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1　前言

由于陶瓷結合劑具有熱穩定性較好,脆性、剛性較高和氣孔率可控等優(yōu)點(diǎn),使得陶瓷結合劑CBN砂輪具備了強度較高、自銳性好、易于修整、容屑能力強等優(yōu)勢,因此廣泛應用于汽車(chē)、航天、航空及精密切削工具制造等行業(yè)。陶瓷結合劑砂輪的強度主要取決于陶瓷結合劑本身的強度和結合劑與磨粒間的結合強度。結合劑的組成是影響陶結合劑強度和結合劑與磨粒界面結合強度的重要因素。

在陶瓷結合劑砂輪的制備過(guò)程中,堿金屬氧化物往往作為催熔劑引入結合劑中,從而有效地降低結合劑的耐火度,增大結合劑的高溫流動(dòng)性。由于過(guò)度添加堿金屬氧化物會(huì )增大結合劑的熱膨脹系數,降低磨具結合劑的強度,因此堿金屬氧化物的添加量要控制在較低的范圍內。

本實(shí)驗選取Na₂O-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系陶瓷結合劑作為基礎結合劑,研究了添加Li₂O對基礎結合劑的耐火度、流動(dòng)性、磨具的抗折強度,以及結合劑與磨粒界面結合情況的影響,從而為制備低溫高強陶瓷結合劑時(shí)Li2O的適宜含量確定及燒結工藝的優(yōu)化提供試驗參考依據。

2  實(shí)驗

實(shí)驗采用化學(xué)純的二氧化硅、無(wú)水碳酸鈉、硼酸和氧化鋁為原料，經(jīng)精確稱(chēng)量、均勻混合后，在高溫熔塊爐中加熱至1250℃，保溫2小時(shí)，使其熔融后冷卻形成玻璃。將玻璃粉碎、過(guò)篩，得到粉末狀基礎結合劑。

通過(guò)添加Li₂CO₃向基礎結合劑中引入2 -10w%氧化鋁。參照磨料磨具行業(yè)常用方法測定不同氧化鋁含量結合劑的耐火度和流動(dòng)性。結合劑、白剛玉、臨時(shí)粘結劑以20：75：5的比例配制成型料，干壓成型為30*6*4mm3的磨具試條。將磨具試條在不同的溫度下燒成后用三點(diǎn)彎曲法測定抗壓強度，壓頭加載速率為0．5mm/min。用環(huán)境掃描電鏡觀(guān)察試條折斷后的斷面形貌及磨料與結合劑的結合狀態(tài)。

3  結果與討論

3.1  添加氧化鋁對結合劑的耐火度及流動(dòng)性的影響

  不同氧化鋁含量結合劑的耐火度如圖l所示。從圖1中可以看出，隨著(zhù)氧化鋁的含量增加，結合劑的耐火度比未添加時(shí)顯著(zhù)降低；添加氧化鋁在0-6w%范圍內結合劑的耐火度變化劇烈，之后耐火度變化趨于平緩。這主要是因為氧化鋁作為網(wǎng)絡(luò )改變體，使玻璃網(wǎng)絡(luò )中的Si-O鍵斷裂，玻璃網(wǎng)絡(luò )的結構緊密度下降，所以玻璃的軟化溫度和結合劑的耐火度相應降低。

不同氧化鋁含量結合劑的流動(dòng)性如圖2所示。由圖2可以看出，結合劑的流動(dòng)性隨著(zhù)氧化鋁含量的增加而增大，相同組分的流動(dòng)性隨著(zhù)溫度的升高而增大。添加氧化鋁使結合劑的耐火度降低，使結合劑熔融，出現液相，粘度降低。從而使結和劑的流動(dòng)性提高：相同組成的結合劑，隨著(zhù)溫度升高，其高溫粘度降低，所以其流動(dòng)性進(jìn)一步增大。

3.2  添加氧化鋁對結合劑強度的影響

   圖3是不同氧化鋁含量結合劑所制磨具試條在830℃保溫2h條件下燒成后的抗彎強度。從圖中可以看出，試條的強度先增大后減小，當氧化鋁含量為6w%時(shí)強度出現最大值。這可能是因為隨著(zhù)氧化鋁含量的增大，結合劑的耐火度顯著(zhù)降低，結合劑在燒成溫度下的流動(dòng)性逐漸改善，從而有利于結合劑在磨料周?chē)鶆蚍植?，改善了結合劑與磨料的結合，提高了磨具試條的強度。

但是，在氧化鋁含量超過(guò)一定值之后，作為網(wǎng)絡(luò )改變體的氧化鋁，其對網(wǎng)絡(luò )的破壞作用增強，會(huì )使結合劑強度變低。另一方面，較多的氧化鋁使結合劑耐火度過(guò)低，流動(dòng)性過(guò)大，容易導致磨具過(guò)燒而結構疏松，從而使磨具試條的強度降低。

3.3  添加氧化鋁對磨具顯微結構的影響

  不同氧化鋁添加量磨具式樣的顯微結構如圖4所示。

   從圖4可以看出，添加2w%氧化鋁時(shí)，結合劑橋中存在少量氣孔，結合劑未充分?；?；隨著(zhù)Li₂0含量的增大，結合劑?；潭戎饾u改善，結合劑橋中的氣孔數量減少、氣孔尺寸減??；添加6w%氧化鋁，結合劑?；潭茸詈?，結合劑橋?；潭茸詈?，結合劑橋較粗且與磨粒形成較好的結合界面。這與磨具強度開(kāi)始隨著(zhù)Li₂0

含量的增大而增大，至6%氧化鋁時(shí)磨具試條的強度最大的情況相一致。從該圖中還可以看出，在氧化鋁含量超過(guò)6w%后，磨具顯微結構狀態(tài)又變差，結合劑橋中的孔洞增加，致密度變差，從與其強度降低的趨勢一致。這種結構可能是由氧化鋁添加量較大、結合劑耐火度較低、流動(dòng)太大引起磨具過(guò)燒而造成的。

4  結論

(l）  隨著(zhù)氧化鋁添加量的增大，結合劑的耐火度顯著(zhù)降低。在0-6w%氧化鋁添加量范圍內，結合劑的耐火度下降較快，之后耐火度變化趨于平緩。

(2）  隨著(zhù)氧化鋁添力量的增加，結合劑的高溫流動(dòng)性增大。隨著(zhù)溫度升高，相同組成結合劑的流動(dòng)性明顯增大。

(3）  當氧化鋁添加量低于6w%時(shí)，隨著(zhù)氧化鋁含量增大，結合劑?；潭戎饾u改善，結合劑與磨粒結合緊密，磨具試條的強度增大；氧化鋁含量高于6w%的組分，會(huì )因其顯微結構的破壞和結合劑本身結構的變化，使磨具強度降低。