剛玉砂輪用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃結合劑的研究

董曉烽，肖卓豪，易維民，李秀英，羅民華，汪永清，汪建斌

剛玉砂輪用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃結合劑的研究

董曉烽1,2，肖卓豪1，易維民2，李秀英1，羅民華1，汪永清1，汪建斌3

（1． 景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333001；2． 江西冠億研磨股份有限公司，江西 奉新 330700；3．武漢鋼鐵有限公司煉鐵廠，湖北 武漢 430005）

采用傳統熔體冷卻法制備了K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃，探討了組成中B2O3替代Al2O3對玻璃熱膨脹性能、抗彎強度及析晶穩定性的影響。并優選該體系玻璃為剛玉砂輪結合劑，通過分析結合劑材料的特征溫度確定了砂輪的燒成溫度。研究結果表明，隨B2O3逐漸取代Al2O3，玻璃的熱膨脹系數呈降低趨勢，強度先升高后降低。當B2O3含量為12wt．%時，可獲得膨脹系數與剛玉相匹配、強度為117．8 MPa的玻璃材料。該體系玻璃具有較低的軟化溫度與流動溫度，以所制備玻璃為結合劑，在1000 ℃保溫2 h的燒結條件下可制備出性能優良的剛玉砂輪產品。

結合劑；玻璃；剛玉砂輪；熱膨脹系數

0 引 言

剛玉砂輪是一種常用的磨具，通常由結合劑和剛玉磨料固結而成，常見的種類有陶瓷結合劑砂輪、玻璃結合劑砂輪、樹脂結合劑砂輪以及橡膠結合劑砂輪等[1]。當前國內剛玉砂輪所用結合劑普遍采用陶瓷結合劑，結合劑所用主要原料為高嶺土、鉀長石、石英粉以及硼玻璃等[2]。該類陶瓷結合劑的優點在于原料來源廣泛、加工方便、使用成本低，因而廣受中低端剛玉砂輪廠家的青睞[3]；然而陶瓷結合劑的缺點也很明顯，主要體現在兩個方面，第一是燒成溫度高、燒成周期長，因而能耗大。當前國內生產剛玉砂輪的主要廠家的陶瓷結合劑砂輪燒成溫度均在1200 ℃以上，燒成周期長達60 h甚至90 h以上，隨著我國節能環保要求逐漸嚴格，這種高能耗的生產方式已明顯不符當前的實際要求[4]。第二是陶瓷結合劑各原料在混料中很難做到充分均質化，各種不同成分的結合劑顆粒難以均勻地附著在磨料顆粒周圍，以致于砂輪燒成過程中容易形成應力致使砂輪開裂，尤其是在生產400#細砂輪時該情況特別明顯。針對以上情況，本課題提出采用玻璃結合劑制備剛玉砂輪的思路，由于玻璃結合劑成分穩定、均質、很容易獲得各種尺寸的顆粒、且軟化溫度低，因而可以在相對較低的燒成溫度條件下實現對磨料顆粒的均質“包裹”，從而解決當前剛玉砂輪尤其是400#細剛玉砂輪生產中遇到的產品合格率低、性能不穩定的難題。

1 實 驗

1.1 玻璃制備

結合劑采用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2體系玻璃，其具體組成如表1所示。為探討氧化硼含量對玻璃結合劑性能影響，組成中以B2O3逐漸替代Al2O3。原料中B2O3以H3BO3形式引入，K2O、Na2O 及CaO以K2CO3、Na2CO3及CaCO3形式引入，所有原料均采用化學純試劑。

將配方表中原料按比例稱量后進行混料然后過100目標準篩，裝入150 ml的剛玉坩堝，置于硅鉬棒電爐中熔制。熔制溫度為1560 ℃，保溫時間為2 h，得到均勻無明顯氣泡的玻璃液，然后澆筑在650 ℃預熱的鑄鐵模具中進行退火，退火溫度為650 ℃、保溫1 h后關閉電源，待冷卻至室溫后取樣切割分析。

1.2 結合劑性能測試

用金剛石切割片將玻璃切成5 mm×5 mm× 40 mm長方體，以測試其室溫至800 ℃的平均熱膨脹系數；切割成5 mm×5 mm×30 mm長方體，以測試其抗彎強度；另取部分玻璃磨細過200目標準篩后利用模具壓制成φ3 mm×5 mm的柱狀進行高溫軟化性能測試，為玻璃結合劑砂輪的燒成提供溫度參考。考慮到玻璃經高溫處理后有可能析晶，因此將玻璃試樣經1000 ℃熱處理2 h后磨碎過200目標準篩進行xRD測試。剩余玻璃破碎碾磨后過500目標準篩作為磨料結合劑用。

1.3 砂輪樣品制備

取過500目標準篩的玻璃結合劑40 g、過120目標準篩的黃糊精粉1．0 g，兩者混合、攪拌過程中加水20 ml，待混合均勻后再加400#剛玉磨料200 g，繼續混合均勻后倒入直徑100 mm模具中于20 MPa壓力下成型。將成型后的砂輪坯體置于硅碳棒電爐中以5 ℃/min速度升溫至1000 ℃并保溫2 h，隨爐冷卻后獲得玻璃結合劑砂輪樣品。

2 結果與討論

2.1 玻璃結合劑熱膨脹性能分析

圖1是不同組成玻璃試樣從室溫至800 ℃的平均熱膨脹曲線，為便于與剛玉的熱膨脹曲線對比，同時將剛玉的熱膨脹曲線也做于圖1中。從圖1中可以看出，不同組成玻璃的熱膨脹均隨溫度升高逐漸增加，玻璃的轉變溫度(Tg)在700 ℃左右，軟化溫度(Ts)在760 ℃附近。所制備的5個玻璃試樣中A2與A3的熱膨脹曲線與Al2O3的熱膨脹曲線相近。為了便于對比，取該組曲線中各試樣室溫至600 ℃的平均熱膨脹系數，其與組成中Al2O3及B2O3含量的關系見圖2。

表1 玻璃試樣的化學組成(wt.%)Tab.1 Chemical composition of the glass samples (wt.%)

圖1 不同組成玻璃樣品與剛玉的熱膨脹曲線Fig.1 The thermal expansion curve of glass and Al2O3samples

從圖2中可以看出，隨著三價氧化物中B2O3的增加，玻璃的熱膨脹系數呈現顯著降低的走勢。這是因為玻璃中含有較多的對玻璃網絡起破壞作用的堿金屬氧化物，適量的B2O3能夠通過[BO3]向[BO4]轉變來減弱堿金屬對玻璃網絡結構的破壞[5-6]，從而修復玻璃網絡結構，使得玻璃的熱膨脹系數降低。當玻璃中B2O3含量為8wt．%時，樣品的膨脹系數為8．41×10-6℃-1，當B2O3含量逐增加至16wt．%時，樣品的熱膨脹系數相應減少至6．97×10-6℃-1。其中，當A3試樣中B2O3含量為12wt．%時，所獲得的玻璃的熱膨脹系數為7．59×10-6℃-1，與剛玉的熱膨脹系數(7．69×10-6℃-1)最相近。在高溫燒結后的降溫過程中，若剛玉磨料顆粒與結合劑的熱膨脹系數不匹配，則會在冷卻中形成熱應力。當熱應力超過兩者的結合強度時，磨料顆粒與結合劑就會脫離，從而導致砂輪強度低。所以一般要求砂輪生產過程中磨料與結合劑的熱膨脹系數相匹配。

2.2 玻璃結合劑抗彎強度分析

圖3是不同組成玻璃試樣的三點抗彎強度值。從圖3中可以看出，隨著組成中B2O3替代Al2O3，玻璃的抗彎強度值先升高后降低。當B2O3含量占B2O3與Al2O3之和的一半左右時玻璃樣品的抗彎強度達到最大值124．2 MPa，再進一步增加B2O3的含量，試樣的強度值迅速降低。很明顯，這是由于B2O3在玻璃結構中的“硼反常效應”引起的。由于B2O3在玻璃中存在[BO3]及[BO4]兩種結構類型，當玻璃中存在一定量的堿金屬氧化物時，玻璃中過量的氧可以促使[BO3]向[BO4]轉變，從而修補玻璃的網絡結構使得玻璃強度增加。然而當B2O3在玻璃中過量時，沒有足夠多的“游離氧”促使[BO3]向[BO4]轉變，此時過量的B2O3在玻璃結構中只能以[BO3]形式存在，而[BO3]形式的結構單元無法形成空間架狀的網絡結構，因而玻璃的三維網絡結構被破壞，從而強度顯著降低[7-8]。對于砂輪結合劑用玻璃材料來說，顯然高的強度值對于提高砂輪的性能是有益的。

2.3 玻璃結合劑特征溫度分析

玻璃結合劑相比陶瓷結合劑一個重要的優點在于其成分更加均勻穩定，這無疑有利于砂輪產品質量的穩定。此外，對于同樣組成的玻璃和陶瓷結合劑，在砂輪燒結過程中玻璃的軟化溫度和流動溫度要顯著低于陶瓷的低共熔溫度，因而以玻璃為砂輪結合劑更有利于實現砂輪的低溫燒結。為探索砂輪的最佳燒結溫度，有必要研究玻璃結合劑的軟化溫度、球化溫度及流動溫度。根據對不同組成玻璃結合劑樣品的熱膨脹分析和強度分析，可知A3樣品的膨脹系數與剛玉最為接近，盡管A3和A4樣品的抗彎強度值都較高，但A4的強度(124．2 MPa)明顯要高于A3(117．8 MPa)。綜合考慮膨脹系數的匹配性及結合劑的強度值，本實驗選取A3作為剛玉砂輪結合劑開展下一步實驗。

圖2 玻璃樣品與剛玉熱膨脹系數對比 (RT-600 ℃)Fig.2 The thermal expansion coeff i cients of glass and Al2O3samples at RT-600 °C

圖3 不同組成玻璃樣品的抗彎強度值Fig.3 The bending strength of glass samples with different B2O3and Al2O3content

圖4是A3試樣的特征溫度測試圖片，圖4(a)是室溫下所測試圓柱形樣品的側面投影。圖4(b)是746 ℃時的側面投影，此時樣品已開始發生明顯的軟化現象，樣品的邊角開始變圓，這與熱膨脹曲線中所獲得的軟化溫度基本是一致的。圖4(c)是823 ℃時樣品的側面投影，該圖中圓柱樣品已形成球狀，再進一步升溫至867℃時玻璃形成流動液體(如圖4(d))，表明其流動溫度為867 ℃。考慮到砂輪燒制過程中溫度的傳遞及溫度場的不均勻性，本實驗中砂輪的燒結溫度暫定為1000 ℃，保溫時間為2 h。

2.4 玻璃結合劑XRD分析

玻璃是一種熱力學不穩定的物質，在一定熱處理條件下具有自動析晶的可能。而玻璃析晶后，隨著析出晶體種類及含量的變化，玻璃本身的性能也隨之變化。因此，同樣組成但不同熱處理溫度及時間的玻璃樣品可能具有完全不一樣的性能。這就是為什么有砂輪廠在砂輪燒結過程中，一旦燒成溫度制度稍有波動，砂輪的性能就會出現顯著不穩定的主要原因。為此，有必要對玻璃的熱穩定性進行研究分析。圖5是本實驗所制備的不同玻璃樣品經1000 ℃保溫2 h后的xRD圖譜。從圖5中可以看出，所有實驗樣品經1000 ℃熱處理2 h后均沒有明顯衍射峰出現，表明玻璃樣品中依然沒有晶體析出，說明該體系玻璃的熱穩定性較高，在一定溫度范圍及時間的熱處理條件下不會改變玻璃結合劑的性能。

圖4 玻璃樣品特征溫度點測試Fig.4 Characteristic temperature point test of glass sample

圖5 不同組成玻璃樣品的XRD圖譜Fig.5 The XRD patterns of glass samples

圖6 以A3玻璃為結合劑制備的剛玉砂輪樣品Fig.6 The corundum grinding wheel prepared with A3glass as adhesive

2.5 玻璃結合劑剛玉砂輪的制備

以A3玻璃為結合劑，400#剛玉砂為磨料，按照實驗部分2．3節制備出的剛玉砂輪樣品如圖6所示。所制備的砂輪表面沒有明顯的裂紋、孔洞、黑心及色差等缺陷。經測試，其性能已達到廠家1270 ℃燒結72 h所制備的陶瓷結合劑剛玉砂輪產品的優等品指標。這說明該玻璃結合劑可以在確保砂輪品質的前提下實現剛玉砂輪的低溫快燒，這對提高產品質量穩定及節能減排無疑具有顯著意義。

3 結 論

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃中隨B2O3逐漸取代Al2O3，玻璃的熱膨脹系數呈降低趨勢，強度先升高后降低。當B2O3含量為12wt．%時，可獲得膨脹系數與剛玉相匹配、強度為117．8 MPa的剛玉砂輪結合劑用玻璃材料。

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃材料具有較好的熱穩定性，在1000 ℃條件下熱處理后沒有晶體析出。以該體系玻璃為結合劑，在1000 ℃保溫2 h的燒結條件下所制備砂輪產品的性能與傳統陶瓷結合劑1270 ℃燒結條件下所制備砂輪的性能一致。

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K2O-B2O3-Al2O3-SiO2Glass Binder for Corundum Grinding Wheel

DONG Xiaofeng1,2, XIAO Zhuohao1, YI Weimin2, LI Xiuying1, LUO Minhua1, WANG Yongqing1, WANG Jianbin3
(1. School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 3334031,Jiangxi, China; 2. Jiangxi Guanyi Abrasives Co., Ltd., Fengxin 330700, Jiangxi, China; 3. Ironworks of Wuhan Iron and Steel Limited Company, Wuhan 430005, Hubei, China)

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2glass was prepared by traditional melt cooling method, and the effect of B2O3instead of Al2O3on thermal expansion, bending strength and crystallization stability of glasses was investigated. The system glass was selected as the binder for corundum grinding wheel, and the fi ring temperature of the grinding wheel was determined by analyzing the characteristic temperature of the binder material. The results show that, with B2O3gradually replacing Al2O3, glass thermal expansion coeff i cient decreased and the bending strength increased fi rst and then decreased. When the B2O3content was 12wt.%, the glass with the bending strength of 117.8 MPa and the expansion coeff i cient matching corundum could be obtained. With the prepared glass as binder, the corundum grinding wheel products with excellent properties could be prepared when the sintering temperature was 1000°C and the holding time was 2h.

binder; glass; corundum grinding wheel; coeff i cient of thermal expansion

date:2017-02-26. Revised date: 2017-02-28.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0001-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.001

2017-02-26。

2017-02-28。

科技部國際合作項目(2015DFI52960)；國家自然科學基

Correspondent author:XIAO Zhuohao, male, PH.D., Associate professor.金(51362013)；江西省對外科技合作計劃(20143BDH80003)；江西

E-mail:xiaozhuohao@126.com省自然科學基金(20142BAB206006)；江西省杰出青年人才資助計劃(20171BCB23070)；大學生創新創業訓練項目。

肖卓豪，男，博士，副教授。