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氧化物对陶瓷结合剂超硬磨具 性能的影响

日期:2020/1/8
来源:中国研磨网《中国研磨》杂志

   1、 对陶瓷结合剂强度的影响

  魏征、关岩等人发现 a - Al2O3 对陶瓷结合剂强度的影响及其作用机理 [J] 金刚石与磨料磨具工程, 2007

  6: 58—61.

  影响陶瓷结合剂磨具性能的因素很多,例如结合剂、附加填料、烧成温度以及磨具中形成的气孔等等。已有研究表明,向坯料中加入 a - Al2O3 粉会使陶瓷结合剂的抗冲击强度、抗弯强度、热稳定性、密度、化学稳定性都得到提高。通常烧成温度越高,结合强度越大,但过高的烧结温度会使陶瓷制品变形,所以针对给定的陶瓷结合剂应掌握烧成温度与流动度及结合强度的关系,以确定适当的烧成温度。

  魏征等人针对一种适于制造超硬磨具的低温陶瓷结合剂,研究a - Al2O3填料在不同烧结温度下对结合剂强度的影响及规律,分析 a - Al2O3 填料与陶瓷结合剂之间的反应,探讨了 a - Al2O3 填料的作用及机现理。

  通过分析得到如下结论:

  (1)通过加入 a - Al2O3 提高结合剂的黏度,可有效防止试条在烧结过程中变形的发生;随着 a - Al2O3加入比例的增加,黏度持续增加,结合剂强度呈现先升后降的趋势,这表明在某一特定黏度下结合强度将达到最大值。

  (2)不同温度下烧结的试条强度的峰值所在位置发生偏移,这是由于随着烧结温度的升高,需要加入更大比例的 a - Al2O3 粉来调节其黏度,使其结合剂强度达到最大值。

  (3) 750℃ 烧结后, a - Al2O3 与陶瓷结合剂中的Li-Si-O 相发生反应生成 LiAl(SiO3) 2 晶相,该晶相在陶瓷结合剂中形成的微晶玻璃相起到钉扎裂纹的作用,防止其扩散、延伸,有助于增强陶瓷磨具强度。

  2、 对陶瓷结合剂性能的影响

  刘小磐,万隆等, Na2O含量对金刚石砂轮陶瓷结合剂性能的影响 [J] 金刚石与磨料磨具工程, 2007 5:50—52.

  陶瓷结合剂性能的好坏直接关系到金刚石磨粒优良性能否得到充分发挥,从而最终影响金刚石砂轮的磨削效果。所以陶瓷结合剂是研究陶瓷结合剂金刚石砂轮的关键因素之一。

  刘小磐等研究了Na2O含量对金刚石砂轮陶瓷结合剂的耐火度、抗折强度和膨胀系数等性能影响。

  2.1 对耐火度的影响

  随着结合剂中Na2O含量的增加,结合剂的耐火度迅速降低,且结合剂中Na2O含量越高,增加相同量的

  Na2O耐火度降低越大。这主要是因为,陶瓷结合剂中存在大量的[SiO4]结构,这些硅氧四面体相互联成网络结构,构成了结合剂中骨架。将Na2O引入结合剂中,Na2O提供了“自由氧”,部分“自由氧将会与硅氧四面体网络中的硅成键,断开了硅与硅之间的桥氧键,破坏了硅氧三维网络结构,因此降低了结合剂的耐火度。同时结合剂中还存在着硼氧三角体和铝氧八面体,它们倾向于夺取Na2O中的自由氧而变成硼氧四面体和铝氧四面体,而这些铝氧四面体和硼氧四面体与硅氧四面体相连,参与三维网络的构成,这会提高结合剂中玻璃结构的致密度,但对结合剂的耐火度影响不大。因此,当Na2O含量较低时,大部分自由氧被硼氧三角体和铝氧八面体夺取,与硅成键的“自由氧”相对减少,耐火度下降较慢。

  2.2 对抗折强度的影响

  一般认为,当结合剂中Na2O/(B2O3 + Al2O3)的摩尔比为 1 时陶瓷结合剂的本征强度最高,绝大部分B2O和 Al2O3 都转变为四面体参与网络结构成,因此强度高。实验结果表明,当结合剂中 Na2O/(B2O3 + Al2O3)的摩尔比为 0.5 时,试样抗折强度最高为 70MPa。这主要是因为,陶瓷结合剂砂轮的抗折强度不仅与陶瓷结合良剂的本征强度有关还和其他许多因素有关。金刚石与结合剂界面处产生了大量的气泡,这表明结合剂与金刚石磨料发生了化学反应,并有气体产生。从热力学角度来看在烧结温度下单纯的Na2O化合物相当稳定,不可能与金刚石起反应。但是,在结合齐剂中Na2O提供了“自由氧”,这类“自由氧”在结合剂中一端与 Na 相连,一端与 Si 相连,这种不对称结构必然导致氧原子的化学势升高,反应活性增强,在烧结温度下部分“自由氧”与金刚石反应产生CO2 气体,在烧结体内留下气泡。因此,结合剂中Na2O含量越高,结合剂与金刚石磨料的反应越剧烈,烧结体中的气泡越多,强度大幅度下降。

  2.3 对膨胀系数的影响

  在以往的研究中已有一些文献对碱金属氧化物对结合剂性能的影响做出了讨论,大致规律是,随着碱金属氧化物含量的提高,膨胀系数增大。由实验分析我们可以得出这样的结论: Na2O是从两方面对结合剂膨胀系数产生影响。一方面结合剂中Na2O含量的提高,增加了结合剂体系中自由氧的含量,破坏了结合剂中Si、 O 网络结构使膨胀系数增大 ; 另一方面当结合剂中Na2O含量较低时, Na2O加入可以抑制结合剂中析出磷石英,这有利于结合剂膨胀系数减小。两方面共同作用的结果:当含量较低时结合剂狡平均膨胀系数随Na2O含量的提高,增加缓慢,当 Na2O含量较高 ( 摩尔比大于 0,2 时 ),膨胀系数随 Na2O含量的提高迅速增加。

  3、金属氧化物对结合剂性能的影响

  于天彪,王学智等,高性能 CBN 砂轮陶瓷结合剂研究进展 金刚石与磨料磨具工程, 2015 2: 1—8.万隆等人研究了添加 Li2O、 ZnO、 MgO 对陶瓷结合剂性能的影响,发现单独添加 Li2O 能降低结合剂的耐火度提高结合剂的抗折强度, Li2O 的添加量与结合剂耐火度以及抗折强度的关系如图 1 所示;另外还发现,在降低耐火度方面 Na2O 比 Li2O 效果更显著;在研究 ZnO、 MgO 与 Li2O 比例时发现,当(摩尔比)Li2O: ZnO=2:1 时, MgO:Li2O=0.67:1 时, 结 合 剂 性能比较好。

  图 1 Li2O 摩尔分数对结合剂耐火度及抗折强度的影响

  钟彦征等对添加 BaO 的结合剂进行了研究,发现少量添加 BaO 能够增大结合剂的流动性,当 BaO 质量分数为 2% 时,陶瓷结合剂的流动性最佳。樊雪琴等对添加了 V2O5 的结合剂进行了研究,发现少量添加 V2O5 能够降低结合剂的热膨胀系数,同时发现结合剂的强度、硬度随着 V2O5 添加量的增加,出现先增大后减小的趋势,当 V2O5 的质量分数为 0.8% 时,各项力学性能指标最优。

  候永改等研究了 ZrO2 对陶瓷结合剂性能的影响,发现 ZrO2 添加使得陶瓷结合剂的耐火度提高,流动性变差,但是能够提高结合剂的抗折强度;当 ZrO2的质量分数为 1% 时,结合剂出现最大的抗折强度,此现象行得益于 ZrO4 细晶的析出。

  李志宏等研究了 CaO 的添加量对陶瓷结合剂性能的影响。研究表明,添加 CaO 能够降低结合剂的耐火度,但是同时也会降低结合剂的强度,少量的添加是允许的。

  王鹏飞等研究了 Li· OK2O(碱金属)、 MgO、CaO、 SrO、 BaO( 碱 土 金 属)、 ZnO、 TiO2、 Ba2O3等添加剂对陶瓷结合剂性能的影响,研究发现,碱金属氧化物对陶瓷结合剂性能的影响比碱土金属氧化物显著,碱土金属氧化物比其它氧化物影响显著;碱金属氧化物中 Li2O 对结合剂性能要大于 K2O;碱土金属氧化物对结合剂耐火度和流动性有一定的改善,对结合剂的强度有一定提高,其中对结合剂耐火度和流动性的影响顺序是 CaO > SrO > BaO > MgO,对结合剂强度的影响顺序是 CaO > MgO > BaO > SrO;ZnO、 Bi2O3 的添加有利于降低结合剂耐火度,改善结合剂的流动性, TiO2 使结合剂的耐火度升高,对结合剂的耐火度的影响不明显;另外此三种氧化物对结合剂的强度和显微硬度影响不大。

  宋鹏涛等,采用正交实验的方法研究了 MgO、P2O5、 CaCO3、 ZnO 四种添加剂对陶瓷结合剂熔融温度(与耐火度相关联系)和结合剂强度的影响,研究表明,在耐火度影响方面 P2O5 > MgO > ZnO >CaCO3, 在 抗 折 强 度 方 面 MgO > ZnO > CaCO3 >P2O5 ,综合考虑四种氧化物对结合良剂耐火度壳强度两个方面的影响,添加 MgO 可获得性能相对较优的陶瓷结合剂,并且 MgO 的添加量要控制在 1%--3%。

  4、稀土氧化物

  栗正新, La2O3、 CeO2、 Y2O3 对陶瓷磨具结合剂性能影响的研究,金刚石与磨料磨具工程, 2007 4:51--54.

  稀土作为添加剂、稳定剂、烧结助剂作用于各种陶瓷材料,可以极大地改善其性能,降低生产成本。稀土元素具有良好的表面活性,对陶瓷材料表面有润型湿性能从而降低陶瓷材料的熔点;在加热过程中可 以抑制晶粒生长,有利于致密结构的形成;掺入的稀土氧化物可以进入晶界玻璃相,使璃相壳强度得到提高;加入稀土氧化物易于形成低熔点液相,并通过颗粒之间的毛细管作用,促使颗粒之间的物质向孔隙中填充,使材料的孔隙率降低,致密度提高。因此栗正新通过正交实验研究稀土氧化物对陶瓷磨具结合剂耐火度和强度影响过程并得到如下结论。

  (1) Y2O3 的 含 量 从 0%、 2.5% 到 4.5% 变 化 时 结合剂耐火度的变化很小,说明 Y2O3 含量的变化对结合剂耐火度的影响不大。

  (2) CeO2 的含量从 0%、 1.5% 到 3.5% 变化时,结合剂耐火度变化很小,说明 CeO2 含量对结合剂耐火度的影响不大。

  (3) La2O3 的 含 量 从 0%、 0.75% 到 2.5% 变 化 时结合剂耐火度变化较大,降低了 1000C,说明 Y2O3 的添加对耐火度有明显的降低作用。但从 0.75% 到 2.5%变化时,变动值很小,可以认为是随机误差造成的,说明在 La2O3 含量大于 0.75% 时结合剂的耐火度不再发生变化。

  (4) La2O3, CeO2, Y2O3 对强度的影响的极差分别是 0.99, 1.16 和 2.92,说明对强度的影响显著性顺序是: Y2O3 > CeO2 > La2O3

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