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陶瓷结合剂CBN磨具强度的影响因素研究

日期:2017-9-7
来源:超硬天地

  文 / 李志宏 朱玉梅 (天津大学材料学院)

  袁启明 (天津大学电信学院)

  摘要:

  通过陶瓷结合剂本身强度、热膨胀系数与CBN(立方氮化硼)磨料的匹配性以及陶瓷结合剂CBN磨具的烧成温度等几方面对影响陶瓷结合剂CBN磨具强度的主要因素进行了探讨。研究结果表明:陶瓷结合剂的强度是影响CBN磨具强度的一个因素,但陶瓷结合剂本身强度的高低不是CBN磨具强度的唯一保证;结合剂与CBN磨料热膨胀系数的匹配性是影响CBN磨具强度的一个重要因素。通过实验发现,结合剂与CBN磨料的热膨胀系数之差应不大于5.2×10-6/K ;在一定烧结温度范围内,适当提高烧结温度,有利于提高结合剂桥相本身强度及结合剂与CBN磨料的结合强度。

  关键词:陶瓷结合剂;CBN磨具;强度;热膨胀系数;烧结温度

  磨削加工是一种重要的精密加工手段,其在机械精加工中所占比例高达40%以上。随着现代科学技术的发展,现代磨削加工越来越向着高速、高效、高精的方向发展。随着磨床制备技术水平的提高,对与其配套的磨削加工工具(磨具)的要求也随之越来越高,传统的普通磨具已不能满足高速、高效、高精度的磨削要求。立方氮化硼(CBN)磨料因其硬度很高,仅次于金刚石,且用CBN磨料制成的磨具具有耐热性好、热稳定性好、加工精度高、磨削温度低以及与铁族良好的化学惰性等优点,使其成为现代磨削中的首选工具。陶瓷结合剂CBN磨具是用陶瓷结合剂(玻璃相)作为桥相将CBN磨料结合起来的一类磨具,它结合了超硬磨料与陶瓷的优点,具有硬度高、耐热性好、形状保持性好、气孔率大、易排屑、不易烧伤工件、容易修整、磨削过程中自锐性好,使用寿命长等一系列优点,近年来成为满足高速、高效、高精度磨削加工所需磨具产品研究开发的热点。而磨具的强度是磨具使用速度、使用安全性、使用寿命(耐用度)的重要保证,所以研究陶瓷结合剂CBN磨具,首先需要研究磨具的强度,而了解其强度的影响因素是综合改进其强度的关键。

  1 实验

  1.1 试样制备

  用自制的陶瓷结合剂及国产100/120粒度的CBN磨料压制成35mm×6mm×4mm的试条。

  1.2 性能测试

  (1)结合剂耐火度的测定:采用三角锥法以锥倒温度为所测定耐火度温度。

  (2)强度测试:采用三点弯曲法,加载速度为0.5mm/min。

  (3)线膨胀系数:采用Lcp-1型差热膨胀仪,升温速度10℃/min。

  (4)密度及气孔率:采用阿基米德排水法。

  (5)SEM照片:采用XL-300Philips电子显微镜进行试样断口形貌分析。

  2 结果与讨论

  2.1 结合剂本身强度的影响

  本实验中共采用了3种不同组成的自制结合剂,其耐火度如表1所示。 我们以相同的成型密度制备了相同尺寸的结合剂试条,分别在低于其耐火度30度下烧结成较致密的试条,分别测试了其抗弯强度、密度及气孔率。其结果如表2所示。

  

 

  

 

  然后又在同样制备条件下,以相同的CBN磨料和结合剂配比,相同的成型密度制备出同样尺寸的试条,分别在高于其耐火度40度下烧结,其烧后性能如表3所示。

  

 

  从表2及表3可以看出,结合剂本身强度不同,陶瓷结合剂CBN试样的强度也不同,但并非结合剂本身强度高的,CBN试样的强度就一定高。C1与C2结合剂本身强度差别不大,但其CBN试样强度差别较大。所以,我们认为:陶瓷结合剂本身强度是影响其CBN磨具强度的一个方面,但结合剂本身强度的高低并不是其CBN磨具强度的唯一保证。

  2.2 结合剂热膨胀系数的影响

  通过上面实验我们发现,C1与C2结合剂本身强度差别不大,但其CBN试样强度差别较大。为此我们分别测试了3种结合剂的热膨胀系数(见图1),并进一步做了3种结合剂CBN试样的断口扫描电子显微镜分析(见图2)。从3种结合剂的热膨胀系数曲线看,C2结合剂的热膨胀系数最小,与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10-6 /K(20~500)较为接近,从其试样的断口SEM照片看,C2结合剂与CBN磨料的结合状态较好,所以其试样强度较高;而C1结合剂的热膨胀系数最大(20~500)的平均热膨胀系数为8.7×10-6/K与CBN磨料相差5.2×10-6 /K ),从其试样的断口 SEM照片看,C1结合剂与CBN磨料的界面结合处有裂纹存在。这种裂纹可能是在烧成过程中由于结合剂与磨料的热膨胀系数失配造成的。界面裂纹的存在是导致其强度下降的原因;而C3结合剂的热膨胀系数较C2的大但较C1的小,在其CBN试样的断口SEM照片中未发现裂纹。所以我们认为,陶瓷结合剂的热膨胀系数是影响其CBN磨具强度的一个重要因素,陶瓷结合剂与CBN磨料的热膨胀系数接近有利于提高其CBN磨具的强度。通过本实验我们认为,制备CBN磨具用陶瓷结合剂与CBN磨料的热膨胀系数之差不能超过 5.2×10-6 /K 。

  

 

  图1 结合剂热膨胀系数曲线

  

 

  图2 不同结合剂CBN试样的断口SEM照片

  2.3 烧结温度的影响

  由于C2结合剂本身强度较高且热膨胀系数较低,所以我们最终选取了C2结合剂为CBN磨料所用结合剂,并对不同烧结温度的影响进行了探讨。我们用C2结合剂制备的CBN磨具试条分别在680度,740度,780度,820度以相同的升温速度及保温时间进行了烧结,其中820度烧试样变形、发泡,未测其强度,其它温度烧试样强度测试结果见表4。

  

 

  从表4可以看出,随着烧成温度的提高,密度有所上升,气孔率有所下降,强度升高。

  

 

  图3 不同烧成温度试样的断口SEM照片

  从试样断口形貌看(图3),试样烧成温度较低时,结合剂桥相中气孔较多,结合剂桥强度较低,磨具破坏时从结合剂桥相中间较低的强度处断裂;而在较高烧成温度下,结合剂桥相中气孔较少,结构较为致密,结合剂桥强度较高,磨具破坏时沿磨料与结合剂界面处断裂,破坏强度较高。所以,我们认为,在不引起CBN磨料性能退化和磨具过烧变形等废品的情况下,适当提高烧成温度有利于提高结合剂与CBN磨料的结合强度,从而有利于提高磨具的耐用度及使用寿命。

  3 结论

  (1)陶瓷结合剂本身强度是影响陶瓷结合剂CBN磨具强度的一个因素,但结合剂本身强度的高低并不是其CBN磨具强度的唯一保证。

  (2)陶瓷结合剂与CBN磨料的热膨胀系数的匹配性是影响其CBN磨具强度的一个重要因素,结合剂与CBN磨料的热膨胀系数之差不能超过5.2×10-6 /K ,否则会对CBN磨具的强度产生不利的影响。

  (3)在一定温度范围内,适当提高烧结温度,有利于提高结合剂桥相本身致密及结合剂与CBN磨料颗粒的结合强度。

关键字:CBN磨具
[责任编辑:sing]
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