不同的造孔剂对陶瓷结合剂cBN砂轮性能的影响①

陈卫东,涂俊群

(苏州赛力精密工具有限公司,江苏苏州215121)

不同的造孔剂对陶瓷结合剂cBN砂轮性能的影响①

陈卫东,涂俊群

(苏州赛力精密工具有限公司,江苏苏州215121)

砂轮中具有适量的气孔可以在磨削的过程中起良好的冷却、容屑排屑及促使砂轮自锐的作用。选用四种不同的造孔剂,在相同的试验条件下,通过添加不同含量的造孔剂,对比和分析了造孔剂的种类与用量对结合剂强度及砂轮性能的影响。试验结果为:添加4种不同的造孔剂均对结合剂的强度有一定的影响,造孔剂的含量越高,结合剂的强度下降幅度越大。氧化铝空心球及空心玻璃微球造出的气孔比较均匀,且孔隙率比较容易控制,制备出的砂轮在磨削的过程中容易产生较多的气孔,兼顾了砂轮的强度与锋利性。以硫酸铵为造孔剂制备的砂轮气孔比较细小而均匀,而且气孔之间是连通的,但硫酸铵对结合剂的强度影响较大,不宜过多添加。以碳粉为造孔剂制备的砂轮中有轻微的碳粉残留,对砂轮的强度影响较大。

造孔剂;陶瓷结合剂;cBN;砂轮

1 前言

精密磨削的过程中,砂轮表面容易堵塞而导致粘屑甚至工件烧伤,尤其是加工韧性较大的材质,如高速钢、CF55#钢等。砂轮堵塞类型有嵌入型、粘着型、混合型[1]。嵌入型堵塞是由于工件脱落的磨屑机械地嵌在砂轮工作表面气孔处所造成的堵塞;粘着型堵塞是指工件上脱落的磨屑熔结在磨粒及结合剂的表面上所造成的堵塞;混合型堵塞是指砂轮表面上既有嵌入型堵塞,又有粘着型堵塞。砂轮中具有适量的气孔可以在磨削的过程中起良好的冷却、容屑排屑及促使砂轮自锐的作用[2]。如果砂轮有足够大的容屑及排屑空间,砂轮的嵌入型堵塞就会大大减少。相应的,砂轮的磨削力小、磨削效率也更高,砂轮的粘着型和混合型堵塞也减少,整个磨削过程将处在一个良性的循环之中。另外,如果气孔为开孔(串通孔或半串通孔),冷却液通过开孔不断地渗入到砂轮里,甚至渗到磨削区域里面,会使砂轮和工件得到更充分的冷却,从而减少工件磨削烧伤的机会。

为了使砂轮具有良好的容屑及排屑空间,减少精密磨削的过程中砂轮堵塞,需要开发气孔多且均匀的砂轮。刘振江等[3]以炭黑、PMMA微球及PS微球为造孔剂制备Al2O3多孔陶瓷,以炭黑为造孔剂的多孔陶瓷比以PS微球与PMMA微球为造孔剂的多孔陶瓷的强度大,但气孔率的稳定性差且不易控制。

本文选用四种不同的造孔剂,分别为硫酸铵、碳粉、氧化铝空心球、空心玻璃微球,在相同的试验条件下,测试各种造孔剂的不同添加量对结合剂的抗折性能及砂轮性能的影响。

2 试验部分

2.1 原材料

陶瓷结合剂:硼铝硅酸盐体系,具体成分参见表1;粒度-200目;

造孔剂:

(1)碳粉:黑色颗粒,100/120目

(2)硫酸铵:无色立方结晶,粉状,100/120目

(3)氧化铝空心球:白色球状颗粒,100/120目

(4)空心玻璃微球:白色球状粉末,半透明,140/ 170目。

磨料:

cBN,黑色颗粒,170/200目

表1 试验陶瓷结合剂的化学成分Table 1 Chemical components of vitrified bond used in the experiment

2.2 主要试验设备

JJ-1型增力电动搅拌器

20T液压机

DHG101-3A型数显恒温干燥箱

TSX-7.5-12型烧结电炉

JDL-100KN型数显式万能拉力试验机XTL-3400型体视显微镜

2.3 试验过程

试验过程为:陶瓷结合剂或陶瓷结合剂与磨料+造孔剂——配混料——冷压成型——烧结——测试抗折强度——观察断面结构。

(1)配混料的过程中,采用0.001g电子分析天平,过80目筛网,模具腔体尺寸为60mm×10mm× 10mm,成型压力为5MPa。

(2)抗折强度采用三点弯曲法测定,跨距为20mm,压头加载速率为0.5mm/min。每组测量5个样块的抗折强度,取平均值。

(3)采用体视显微镜观察陶瓷结合剂及砂轮断面的照片。

3 试验结果与讨论

3.1 硫酸铵的不同添加量对结合剂强度及砂轮性能的影响

图1 硫酸铵的不同添加量对抗折强度的影响Fig.1 Influence of different additive amount of ammonium sulphate on bending strength

由图1可见,添加硫酸铵造孔对结合剂的强度有较大的影响,当硫酸铵的添加量大于5%后,结合剂的强度非常低。从照片中可以看出,硫酸铵造出的孔隙比较均匀,没有太大的气孔,而且气孔之间是连通的,容易贮存磨削液及磨屑,用硫酸铵造孔制备的砂轮锋利性较好。添加硫酸铵造孔剂适合制备锋利性要求较高的砂轮。

图2 添加5%硫酸铵的造孔效果照片(左):结合剂(右):结合剂+磨料Fig.2 Pictures of pore-forming effect by adding 5%ammonium sulphate (L):binding agent(R):binding agent+abrasive

3.2 碳粉的不同添加量对结合剂强度及砂轮性能的影响

由图3可见,添加碳粉造孔对结合剂的强度也有较大的影响,当碳粉的添加量大于5%后,结合剂的强度急剧下降。从结合剂添加碳粉造孔的照片中可以看出,添加碳粉后造出的砂轮孔隙较大,碳粉有些残留,可能是由于这些残留的碳粉导致了结合剂的抗折强度随着造孔剂添加量增加而急剧下降。添加碳粉适合制备大气孔砂轮。

图3 碳粉的不同添加量对抗折强度的影响Fig.3 Influence of different additive amount of carbon powder on bending strength

图4 添加5%碳粉的造孔效果图片(左):结合剂 (右):结合剂+磨料Fig.4 Pictures of pore-forming effect by adding 5%carbon powder (L):binding agent(R):binding agent+abrasive

3.3 氧化铝空心球的不同添加量对结合剂强度及砂轮性能的影响

从氧化铝空心球的不同添加量与结合剂的抗折强度曲线中可以看出,氧化铝空心球的添加对结合剂的强度影响较小,这主要是由于氧化铝空心球有一定的强度,在结合剂中造出具有支撑结构的孔隙。从结合剂断裂面中可以看出,氧化铝空心球造出的孔隙比较圆滑,孔隙结构容易控制。添加氧化铝空心球造孔的孔隙率很容易控制,添加氧化铝空心球制备的cBN砂轮在磨削的过程中比较容易破碎而产生气孔,起了很好的容屑及排屑效果。氧化铝空心球造孔剂添加量可以根据砂轮性能的要求适量添加。

图5 氧化铝空心球的不同添加量对抗折强度的影响Fig.5 Influence of different additive amount of alumina bubble on bending strength

图6 添加15%氧化铝空心球的造孔效果照片(左):结合剂 (右):结合剂+磨料Fig.6 Pictures of pore-forming effect by adding 15%alumina bubble (L):binding agent(R):binding agent+abrasive

3.4 空心玻璃微球的不同添加量对结合剂强度及砂轮性能的影响

从结合剂添加空心玻璃微球的断面及砂轮的断面照片中可以看出,空心玻璃微球造出的孔隙比较均匀,空心玻璃微球的球壁很薄,在光线的照射下呈七彩的肥皂泡状态。添加空心玻璃微球造孔对结合剂的抗折强度影响也相对较低,从空心玻璃微球的添加量与抗折强度的曲线中可以看出,当空心玻璃微球的添加量为15%时,结合剂的抗折强度仍有原来的一半,说明具有材料支撑的孔隙对结合剂的抗折强度影响相对较小。综合权衡砂轮的强度及锋利性,空心玻璃微球的添加量以15%为宜。

图7 空心玻璃微球的不同添加量对抗折强度的影响Fig.7 Influence of different additive amount of hollow glass microsphere on bending strength

图8 添加15%空心玻璃微球的造孔效果照片(左):结合剂 (右):结合剂+磨料Fig.8 Pictures of pore-forming effect by adding 15%hollow glass microsphere(L):binding agent(R):binding agent+abrasive

4 结论

(1)添加4种不同的造孔剂均对结合剂的强度有一定的影响,造孔剂的含量越高,结合剂的强度下降幅度越大。其中,氧化铝空心球及空心玻璃微球造孔对结合剂的强度影响相对较小。

(2)氧化铝空心球及空心玻璃微球造出的气孔比较均匀,且孔隙率比较容易控制,制备出的砂轮在磨削的过程中容易产生较多的孔隙,兼顾了砂轮的强度与锋利性。

(3)以硫酸铵为造孔剂制备的砂轮气孔比较细小而均匀,而且气孔之间是连通的,但硫酸铵对结合剂的强度影响较大,不宜过多添加。

(4)以碳粉为造孔剂制备的砂轮中有轻微的碳粉残留,对砂轮的强度影响较大。

[1] 孟庆辉,李印江主编.磨料磨具技术手册[M].北京:兵器工业出版社,1993.

[2] 左宏森,关春龙.造孔剂对金属结合剂金刚石磨具力学性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2009,173(5),82-85.

[3] 刘振,王琦,田陆飞,等.利用不同造孔剂制备Al2O3多孔陶瓷[J].山东陶瓷,2009,32(4), 30-33.

Influence of Different Type of Pore Former on the Mechanical Property of Vitrified Bond cBN Grinding Wheel

CHEN Wei-dong,TU Jun-qun
(Suzhou Sai Li Precision Tools Co.Ltd.,Suzhou 215121,China)

Appropriate amount of pores in the grinding wheel will help the cooling and selfsharpening of the grinding wheel and provide space for chips and remove the chips during grinding operation.Four different types of pore former are selected for the experiment. Under the same experimental conditions,different content of pore former is added in order to compare and analyze the influence on the binding agent strength and the grinding wheel property caused by different type and content of pore former added.The result shows the binding agent strength has been affected by adding different type of pore former,binding agent strength declines more as pore former content increase.Pores created by alumina bubble and hollow glass microsphere are relatively uniform and porosity is relatively easy to control,so the grinding wheel product will generate more pores during grinding operation.In this way,both of the strength and sharpness of the grinding wheel have been obtained.Grinding wheel produced with ammonium sulfate as pore former has smaller uniform pores which are connected.It is not recommended to add much of ammonium sulfate as it has litter influence on the binding agent strength.Grinding wheel produced with carbon powder as pore former has slight carbon powder residual in the wheel, which has a significant influence on the strength of the grinding wheel.

pore former;vitrified bond;cBN;grinding wheel

TG74;TQ164

A

1673-1433(2014)03-0001-05

2014-06-25

陈卫东(1981-),男,硕士,研发工程师,目前主要从事陶瓷结合剂超硬磨削制品的研究与开发。E-mail:chenweidong1651@163.com