硼玻璃的性能随碱金属和碱土金属的加入量的变化规律相反,称之为“硼反常”现象。

    1.2.3.3硼铝硅酸盐玻璃系结合剂

    硼铝硅酸盐玻璃系结合剂是在硼硅酸盐玻璃的基础上加入Al2O3,形成以Na2O、B2O3、A12O3、SiO2为主要组分的结合剂体系。

    在Na2O-B2O3-SiO2玻璃中加入Al2O3后,Al3+使硼氧四面体中的B-O键断裂,使硼氧四面体转化为硼氧三角体,从而以铝氧四面体进入玻璃网络,如图1-1所示。Al2O3的加入也增大了Na2O-B2O3-SiO2玻璃中硼氧网络和硅氧网络的兼容性,较大的修饰离子停留在结构的空隙之中,保持了以铝代硅后网络的正负电荷平衡,保持了正常的交联结构,从而抑制了Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃的分相趋势,如图1-2所示。所以,适量Al2O3的加入可以提高硼硅酸盐系结合剂的强度。

    通过调节B2O3的含量及(Al2O3+B2O3)与(R2O+RO)的摩尔比可以得到具有较低耐火度、良好的流动性和高温润湿性、较高强度的硼铝硅酸盐玻璃系结合剂。B2O3加入量在15~25wt%的硼铝硅酸盐玻璃系结合剂具有较高的强度,能够减少结合剂的用量和提高磨具的磨削性能,且能够适应多种磨削类型的性能要求。





    图1-1 Al2O3对硼网络结构转变的影

    图1-2 Al2O3对硼氧网络和硅氧网络的兼容性的影响

    1.2.2.4铅玻璃体系结合剂

    铅玻璃系结合剂主要是以PbO-B2O3-SiO2系玻璃为基础体系,再添加其它一些改性成分,如R2O、RO、ZnO等,以此来调节结合剂的性能。

    在硼硅酸盐玻璃中引入适量PbO能够降低结合剂的耐火度。PbO代替Na2O能够明显提高结合剂强度。PbO-B2O3在熔体中的结构不同于晶体,因此制品在冷却过程中不易析晶,这使得结合剂大部分成为均匀的玻璃相,也有利于结合剂在低于烧成温度下熔融,从而增大了结合剂的反应能力和润湿性,增大制品中结合剂的强度。

    但是,PbO毒性大,在玻璃熔融过程中容易挥发,对人体造成危害,磨削废液中残留的Pb2+也会污染环境,所以,近年来铅玻璃系陶瓷结合剂逐渐被无铅结合剂所取代。

    1.3陶瓷结合剂的主要性能及影响因素

    结合剂在磨具中起着粘结与把持磨粒的作用,它决定着磨具的强度、硬度、耐用度、自锐性、使用寿命等主要性能,同时也较大程度地决定着磨具的制造工艺性能,所以必须选择和研制出性能良好的结合剂。陶瓷结合剂的主要性能包括物理、化学、热学、力学等方面。

    1.3.1耐火度

    1.3.1.1耐火度的意义

    结合剂的耐火度是指能够抵抗高温作用而不熔融的性质,即结合剂在高温下软化时的温度。耐火度是结合剂的主要性能指标之一。如果结合剂的耐火度太高,烧成时烧结程度差,它与磨粒粘结不牢,影响磨具的硬度及强度,且对烧成温度的波动很敏感,使磨具硬度不稳;相反如果结合剂的耐火度太低,烧成时液相粘度小,将引起磨具的变形发泡。

    1.3.1.2影响耐火度的主要因素

    影响结合剂耐火度的主要因素

    (l)结合剂的化学成分:

    Al2O3、SiO2含量的增加,一般提高结合剂的耐火度;K2O、Na2O、Li2O、CaO、MgO等碱性氧化物含量及B2O3含量的增加,一般会降低结合剂的耐火度。

    (2)结合剂的粒度

    结合剂的颗粒度越细,结合剂的耐火度降低;结合剂的粒度越粗,结合剂的耐火度越高。

    (3)升温速度

    升温速度快,耐火度偏高;升温速度慢,耐火度偏低。

    1.3.2热膨胀系数

    1.3.2.1热膨胀系数的意义

    物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。某物体在温度t0时的长度为L0,温度升高到t时的长度为Lt,长度增量△L与温升△t之间存在以下关系:

    式中:比例系数α称为线膨胀系数,即物体在温度升高1℃时的相对伸长值。

    物体在t℃时的长度为:

    Lt=L0+△L=L0(1+α△t)

    物体的体积随温度的增长可表示为:

    Vt=V0(l+β△T)

    式中:β为体积膨胀系数,相当于温度升高1℃时体积的相对增加值。

    结合剂的膨胀系数与磨料的匹配性直接影响着磨具的强度、制造工艺和使用性能。若磨料的膨胀系数小于结合剂的膨胀系数,则产品在冷却时,结合剂的体积收缩比磨料大,结果结合剂桥将产生张应力,削弱了结合剂桥的作用。相反,若磨料的热膨胀系数大于结合剂的膨胀系数,当产品冷却时,磨料的体积收缩较大,磨粒拉离结合剂桥,削弱了结合剂桥的固结程度,磨削时容易脱落。因此结合剂和磨料的膨胀系数应相等或接近,这样当温度发生变化时,两者伸缩协调,不致于降低其结合强度。同时还要求结合剂的膨胀系数随温度的增长率是平缓的,不能发生突变,否则,当烧成升温速度较快时,磨具成品会出现裂纹。结合剂的膨胀系数也影响磨具的磨削性能,在磨削过程中,磨具进入磨削部分,若结合剂的膨胀系数大于磨粒的膨胀系数,由于磨削热的作用,结合剂产生一种压应力,更紧地把持着磨粒,使其不易脱落,表现为韧性的增加;相反磨粒易于脱落,表现为脆性的增加。

    1.3.2.2影响热膨胀系数的主要因素

    (l)化学成分

    根据玻璃化学理论,玻璃的膨胀系数取决于其化学组成,并符合加合法则,膨胀系数小的物质含量多,结合剂的膨胀系数也小;膨胀系数大的物质含量少,结合剂的膨胀系数也大。

    (2)晶体结构

    固体材料的膨胀系数很大程度上取决于其晶体结构类型和晶体点阵中质点间结合力大小。根据固体物理有关理论,质点间结合键强越大,同样的温差,质点振幅增加的越小,其平衡位置的位移量增加的就少,因此表观的热膨胀系数就较小。

    (3)烧后的物相组成

    在物相组成中,一般结构紧密的晶体相的膨胀系数都较大,而相应组成的玻璃相的膨胀系数较小。

    1.3.3流动性

    1.3.3.1结合剂流动性的意义

    结合剂的流动性是指结合剂高温熔体粘度的倒数。粘度大时,流动性就差;反之,流动性好。即:

    式中:——结合剂的流动性。

    ——结合剂的高温熔体粘度。

    可理解为阻碍着面积为1cm2的液体对距离1cm的另一以1cm/s速度运动着的同样液体层移动的内摩擦力。

    磨具的结合剂在烧成升温过程中,一方面不断增加液相量,另一方面液相的粘度又不断下降,即流动性不断增大,这种现象能促使结合剂较均匀的分布于磨粒之间,从而加强了磨具的机械强度,但结合剂的流动性过大时,有可能使产品产生变行。

    1.3.3.2影响结合剂流动性的因素

    (1)化学成分

    一般地,碱金属氧化物Na2O、K2O、Li2O能提高流动性,碱土金属氧化物MgO、CaO等也能提高流动性,而Al2O3、SiO2能降低流动性,B2O3含量在15%以下时降低流动性,大于15%时,能增加流动性。关于氧化物影响流动性的结论可从玻璃理论得到解释。

    (2)温度

    温度升高给熔体质点提供了较大的活化能。活化质点数目越多,流动性就越大;反之,就越小。玻璃熔体粘度与温度关系可用富格尔-弗尔希(Vogel-Fulcher)公式表示:

    式中:——熔体粘度;

    T——绝对温度;

    E、T0——常数;

    F——与粘滞流动活化能有关的常数。

    上式表明:温度上升,粘度下降,流动性增加。

    1.3.4高温湿润性

    1.3.4.1高温湿润性的意义

    结合剂的高温湿润性是指高温下结合剂熔体对磨料的湿润能力。结合剂熔体对磨粒的湿润性很差,熔体很难流铺到磨粒的表面,这样结合剂就不能将磨粒固结住,则磨具的强度低,磨粒容易脱落。因此,一般希望结合剂的高温湿润性尽可能大一些。

    1.3.4.2影响高温湿润性的因素

    (1)结合剂的化学组成:

    物质的化学组成决定着其本身的性质及表面张力。

    (2)颗粒的表面状况:

    表面粗糙度越大,湿润性能越强;表面如被污染,湿润状态会变差。

    1.3.5弹性模量

    1.3.5.1弹性模量的意义

    陶瓷结合剂试样受到拉伸或压缩时,会产生相应的弹性变形,应力与应变比例常数称为结合剂的弹性模量,见图1-3。

    式中:E——弹性模量,MPa;

    ——应变(即拉伸或收缩时试样长度的相对变量),=ΔL/L

    ——拉伸(或压缩)时试样受到的应力,

    其中=P/F。

    P——试样拉伸(收缩)时所受到的力,N;

    F——试样的截面积,mm2

    L——试样的长度,mm;

    △L——试样的变形量,mm

    弹性模量E反映了材料内部质点间的结合强度的大小。质点间结合力强,弹性模量就大,反之就小。结合剂的弹性模量直接影响磨具的弹性模量,弹性模量较大的结合剂,其磨具的弹性模量就大;磨具的弹性模量大,它的弹性差,刚性大,受外力作用时变形性差,E越大,越容易产生较大的热应力,若热应力超过坯体强度时,就会出现开裂现象。为降低热应力,防止砂轮出现开裂,应选择弹性模量较小的结合剂。

    1.3.5.2影响弹性模量的因素

    (l)结合剂的组成:

    结合剂的弹性模量与其组成有关。应变材料的弹性模量与各组成的弹性模量之间存在如下关系:

    E=E1Vl+ E2V2+……+EiVi

    式中:Ei——组分i的弹性模量;

    Vi——组分i的体积百分比;

    E——材料整体的弹性模量。

    若弹性模量大的组分的含量高,则结合剂总的弹性模量也大,若弹性模量小的组分含量高,则总的弹性模量就小。一般共价键材料的弹性模量大于离子键材料的弹性模量。如果结合剂是完全玻化的,则氧化物对弹性模量的提高作用依次为:

    Cao>Mgo>B2O3>Fe2O3>Al2O3>BaO>ZnO>PbO

    (2)气孔率

    当气孔率增大时,弹性模量和强度均会下降。气孔率小于50%时,弹性模量与气孔率有如下经验公式:

    E=E0(1-1.9P+0.9P2)

    式中:E——含有气孔的弹性模量,MPa;

    E0——无气孔的弹性模量,MPa;

    P——材料的气孔率,%。

    (3)温度

    温度升高,质点间距增大,相互作用力降低,弹性模量降低,加热到一定程度,结合剂出现液相而软化,弹性逐渐消失。

    1.3.6机械强度

    结合剂的机械强度指磨具产品抵抗外力作用而不被破坏的能力,包括抗拉、抗折、抗冲击、抗压强度。磨具的机械强度主要取决于结合剂本身的强度、结晶程度、显微结构以及与磨料热膨胀系数的匹配性等,且以抗拉强度为重点。

    1.3.6.1机械强度的意义

    (1)抗拉强度:砂轮在使用过程中,处于高速回转状态,产生很大的离心力,必须具有足够的抗拉强度来抵抗离心力的作用,以保证它不致破裂。

    (2)抗折强度:结合剂的抗折强度指磨具在受到弯曲应力作用时不发生破裂的极限能力。抗折强度大约相当于抗拉强度的3~3.5倍。

    (3)抗冲击强度:结合剂的抗冲击强度指磨具抵抗冲击载荷时的极限强度,是衡量结合剂脆性、韧性的依据。

    1.3.6.2影响强度的因素:

    (1)结合剂的化学组成

    结合剂的组成以玻璃相存在,玻璃强度理论认为:玻璃的化学组成对其强度的贡献复合加法法则,一般来说,在玻璃组成中,CaO、Bao、B2O3(15%以下)、Al2O3、ZnO等对强度的提高作用较大,MgO等对强度的影响不大。

    (2)结合剂的物相组成

    在相同条件下,玻璃相含量越多,强度越大。结合剂的物相组成影响了结合剂与磨料的结合状态,进而影响了结合强度。

    (3)结合剂的其它性能

    结合剂的其它性能包括:热膨胀系数、流动性、高温湿润性、弹性模量等与磨具的强度密切相关。这些性能对强度的影响不是彼此独立,而是相互影响的。

    (4)结合剂的显微结构

    决定结合剂强度的主要因素除了其组成外,就是其显微结构。材料的理论强度与实际强度相差很大是由于材料内部存在缺陷。格里菲斯(Griffith)提出了微裂纹理论解释了理论强度与实际强度的差异。

    断裂力学理论认为,材料断裂过程分两步:一是微裂纹的产生,二是裂纹的扩展。在材料一定的情况下,材料的断裂强度跟裂纹长度有直接关系,裂纹越长,越容易扩展,材料的强度越低;并且对磨具来说,硬度高且内部不含微裂纹的其韧性就大。所以,要提高结合剂和磨具的强度,必须尽可能消除其中的缺陷和裂纹源。

    结合剂中产生裂纹的原因有:结合剂与磨料的热膨胀系数差别较大,在结合剂桥与磨粒接触处易产生微裂纹;烧后的物相中,晶体与晶体的各相异性与不同取向而产生缺陷以及晶相与玻璃相的热失配而产生缺陷。

    (5)烧成工艺

    烧成工艺是决定结合剂中玻璃相量、晶相量、晶粒大小、气孔率以及气孔尺寸等的关键,所以对结合剂及磨具的强度的影响很大,因此必须有合理的烧成工艺。

    1.3.7把持能力

    1.3.7.1把持能力的意义

    结合剂对磨粒的把持能力通过砂轮的硬度来表现。砂轮的硬度是指砂轮表面层磨粒,受外力作用下从磨具表面脱落的难易程度。砂轮磨削时主要是磨粒与工件间力的作用,但当磨粒受外力作用时结合剂也将受到一定的外力作用。磨粒在磨削过程中逐渐变钝,径向压力增加,使结合剂破裂,被磨钝的磨粒就自动脱落,露出新的锋利磨刃。若结合剂的把持力较小,磨粒有可能在磨削力的作用下直接从砂轮表面脱落下来,这时砂轮的寿命很短,因此要求用结合剂对磨粒的把持能力强(即硬度高)的砂轮来磨削才能延长砂轮的寿命。

    1.3.7.2影响把持能力的因素

    (l)磨具的成型密度:磨具的成型密度越大,磨料从磨具中脱落越难,即结合剂对磨料的把持力越大;反之,结合剂对磨粒的把持力越小。

    (2)结合剂与磨料界面的结合情况:如果磨料表面经过镀覆金属Ti或镀覆玻璃等处理,结合剂与磨料的结合牢,结合剂对磨料的把持力就强,如果结合剂与磨料发生化学反应产生气体,则结合剂对磨料的把持力就差。

    (3)结合剂的类型:一般来说,对磨料的把持力强弱顺序为:微晶玻璃结合剂>纯玻璃质结合剂>烧结结合剂。

    实际应用过程中,结合剂对磨料的把持能力应与磨料的性能相匹配,磨料强度高时,要求结合剂的把持力强,以充分发挥磨料的高强度优势;磨料强度低时,要求结合剂把持力弱,否则磨具磨削时会出现烧伤、粘屑现象。

    1.4陶瓷结合剂的选择原则

    制造陶瓷结合剂超硬磨具,要求结合剂应该保证磨具有足够的强度及良好的磨削性能,并且具有良好的工艺性能。

    1.4.1结合剂的选择原则

    1.4.1.1根据磨料选择结合剂

    不同的磨料对结合剂的性能要求不一样,对于不同的磨料,所研制的结合剂的膨胀系数、高温湿润性等性能要与所选择的磨料以及填料相匹配。同时要根据超硬磨料热稳定性,选择相应烧结温度的结合剂。

    1.4.1.2根据磨削要求选择结合剂

    在磨削时,要减少工件烧伤,提高磨削效率,一般采用松组织磨具。尤其是对于超硬磨具,所研制的结合剂应该强度高、流动性好,才能保证磨具强度与硬度,所以应选择烧熔结合剂。

    1.4.2超硬磨料对结合剂的性能要求

    1.4.2.1结合剂的耐火度及烧成温度要低

    金刚石的热稳定性不高,在空气中受热到700℃以上时,开始氧化和石墨化,表面结构开始变化,强度降低,所以为避免磨料性能的劣化,金刚石陶瓷结合剂磨具必须使用低温陶瓷结合剂。cBN具有较好的热稳定性,承受1250℃~1350℃高温仍等保持高硬度,所以,cBN陶瓷结合剂磨具可选择烧成温度较高的结合剂。

    1.4.2.2结合剂的强度要求

    高速磨削所使用的砂轮必须具有足够高的强度,而砂轮的高强度主要由高强度的结合剂来保证的。

    1.4.2.3结合剂的膨胀系数要与磨料等磨具组成的热膨胀系数相匹配

    结合剂要与磨料的热膨胀系数尽量接近,不能相差太大,这样在磨具制造过程中受热作用时变化一致,从而保证磨料等组成与结合剂之间获得较牢固的结合,而不出现裂纹。因为超硬磨料膨胀系数较小,所以结合剂中要由低膨胀物质构成或能形成低膨胀物质的相的物质构成。

    1.4.2.4高温湿润性要好

    结合剂对磨料的高温湿润性直接影响结合剂对磨料的把持强度,高温湿润性好,结合剂与磨料之间的结合好,结合剂对磨料的把持强度就高,所以结合剂与磨料必须有较好的高温湿润性,才能保证磨料和结合剂之间的良好粘结。

    1.4.2.5结合剂与磨料之间应无明显的化学反应

    如果结合剂与磨料之间发生化学反应,反应产生的气体不易排出在磨料周围会产生气泡,影响结合剂对磨料的把持,另外对磨料表面结构及强度等性质有破坏作用。陶瓷结合剂超硬磨具是利用超硬磨料高硬度的特殊性能进行磨削的,为了保持超硬原有强度和高硬度的性质,结合剂与磨料之间应无明显的化学反应。

    1.4.2.6较好的导热性

    磨削时产生的热量如果来不及传递转移,就会烧伤工件,结合剂最好具有较好的导热性,从而提高磨具整体的导热性。陶瓷结合剂虽然是热的不良导体,但在磨具中存在很多气孔,热量能很快分散出去,因此陶瓷磨具是很多材料磨削时的理想工具。

    1.4.2.7具有良好的工艺性能

    良好的工艺性能包括良好的成型性能,较高的干、湿坯强度,较小的收缩率,不易出现变形、开裂、发泡等废品。