不同添加劑對陶瓷金剛石砂輪性能的影響

郜永娟,李克華,蘇鴻良,劉權威,史林峰,韓 雪,趙秀香

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州 450013)

不同添加劑對陶瓷金剛石砂輪性能的影響

郜永娟,李克華,蘇鴻良,劉權威,史林峰,韓 雪,趙秀香

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州 450013)

文章研究了硼酸鋁晶須、鋁粉含量對陶瓷結合劑、陶瓷金剛石砂輪的物理性能及磨削性能的影響。研究發現,添加劑的引入會降低結合劑的流動性,5wt%鋁粉使結合劑的流動性提高了15.6%;添加劑的引入使結合劑抗折強度呈現先增加再減小的現象,當晶須或鋁粉添加量為3wt%時,結合劑的抗折強度提高10%～20%;5wt%硼酸鋁晶須使金剛石砂輪的抗折強度提高11%,且砂輪磨削更鋒利。

結合劑;金剛石砂輪;添加劑

陶瓷結合劑超硬磨具在磨削過程中,結合劑強度低會造成結合劑橋過早斷裂,進而引起磨具耐用度低、壽命低等問題。增強結合劑強度一直是各大專院校、研究院所及企業的研究方向。

目前,國內外很多學者已經研究了多種添加劑對結合劑性能的影響[1-11]。有學者[6]通過改變填充料粒度組成、向結合劑添加金屬鋁、鐵、銅和對結合劑進行預燒處理的方法來改善結合劑的性能,認為添加金屬粉末的含量與種類不同,性能變化有所不同,添加金屬鋁會使強度增加。亦有學者認為金屬粉的加入會降低結合劑強度,存在一定爭議。同時,鮮有對砂輪性能進行研究的具體數據。

本文分別添加1wt%、3wt%、5wt%的硼酸鋁晶須、鋁粉,觀察陶瓷結合劑及金剛石砂輪性能的變化規律。

1 試驗過程

1.1 試驗所需材料鋁粉:D50 37.866μm;硼酸鋁晶須:長徑比為6金剛石磨料;碳化硅磨料;硼鋁硅酸鹽陶瓷結合劑

1.2 試驗設備

(1)FEI公司Inspect S50掃描電子顯微鏡,測試所用加速電壓為10k V

(2)無錫建工試驗儀器設備有限公司KZJ-5型電動抗折試驗機

(3)上海光學儀器廠HR-150A型洛氏硬度計(4)朝陽機床廠M7435 A立軸圓臺磨床

1.3 試驗步驟

首先將不同種類、不同用量的添加劑加入到結合劑中混合均勻,分別制成尺寸為D15mm×h15mm的圓柱體測試其流動性,尺寸為40mm×6mm× 6mm的長條測試結合劑的抗折強度;其次將磨料、結合劑與不同用量的添加劑按照表1配方進行混料、成型、干燥、燒成,制成D20mm×h5mm的丸片和40mm×6mm×6mm的長條測試砂輪塊硬度及抗折強度,并檢測其斷面組織形貌;最后選擇一種含添加劑的砂輪進行磨削試驗,觀察分析添加劑對砂輪性能的影響。

表1 砂輪配方組成Table 1 Composition of grinding wheel

2 試驗結果分析

2.1 添加劑對陶瓷金剛石砂輪物理性能的影響

2.1.1 添加劑對陶瓷結合劑流動性和抗折強度的影響

將硼酸鋁晶須和鋁粉按照1%、3%、5%含量加入到結合劑中,混合壓制燒成后在相同溫度下測試其流動性和抗折強度,結果如圖1所示。

圖1 不同添加劑對結合劑流動性和抗折強度的影響Fig.1 Influence of additives on liquidity and bending strength of binder

通過圖1可看出:(1)圖1(a)顯示,隨著硼酸鋁晶須的增加,結合劑的流動性有一定程度的下降,且下降趨勢基本相同。說明此溫度下晶須并不影響玻璃網絡結構,僅僅相當于加入第二相,增加熔體黏度,使流動性下降。但圖1(b)顯示添加3wt%鋁粉后結合劑的流動性提高了15.6%,一般認為鋁粉易生成氧化鋁進而對玻璃粉具有助熔作用,也有可能是細粒度鋁粉氧化完全,且低溫氧化為多孔性型氧化鋁,因此使結合劑流淌半徑增加。(2)隨著添加劑含量的增加,結合劑抗折強度均呈現出先增加后減小的現象,說明添加劑的含量有一個最優值。添加劑對結合劑抗折強度提高程度(600℃/610℃)分別為硼酸鋁晶須(4.3%/10.8%)、鋁粉(4.37%/12.38%)。(3)不同燒結溫度下,結合劑流動性有差異。此狀況對添加鋁粉的結合劑性能影響較大,主要是因為鋁粉的添加對結合劑的流動性影響較大,進而影響其燒結溫度范圍。綜上,兩種添加劑均對結合劑的流動性和抗折強度有一定影響,所以將其添加入砂輪中觀察其具體性能的影響程度。

2.1.2 添加劑對金剛石砂輪物理性能的影響

將硼酸鋁晶須、鋁粉按照1%、3%、5%含量加入到結合劑中,與金剛石、輔助磨料混合壓制燒成后在相同溫度下測試其強度和組織形貌,結果如圖2和圖3所示。

圖2 添加劑對金剛石砂輪抗折強度和洛氏硬度的影響Fig.2 Influence of additives on bending strength and Rockwell hardness of the dimond grinding wheel

由圖2可看出:(1)圖2(a)顯示,隨著晶須含量的增加,砂輪的抗折強度呈先略減小再增加趨勢,且添加5%時,砂輪抗折強度增加約11%。因為增加硼酸鋁晶須含量,一方面抑制了硼玻璃中方石英的析出,另一方面起了晶須強化作用[9-10]。砂輪洛氏硬度有減小趨勢,但變化不大。此處結果與單純添加到結合劑后的性能變化趨勢有一定差異,這是由于結合劑中添加硼酸鋁晶須會提高耐火度,結合劑的燒結溫度范圍比砂輪燒結溫度范圍窄導致相同溫度下晶須含量的增加而減弱結合劑強度。(2)圖2(b)顯示隨著鋁粉含量的增加,砂輪的抗折強度及洛氏硬度均呈下降趨勢,與單純添加到結合劑后的性能變化趨勢不同。通常,適量金屬粉可以起到彌散增強增韌的效果,但過量金屬粉會導致增加裂紋形核和擴展的幾率。此處結果主要是由于砂輪燒結溫度＞鋁粉熔點,鋁粉的熔融減弱了結合劑網絡結構強度。

圖3 不同添加劑的金剛石砂輪SEM圖片Fig.3 SEM images of grinding wheels with different additives

由圖3可看出:(1)添加晶須后,磨料包裹較好,磨料間結合劑氣孔較少,而且結合劑本身強度也有增加,因此增強了砂輪強度。(2)添加鋁粉后,砂輪的組織形貌無明顯變化,推斷此時結合劑對磨料把持力減弱,因此減弱了砂輪強度。

綜上,添加晶須有利于提高金剛石砂輪物理性能,添加鋁粉不利于提高金剛石砂輪物理性能,對其磨削性能的影響還需要驗證。

2.2 添加劑對砂輪磨削性能的影響

采用實驗砂輪在實驗室進行磨削軸承鋼材料試驗,研究硼酸鋁晶須對砂輪磨削性能的影響規律,測試砂輪的露刃高度和磨削比,結果見圖4。

圖4 晶須對砂輪露刃高度和磨削比的影響Fig.4 Influence of Whisker on due height and grinding ratio of the grinding wheel

在磨削過程中發現:(1)未添加硼酸鋁晶須的砂輪(HRB硬度為75)磨削時單次最大進刀量0.04mm,機床震動較大,砂輪表面磨屑相對較多,工件表面粗糙度Ra為0.348;(2)添加5%晶須砂輪(HRB硬度為60)磨削時單次最大進刀量為0.055mm,機床震動正常,砂輪表面磨屑較少,工件表面粗糙度Ra為0.416。

從圖4可以看出:(1)砂輪添加硼酸鋁晶須后,雖然露刃高度由27μm降至22μm,但是磨削過程較平穩,工件表面粗糙度增加,說明砂輪鋒利性有較大提高。(2)砂輪添加硼酸鋁晶須后,磨削比由37降至23,主要是因為未添加砂輪黏屑多,且磨削量較少,因此測量數據有一定誤差。

由上述數據看出,砂輪在添加硼酸鋁晶須后硬度降低,利于修整,因此砂輪鋒利性更好。另外,結合劑添加硼酸鋁晶須后把持磨料強度高,不會降低砂輪的耐用度和壽命。

3 結 論

(1)加入5wt%鋁粉會使結合劑的流動性提高15.6%,與資料介紹的引入其它添加劑會降低結合劑流動性的結果相異。

(2)添加硼酸鋁晶須和鋁粉后會使結合劑試樣的抗折強度出現先增加再減小的現象,當硼酸鋁晶須和鋁粉添加量為3wt%時,結合劑試樣的抗折強度提高10%～20%。

(3)對于硼鋁硅酸鹽陶瓷結合劑金剛石砂輪來說,添加鋁粉會使金剛石砂輪的抗折強度及硬度降低,不適合增強增韌陶瓷金剛石砂輪;添加硼酸鋁晶須量會使金剛石砂輪的抗折強度緩慢增加,洛氏硬度基本不變,添加量為5%時砂輪的磨削性能較佳。且添加硼酸鋁晶須后,陶瓷金剛石砂輪鋒利性更好,利于磨削。

[1] 關巖,何平,徐曉偉.各種添加劑對低溫陶瓷結合劑性能的影響[J].遼寧科技大學學報,2008(34):246-249.

[2] 侯永改,王改民,荊運杰.金屬及合金粉對低溫陶瓷結合劑性能影響[J].中國陶瓷,2002(4):13-15.

[3] 肖長江,朱玲艷,張恒濤,等.納米氧化鋁對氧化鋁陶瓷性能的影響[J].佛山陶瓷,2013(8):17-18.

[4] 王鵬飛.添加劑對陶瓷結合劑性能的影響[D].天津大學碩士論文.2007.

[6] 趙金柱.立方氮化硼磨具陶瓷結合劑性能研究[D].燕山大學碩士論文,2006.

[7] 王志起,萬隆,胡偉達,等.Ti對陶瓷結合劑及金剛石磨具性能的影響[J].金剛石與磨料磨具工程,2011(2):50-54.

[8] 侯永改,彭進,鄒文俊,等.合金粉對低溫陶瓷結合劑及cBN磨具性能的影響[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(1):61-64.

[9] 侯永改,張頌,鄒文俊.納米Al N對低溫陶瓷結合劑金剛石磨具結構與性能的影響[J].超硬材料工程,2009(4):32-35.

[10] 候永改,王改民,劉方曉.添加劑對低溫陶瓷結合劑性能影響[J].陶瓷研究,2002(3):1-5.

[11] 宋鵬濤,劉泓,康露,等.添加劑對cBN高速砂輪用低溫燒結陶瓷結合劑強度的影響[J].硅酸鹽通報,2012(01):226-229.

Influence of Different Additives on Performance of Ceramic Diamond Grinding Wheel

GAO Yong-juan,LI Ke-hua,SU Hong-liang,Li U Quan-wei, SHI Lin-feng,HAN Xue,ZHAO Xiu-xiang
(Zhengzhou Research Institute for Abrasives&Grinding Co.Ltd,Zhengzhou,Henan 450013)

The influence of the content of aluminum borate whisker and aluminum powder on physical properties and grinding performance of ceramic binder ceramic diamond grinding wheel has been studied in this article.Result shows that the introduction of additive will reduce the liquidity of the binder.5wt%aluminum powder may increase the liquidity of the binder by 15.6%.The bending strength of the binder will be increased and then reduced because of the introduction of additive.When the addition amount of whisker and aluminum powder is 3wt%,the bending strength of the binder will be increased by 10～20%.5wt%aluminum borate whisker will increase the bending strength of the diamond grinding wheel by 11%,and the grinding performance of the grinding wheel will be improved.

binder;diamond grinding wheel;additive

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0019-04

2016-09-21

郜永娟(1985-),女,材料學工學碩士,工程師,任職于鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司磨盤制造部,從事超硬磨具技術研發工作。E-mail:495561927@qq.com。

郜永娟,李克華,蘇鴻良,等.不同添加劑對陶瓷金剛石砂輪性能的影響[J].超硬材料工程,2017,29(1):19-22.