PbO對(duì)陶瓷結(jié)合劑性能的影響研究*

趙 婧

(榆林市新科技開發(fā)有限公司 陜西 榆林 718100)

前言

陶瓷結(jié)合劑磨具自1877年誕生以來，已被廣泛用于機(jī)械、汽車制造業(yè)、電子行業(yè)、建筑業(yè)、航空航天等許多行業(yè)和領(lǐng)域，其用量在磨具總用量中占50%以上。因此，陶瓷結(jié)合劑磨具是工業(yè)磨具中占主導(dǎo)地位的品種之一。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，陶瓷結(jié)合劑磨具的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，每年都以40%以上的速度增長。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國的增長速度僅為20%左右。因此，我國陶瓷結(jié)合劑磨具擁有廣闊的發(fā)展空間。

隨著機(jī)械工業(yè)、機(jī)械裝備水平的不斷提高，對(duì)機(jī)械加工水平的要求越來越高，應(yīng)運(yùn)而生的機(jī)床工業(yè)尤其是數(shù)控機(jī)床得到了迅速發(fā)展。加工機(jī)床本身、加工效率的提高提供了設(shè)備基礎(chǔ)，而加工工具是保證加工質(zhì)量和效率的重要前提[1]。因此，近年來，隨著數(shù)控磨床的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)與之配套的砂輪也提出了新要求，數(shù)控磨床用砂輪不僅要滿足機(jī)械加工精度、質(zhì)量、效率的要求，而且還要適應(yīng)越來越高的高速加工要求[2～3]。

自1983年德國Guehring Automation公司制造出了當(dāng)時(shí)世界第一臺(tái)最具威力的60 kW、砂輪線速度達(dá)到140～160 m/s的強(qiáng)力CBN砂輪磨床以來，高速、高效率磨削技術(shù)在30年來得到長足的發(fā)展。目前該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等發(fā)達(dá)國家。近年來，我國也在重點(diǎn)發(fā)展數(shù)控技術(shù)，對(duì)高速、高效加工技術(shù)裝備研究也加大了投入，但總體水平與上述發(fā)達(dá)國家仍有較大差距，還需要加快步伐，才能追趕上發(fā)達(dá)國家。

陶瓷結(jié)合劑磨具由于其具有耐熱性好、形狀保持性好、自銳性好、易修整、磨削刃鋒利、使用壽命長等特點(diǎn)，成為數(shù)控磨床的首選加工工具。而由于傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑普通加工工具已難以滿足現(xiàn)代加工精度、質(zhì)量和效率的要求，因此陶瓷結(jié)合劑超硬材料加工工具得到發(fā)展和應(yīng)用[4]。陶瓷結(jié)合劑超硬材料加工工具不僅具有陶瓷結(jié)合劑的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有超硬材料的超硬、高耐磨等特性，這不僅使加工精度、質(zhì)量和效率更有保證，而且提高了磨具的使用壽命、生產(chǎn)效率，同時(shí)還降低了加工成本。因此陶瓷結(jié)合劑超硬材料加工工具是現(xiàn)代數(shù)控磨床的首選[5～9]。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，高檔數(shù)控磨床已普遍采用了陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨削工具。隨著我國科技進(jìn)步和世界市場的競爭，數(shù)控磨床已越來越多，因此對(duì)陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨削工具的需求量也越來越大。但國內(nèi)陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨削工具的制備起步較晚，而且迫于市場迅速發(fā)展的壓力和競爭，往往急于應(yīng)用而沒人進(jìn)行系統(tǒng)制備技術(shù)方面的研究。陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨削工具制備技術(shù)的關(guān)鍵是陶瓷結(jié)合劑的制備技術(shù)，陶瓷結(jié)合劑的性能是影響超硬材料磨削工具性能的關(guān)鍵，而且探討各種添加劑(如氧化鉛，氧化鋅等)對(duì)陶瓷結(jié)合劑性能的影響和效應(yīng)，這是發(fā)展、研究陶瓷結(jié)合劑制備理論的基礎(chǔ)和前提[10～12]。筆者主要研究了添加劑氧化鉛對(duì)陶瓷結(jié)合劑性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

對(duì)于K2O-B2O3-SiO2和K2O-B2O3-Al2O3-SiO2兩種玻璃體系，在K2O和SiO2含量相同的情況下，K2O-B2O3-SiO2玻璃的熔融溫度較低、粘度較小。以Al2O3取代部分B2O3，則K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃具有較高的強(qiáng)度。采用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃易于獲得具有較高強(qiáng)度的結(jié)合劑，從而有利于研究添加組分后陶瓷結(jié)合劑性能的變化。本實(shí)驗(yàn)選取K2O-B2O3-Al2O3-SiO2四元體系為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑體系[20]，研究單次添加0%、5%、10%、15%、20%的氧化鉛對(duì)基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的耐火度、熱膨脹系數(shù)、結(jié)合劑的強(qiáng)度及結(jié)合劑與磨料微觀結(jié)合情況等性能的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)的主要工藝流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原材料及儀器設(shè)備

1.2.1 原材料

玻璃料：粘土，長石，硼玻璃，鄭州龍祥陶瓷有限公司；碳化硅磨料：150#，鄭州龍祥陶瓷有限公司；基礎(chǔ)結(jié)合劑：硼玻璃料，粒度320#，鄭州龍祥陶瓷有限公司；黃糊精粉，粘土粉，石英粉，鄭州龍祥陶瓷有限公司；PbO( Lead oxide yellow)，分析純，>99.0%, 西隴化工股份有限公司。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

電子天平：型號(hào)：BS-600H，上海友聲衡器有限公司；梯度燒結(jié)爐：型號(hào)為SX2-8-10，湘潭湘儀儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：型號(hào)：101-2BS，天津市華北實(shí)驗(yàn)儀器廠；箱式電阻爐：型號(hào)為SX2-8-10，湘潭湘儀儀器有限公司；研究級(jí)體視顯微鏡：北京普瑞賽司儀器有限公司，放大倍數(shù)1.25×20；單注萬能液壓機(jī)：型號(hào)：Y30-6.3，天津市第二鍛造機(jī)床廠；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)：WDW-50J，精度等級(jí)：0.5級(jí)，上海華龍測試儀器廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

工藝流程：配制糊精液→制作耐火錐、耐火臺(tái)→干燥、測耐火度→壓制試樣條、燒結(jié)→熱膨脹系數(shù)、硬度和抗折強(qiáng)度的測試等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1.3.1 糊精液的配制

用電子天平準(zhǔn)確稱取25 g的糊精粉，加入到溫度為70～80 ℃溫水中，水的體積為100 mL，用玻璃棒攪拌，直至完全溶解于水中。查表可知在濃度為25%時(shí)糊精液濃度為1.080 g/mL。糊精液的作用是作為黏結(jié)濕潤劑使用。

1.3.2 結(jié)合劑的配置

選擇含有粘土、長石、硼玻璃的料作基礎(chǔ)結(jié)合劑。添加劑氧化鉛與基礎(chǔ)結(jié)合劑質(zhì)量配比如表1所示。

表1 基礎(chǔ)結(jié)合劑與氧化鉛的配比(質(zhì)量%)

結(jié)合劑的配制：稱取相應(yīng)質(zhì)量的基礎(chǔ)結(jié)合劑與氧化鉛→過篩以便二者混合均勻→裝入有編號(hào)樣品袋中備用。

1.3.3 耐火錐的制作

在制備好的5組結(jié)合劑中分別加入適量水和配置好的少量糊精液，在研缽中混合均勻，然后用藥匙向三角錐的金屬模具加適量混合均勻的濕料，壓制成致密的2 mm×8 mm×30 mm耐火錐，每組混合結(jié)合劑做4個(gè)耐火錐，成形后放入烘箱內(nèi)在100 ℃下烘24 h。三角錐可用于檢測加入添加劑前后結(jié)合劑的耐火度的對(duì)比。

1.3.4 耐火臺(tái)的制備

通常耐火臺(tái)常用熟礬土70% 60#～100#的石英與30%的粘土制成。用電子天平精確稱取210 g的石英和70 g粘土，過篩后混合均勻，加入適量水，做成圓臺(tái)型的耐火臺(tái)，將制作好的耐火錐以一定的傾斜角度插入且均勻分布在耐火臺(tái)上，然后放到烘箱繼續(xù)烘干。

1.3.5 制備28 mm×6 mm×6 mm的結(jié)合劑長條

取按比例配好的各組結(jié)合劑，過篩混合均勻后加入適量糊精液，在研缽中攪拌均勻。由于是定模成形，每小組稱取2.1 g結(jié)合劑加入到模具中，用壓機(jī)壓制成形，每組結(jié)合劑試樣壓制4塊長條，然后放入烘箱進(jìn)行干燥，以備測量熱膨脹系數(shù)。

1.3.6 制備28 mm×6 mm×6 mm的含有SiC磨料的長條

按SiC磨料與結(jié)合劑的質(zhì)量比為4∶1稱取，每小組均稱取80 g SiC磨料、20 g結(jié)合劑，過篩混合均勻，加入適量的糊精液，由成形密度可計(jì)算出，每個(gè)28 mm×6 mm×6 mm的長條需要2.12 g混合料，將每小組的混合料稱取2.12 g在壓機(jī)中壓制成所需規(guī)格的長條，每組4個(gè)，以備測抗折強(qiáng)度。

1.3.7 制作直徑為18 mm，高度為11.5 mm的含有SiC磨料的圓柱體

根據(jù)成形密度計(jì)算，每個(gè)圓柱體需要混料的質(zhì)量為6 g，調(diào)配混料的SiC磨料和結(jié)合劑質(zhì)量比為4∶1，按比例稱取后混合均勻，用壓機(jī)制成要求規(guī)格的圓柱體，每組均做2個(gè)樣品，用來備測硬度。

1.3.8 長條和圓柱體的的燒結(jié)

將每組結(jié)合劑的長條和圓柱體放在箱式電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)置要求：功率25 kW，到達(dá)400 ℃之前升溫速率是1.5 ℃/min，400 ℃時(shí)保溫1 h，降低升溫速率為1 ℃/min，700 ℃時(shí)保溫2 h，冷卻。爐溫降至150 ℃以下時(shí)取出燒結(jié)好的長條和圓柱體。

1.4 耐火度的測定

將錐臺(tái)放入箱式電阻爐中測定耐火度，設(shè)定升溫速率為34 ℃/min：室溫～600 ℃，600～1 000 ℃。耐火錐錐尖與錐臺(tái)水平面成70°角時(shí)稱為“錐動(dòng)”，成35°時(shí)為“錐彎”，平行時(shí)為“錐倒”。“錐倒”時(shí)的溫度即為結(jié)合劑的耐火度。一般錐的動(dòng)、彎、倒3種狀態(tài)之間的溫度相差10 ℃左右。所以每隔10 ℃左右觀測一次，分別記錄錐動(dòng)、錐彎、錐倒時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值。

1.5 硬度的測定

1)放置燒制好的圓柱形磨具于洛氏硬度計(jì)的工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)手輪使磨具試樣加載至滿負(fù)荷，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)緩慢且均勻，最好一步到位，這時(shí)的大指針指在讀數(shù)盤上的B與C之間，大指針上下偏差不能超過5小格，如沒有達(dá)到以上要求則另選取一點(diǎn)重復(fù)上述操作。

2)轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)盤上的調(diào)整盤，使大指針指在B處。

3)向后推動(dòng)儀器右側(cè)的操作手柄，加上總載荷，大指針的轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢時(shí)，將操作手柄搬回來去除負(fù)載，推動(dòng)手柄的過程中要控制好速度，使其保持平穩(wěn)。

4)記錄下讀數(shù)盤上大指針?biāo)傅募t色讀數(shù)。

5)轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)上的手輪，使工作臺(tái)下降，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣至未測的位置繼續(xù)測試，要保證所測的不同點(diǎn)之間有一定的距離，是彼此點(diǎn)分散較好，同時(shí)所測點(diǎn)也不能離試樣的邊緣太近。

1.6 結(jié)合劑熱膨脹系數(shù)的測定

由于儀器對(duì)試樣尺寸有所限制，要求尺寸為5 mm×5 mm×26 mm，試樣尺寸可以在以上數(shù)據(jù)上下少許波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)所用的結(jié)合劑試樣尺寸為6 mm×6 mm×28 mm，所以需對(duì)燒成的試樣進(jìn)行打磨使其尺寸達(dá)標(biāo)，后在微機(jī)差熱膨脹儀上測其熱膨脹系數(shù)。

1.7 結(jié)合劑強(qiáng)度的測定

圖2 抗折強(qiáng)度測試原理圖

如圖2所示，測量試塊的高和寬并作好記錄，調(diào)整兩個(gè)點(diǎn)的距離為20 mm，啟動(dòng)機(jī)器和電腦，按照材料試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)范裝入試塊，設(shè)置好參數(shù)，開動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)使試塊斷裂，記錄電腦顯示抗折強(qiáng)度值。

1.8 顯微結(jié)構(gòu)的觀察

取抗折強(qiáng)度測試中壓斷的磨具試條，觀察試條斷面的形貌及磨料與結(jié)合劑的結(jié)合狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PbO對(duì)結(jié)合劑耐火度的影響

表2 耐火度的測定

表2中1#表示結(jié)合劑含PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0；2#表示結(jié)合劑含PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；3#表示結(jié)合劑含PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%；4#表示結(jié)合劑含PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%；5#表示結(jié)合劑含PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 加入不同量的添加劑的耐火度

由表2和圖3可知，加入添加劑PbO能降低結(jié)合劑的耐火度，2#加入5%能顯著降低結(jié)合劑的耐火度，隨著加入量的增大對(duì)其影響甚小，從10%開始幾乎不變，加入量控制在10%以下較合適，PbO有毒，防止中毒，因此如果用PbO作添加劑時(shí)要盡量少加。

2.2 PbO對(duì)結(jié)合劑硬度的影響

如圖4所示，當(dāng)加入5%時(shí)磨具試樣的洛氏硬度最大，使洛氏硬度增加了20%，再增大加入量使其硬度有所波動(dòng)但整體是下降趨勢(shì)。

圖4 洛氏硬度隨添加劑量的關(guān)系

2.3 PbO對(duì)結(jié)合劑抗折強(qiáng)度的的影響

按下式進(jìn)行抗折強(qiáng)度計(jì)算：

式中：σb——試樣的抗折強(qiáng)度,MPa;

P——試樣斷裂時(shí)的最大負(fù)載,N;

L——支點(diǎn)距離,mm;

b——試樣的寬度,mm;

h——試樣的高度,mm。

表3 試樣最大負(fù)載和抗折強(qiáng)度

由最大負(fù)載換算成抗折強(qiáng)度的曲線(見圖5)可知，在所做試驗(yàn)中1#PbO含量為5%時(shí)具有最高的抗折強(qiáng)度。當(dāng)PbO加入量過大時(shí)結(jié)合劑的耐火度降低，燒成后組織疏松，表現(xiàn)為磨具試樣的抗折強(qiáng)度下降。

2.4 試樣斷面的觀測

對(duì)測過抗折強(qiáng)度后的試樣進(jìn)行顯微觀測，其試樣斷面顯微圖如圖6所示。本次雖然用的是體視顯微鏡，不能觀測試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但也能觀測到磨具試樣中的結(jié)合劑和磨料的情況及氣孔的分布，從圖6可以觀測到，不含PbO添加劑和加PbO 5%的顯示明顯比其他3組明亮；加添加劑的之間相互比較5%磨具試樣的斷面更加均勻，其它3組有少許發(fā)泡。

3 結(jié)論

圖5 含有碳化硅磨料試樣的抗折強(qiáng)度

結(jié)合劑不含PbO

結(jié)合劑含PbO 5%

結(jié)合劑含PbO 10%

結(jié)合劑含PbO 15%

結(jié)合劑含PbO 20%

1)通過向基礎(chǔ)結(jié)合劑中添加不同量的PbO，測得耐火度都下降，2#加入5%能顯著降低結(jié)合劑的耐火度，隨著加入量的增大對(duì)其影響甚小，從10%開始幾乎不變。

2)分別將不同比例添加劑的結(jié)合劑與碳化硅磨具做成長條裝磨具和圓柱形磨具，抗折強(qiáng)度在加入5%時(shí)最大，隨著加入量的增加有所下降。分析原因?yàn)椋寒?dāng)PbO過多時(shí)結(jié)合劑的耐火度降低，燒成后組織疏松，表現(xiàn)為磨具試樣的抗折強(qiáng)度下降；洛氏硬度也是在5%時(shí)最大，之后隨著加入量的增大呈波動(dòng)趨勢(shì)。

3)觀測試樣斷面的結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度后，加添加劑與5%磨具試樣相互比較，其斷面更加均勻。當(dāng)加入過多量PbO時(shí)會(huì)有發(fā)泡產(chǎn)生。