淺析《超硬材料陶瓷磨具》教學中的典型實驗

趙志偉　侯永改　李寶膺

【摘 要】本文概述了《超硬材料陶瓷磨具課程實驗》課程的性質。通過介紹基本概念、實驗目的要求和實驗原理，分析每個典型實驗的必要性，加深學生對所學課程知識的理解，提高學生獨立操作實驗設備、分析問題和解決問題的能力。

【關鍵詞】超硬材料陶瓷磨具；課程；實驗

《超硬材料陶瓷磨具課程實驗》是一門專業實驗課，主要面向材料科學與工程相關專業的實踐教學工作。通過該實驗教學，使學生熟悉并掌握超硬材料陶瓷結合劑的常溫性能、高溫性能、熱學性能、力學性能和微觀結構等實驗項目的測試方法，熟練操作相關實驗分析設備，提高學生的動手能力和實驗操作技能[1]。本文簡要分析陶瓷結合劑線膨脹系數、耐火度（熔融溫度）、流動性和高溫潤濕性等典型實驗。

1 陶瓷結合劑的性能測試

1.1 線膨脹系數的測定

線膨脹系數是指在一定的溫度范圍內，當溫度升高1℃時，其線性尺寸的平均相對增加值。其測定方法雖然隨所使用的儀器的不同有所差異，但所得結果均能反映這一固有性能。由于不同材料其線膨脹系數不同，所以，磨料與結合劑的膨脹系數之間也同樣存在著差異。為了保證磨具的質量及磨削效率，在磨具制造過程中，結合劑和磨料的熱膨脹系數要相等或接近，這樣當溫度發生變化時，不致于產生熱應力而降低其結合強度，而且要求磨料和結合劑的線膨脹曲線具有同樣的變化趨勢。

結合劑的線膨脹系數測定，是將結合劑壓制成規定形狀的試樣，經熱膨脹儀測出試件的線膨脹量，然后根據線膨脹量計算出線膨脹系數。通過該實驗，使學生理解線膨脹系數的概念，掌握結合劑線膨脹系數的測定方法，了解差熱膨脹儀的工作原理及使用方法。

1.2 耐火度（熔融溫度）的測定

陶瓷結合劑的耐火度（熔融溫度）指結合劑在高溫軟化時的溫度。陶瓷結合劑的耐火度作為結合劑的重要性能指標之一，它直接影響陶瓷磨具的燒成溫度。當燒成溫度一定時，如果耐火度偏高，則會出現欠燒現象，陶瓷磨具的燒結程度就會變差，導致結合劑與磨粒的結合不牢固，最終影響陶瓷磨具的硬度和強度。如果耐火度偏低，燒成溫度偏高，則會出現過燒現象，燒成時出現大量的液相，結合劑的度變小，流動性增加，導致磨具的硬度增加，但容易使磨具出現發泡、變形等缺陷。因此，陶瓷結合劑的耐火度是制定磨具燒成溫度的主要依據[2]。

本實驗采用影像式燒結點測試儀測試結合劑的耐火度（熔融溫度），將制備的試樣放在陶瓷片或鉑片上，緩慢推入爐膛中心。當試樣熔融時，物體將不能保持原有的形狀，并且在該溫度下試樣的外形和形狀將發生很大的變化，原來投影呈矩形的圓柱體，將會發生直角鈍化，由原來的矩形變成半球形，此時對應的溫度即可確定為結合劑的耐火度（熔融溫度）。通過該實驗，使學生了解陶瓷結合劑耐火度（熔融溫度）的定義，掌握影像式燒結點測試儀測試結合劑耐火度（熔融溫度）的方法，并了解相關設備的使用方法及工作原理。

1.3 流動性的測定

結合劑的流動性指結合劑高溫熔體粘度的倒數。如果結合劑在高溫下的粘度越大，流動性則越差。反之，流動性則越好。結合劑的流動性對磨具產品的性能具有重要影響。如果結合劑的流動性過大，結合劑高溫狀態下的粘度則過低，會造成結合劑很容易從磨粒間流出，導致磨具制品變形。如果結合劑的流動性過低，那么結合劑在高溫壯態下的粘度過大，結合劑不容易流動，以至于不能勻地分布在磨粒之間，導致結合劑對磨粒的結合強度較低，最終影響磨具的強度[3]。對于碳化硅磨具，結合劑的流動性不宜過大，如果結合劑的流動性過大，熔融的結合劑會過早地覆蓋在碳化硅磨粒表面，從而隔絕磨粒與氧氣的接觸，使磨具中分解出來的碳不能被充分氧化，最終導致產品的黑心。因此，結合劑應具有適當的流動性，這樣既能夠實現結合劑在磨粒間的均勻分布，又能保證磨具具有良好的機械強度，并且不會出現變形、黑心等廢品。

本實驗采用平面流淌法測試結合劑的流動性。其步驟如下：取過篩后的結合劑樣品，加適量的濕潤劑并混和均勻，然后稱取5g樣品，并壓制成Φ15×15mm的圓柱體，干燥后放置于耐火板或光滑陶瓷磚上，并放入電爐內，按一定的升溫曲線進行升溫。試樣冷卻后，測量試樣流淌后的直徑（6處），并取算術平均值。結合劑的流動性等于試樣燒成流淌后的直徑與試樣燒成前直徑的比值。結合劑的流動性約通常在90%～130%之間，最高可達280%。通過該實驗，使學生了解結合劑的流動性的定義，掌握平面流淌法的測試過程和測試原理。

1.4 高溫潤濕性的測定

結合劑的高溫潤濕性指在高溫狀態下結合劑對磨粒的潤濕能力。當潤濕角等于0°時，結合劑可以完全鋪展到磨粒的表面，說明此時結合劑熔體對磨粒完全潤濕。當潤濕角在0°～90°時，說明此時結合劑熔體對磨粒可以潤濕。當潤濕角大于90°時，說明結合劑熔體對磨粒不潤濕。當潤濕角等于180°時，說明結合劑熔體對磨粒完全不潤濕。結合劑與磨粒的高溫潤濕性的大小是兩者能否產生良好結合的關鍵因素。如果潤濕角較大，則結合劑不能夠潤濕磨粒或對磨粒的潤濕性較差，導致結合劑很難均勻流散到磨粒表面，結合劑將不能與磨粒牢固包裹，從而造成結合劑與磨粒的結合強度較低，磨粒在磨削過程中容易脫落。因此，一般希望結合劑具有較高的高溫潤濕性。

本實驗采用采用高溫顯微鏡法測定結合劑的高溫潤濕性。測試步驟如下：取過篩后適量的結合劑，加水或糊精液混合均勻，然后壓制成Φ3×2.5mm的圓柱體。將試樣放置在采用細粒度磨料壓制的托板上，放入電爐內，按照一定的升溫曲線進行升溫，加熱到磨具燒成溫度附近時，對結合劑的熔融狀態進行觀察并照相，最后在照片上求出高溫潤濕角。通過該實驗，使學生了解結合劑高溫潤濕性的概念，掌握高溫潤濕性的測定方法，了解高溫顯微鏡的工作原理及使用方法。

2 結束語

上述實驗是陶瓷結合劑性能測試的部分典型實驗，使學生在對基本概念理解的基礎上，通過獨立操作相關實驗、撰寫實驗報告等過程，培養學生的動手能力、獨立思考和解決問題的能力。本專業教師應該在這些典型實驗的基礎上，進一步優化實驗內容和實驗步驟，以便更好地培養本專業的學生。

【參考文獻】

[1]侯永改.陶瓷磨具制造[M].北京：中國輕工業出版社，2010.

[2]陳敢新，呂智，章兼植，等.CBN砂輪陶瓷結合劑的研究進展[J].金剛石與磨料磨具工程，2003（5）：35-39.

[3]呂智，陳國華，徐西鵬.CBN砂輪陶瓷結合劑研究中的若干關鍵問題[J].礦冶， 2006（1）：33-37.