不同添加剂对陶瓷金刚石砂轮性能的影响

郜永娟,李克华,苏鸿良,刘权威,史林峰,韩 雪,赵秀香

(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南郑州 450013)

不同添加剂对陶瓷金刚石砂轮性能的影响

郜永娟,李克华,苏鸿良,刘权威,史林峰,韩 雪,赵秀香

(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南郑州 450013)

文章研究了硼酸铝晶须、铝粉含量对陶瓷结合剂、陶瓷金刚石砂轮的物理性能及磨削性能的影响。研究发现,添加剂的引入会降低结合剂的流动性,5wt%铝粉使结合剂的流动性提高了15.6%;添加剂的引入使结合剂抗折强度呈现先增加再减小的现象,当晶须或铝粉添加量为3wt%时,结合剂的抗折强度提高10%～20%;5wt%硼酸铝晶须使金刚石砂轮的抗折强度提高11%,且砂轮磨削更锋利。

结合剂;金刚石砂轮;添加剂

陶瓷结合剂超硬磨具在磨削过程中,结合剂强度低会造成结合剂桥过早断裂,进而引起磨具耐用度低、寿命低等问题。增强结合剂强度一直是各大专院校、研究院所及企业的研究方向。

目前,国内外很多学者已经研究了多种添加剂对结合剂性能的影响[1-11]。有学者[6]通过改变填充料粒度组成、向结合剂添加金属铝、铁、铜和对结合剂进行预烧处理的方法来改善结合剂的性能,认为添加金属粉末的含量与种类不同,性能变化有所不同,添加金属铝会使强度增加。亦有学者认为金属粉的加入会降低结合剂强度,存在一定争议。同时,鲜有对砂轮性能进行研究的具体数据。

本文分别添加1wt%、3wt%、5wt%的硼酸铝晶须、铝粉,观察陶瓷结合剂及金刚石砂轮性能的变化规律。

1 试验过程

1.1 试验所需材料铝粉:D50 37.866μm;硼酸铝晶须:长径比为6金刚石磨料;碳化硅磨料;硼铝硅酸盐陶瓷结合剂

1.2 试验设备

(1)FEI公司Inspect S50扫描电子显微镜,测试所用加速电压为10k V

(2)无锡建工试验仪器设备有限公司KZJ-5型电动抗折试验机

(3)上海光学仪器厂HR-150A型洛氏硬度计(4)朝阳机床厂M7435 A立轴圆台磨床

1.3 试验步骤

首先将不同种类、不同用量的添加剂加入到结合剂中混合均匀,分别制成尺寸为D15mm×h15mm的圆柱体测试其流动性,尺寸为40mm×6mm× 6mm的长条测试结合剂的抗折强度;其次将磨料、结合剂与不同用量的添加剂按照表1配方进行混料、成型、干燥、烧成,制成D20mm×h5mm的丸片和40mm×6mm×6mm的长条测试砂轮块硬度及抗折强度,并检测其断面组织形貌;最后选择一种含添加剂的砂轮进行磨削试验,观察分析添加剂对砂轮性能的影响。

表1 砂轮配方组成Table 1 Composition of grinding wheel

2 试验结果分析

2.1 添加剂对陶瓷金刚石砂轮物理性能的影响

2.1.1 添加剂对陶瓷结合剂流动性和抗折强度的影响

将硼酸铝晶须和铝粉按照1%、3%、5%含量加入到结合剂中,混合压制烧成后在相同温度下测试其流动性和抗折强度,结果如图1所示。

图1 不同添加剂对结合剂流动性和抗折强度的影响Fig.1 Influence of additives on liquidity and bending strength of binder

通过图1可看出:(1)图1(a)显示,随着硼酸铝晶须的增加,结合剂的流动性有一定程度的下降,且下降趋势基本相同。说明此温度下晶须并不影响玻璃网络结构,仅仅相当于加入第二相,增加熔体黏度,使流动性下降。但图1(b)显示添加3wt%铝粉后结合剂的流动性提高了15.6%,一般认为铝粉易生成氧化铝进而对玻璃粉具有助熔作用,也有可能是细粒度铝粉氧化完全,且低温氧化为多孔性型氧化铝,因此使结合剂流淌半径增加。(2)随着添加剂含量的增加,结合剂抗折强度均呈现出先增加后减小的现象,说明添加剂的含量有一个最优值。添加剂对结合剂抗折强度提高程度(600℃/610℃)分别为硼酸铝晶须(4.3%/10.8%)、铝粉(4.37%/12.38%)。(3)不同烧结温度下,结合剂流动性有差异。此状况对添加铝粉的结合剂性能影响较大,主要是因为铝粉的添加对结合剂的流动性影响较大,进而影响其烧结温度范围。综上,两种添加剂均对结合剂的流动性和抗折强度有一定影响,所以将其添加入砂轮中观察其具体性能的影响程度。

2.1.2 添加剂对金刚石砂轮物理性能的影响

将硼酸铝晶须、铝粉按照1%、3%、5%含量加入到结合剂中,与金刚石、辅助磨料混合压制烧成后在相同温度下测试其强度和组织形貌,结果如图2和图3所示。

图2 添加剂对金刚石砂轮抗折强度和洛氏硬度的影响Fig.2 Influence of additives on bending strength and Rockwell hardness of the dimond grinding wheel

由图2可看出:(1)图2(a)显示,随着晶须含量的增加,砂轮的抗折强度呈先略减小再增加趋势,且添加5%时,砂轮抗折强度增加约11%。因为增加硼酸铝晶须含量,一方面抑制了硼玻璃中方石英的析出,另一方面起了晶须强化作用[9-10]。砂轮洛氏硬度有减小趋势,但变化不大。此处结果与单纯添加到结合剂后的性能变化趋势有一定差异,这是由于结合剂中添加硼酸铝晶须会提高耐火度,结合剂的烧结温度范围比砂轮烧结温度范围窄导致相同温度下晶须含量的增加而减弱结合剂强度。(2)图2(b)显示随着铝粉含量的增加,砂轮的抗折强度及洛氏硬度均呈下降趋势,与单纯添加到结合剂后的性能变化趋势不同。通常,适量金属粉可以起到弥散增强增韧的效果,但过量金属粉会导致增加裂纹形核和扩展的几率。此处结果主要是由于砂轮烧结温度＞铝粉熔点,铝粉的熔融减弱了结合剂网络结构强度。

图3 不同添加剂的金刚石砂轮SEM图片Fig.3 SEM images of grinding wheels with different additives

由图3可看出:(1)添加晶须后,磨料包裹较好,磨料间结合剂气孔较少,而且结合剂本身强度也有增加,因此增强了砂轮强度。(2)添加铝粉后,砂轮的组织形貌无明显变化,推断此时结合剂对磨料把持力减弱,因此减弱了砂轮强度。

综上,添加晶须有利于提高金刚石砂轮物理性能,添加铝粉不利于提高金刚石砂轮物理性能,对其磨削性能的影响还需要验证。

2.2 添加剂对砂轮磨削性能的影响

采用实验砂轮在实验室进行磨削轴承钢材料试验,研究硼酸铝晶须对砂轮磨削性能的影响规律,测试砂轮的露刃高度和磨削比,结果见图4。

图4 晶须对砂轮露刃高度和磨削比的影响Fig.4 Influence of Whisker on due height and grinding ratio of the grinding wheel

在磨削过程中发现:(1)未添加硼酸铝晶须的砂轮(HRB硬度为75)磨削时单次最大进刀量0.04mm,机床震动较大,砂轮表面磨屑相对较多,工件表面粗糙度Ra为0.348;(2)添加5%晶须砂轮(HRB硬度为60)磨削时单次最大进刀量为0.055mm,机床震动正常,砂轮表面磨屑较少,工件表面粗糙度Ra为0.416。

从图4可以看出:(1)砂轮添加硼酸铝晶须后,虽然露刃高度由27μm降至22μm,但是磨削过程较平稳,工件表面粗糙度增加,说明砂轮锋利性有较大提高。(2)砂轮添加硼酸铝晶须后,磨削比由37降至23,主要是因为未添加砂轮黏屑多,且磨削量较少,因此测量数据有一定误差。

由上述数据看出,砂轮在添加硼酸铝晶须后硬度降低,利于修整,因此砂轮锋利性更好。另外,结合剂添加硼酸铝晶须后把持磨料强度高,不会降低砂轮的耐用度和寿命。

3 结 论

(1)加入5wt%铝粉会使结合剂的流动性提高15.6%,与资料介绍的引入其它添加剂会降低结合剂流动性的结果相异。

(2)添加硼酸铝晶须和铝粉后会使结合剂试样的抗折强度出现先增加再减小的现象,当硼酸铝晶须和铝粉添加量为3wt%时,结合剂试样的抗折强度提高10%～20%。

(3)对于硼铝硅酸盐陶瓷结合剂金刚石砂轮来说,添加铝粉会使金刚石砂轮的抗折强度及硬度降低,不适合增强增韧陶瓷金刚石砂轮;添加硼酸铝晶须量会使金刚石砂轮的抗折强度缓慢增加,洛氏硬度基本不变,添加量为5%时砂轮的磨削性能较佳。且添加硼酸铝晶须后,陶瓷金刚石砂轮锋利性更好,利于磨削。

[1] 关岩,何平,徐晓伟.各种添加剂对低温陶瓷结合剂性能的影响[J].辽宁科技大学学报,2008(34):246-249.

[2] 侯永改,王改民,荆运杰.金属及合金粉对低温陶瓷结合剂性能影响[J].中国陶瓷,2002(4):13-15.

[3] 肖长江,朱玲艳,张恒涛,等.纳米氧化铝对氧化铝陶瓷性能的影响[J].佛山陶瓷,2013(8):17-18.

[4] 王鹏飞.添加剂对陶瓷结合剂性能的影响[D].天津大学硕士论文.2007.

[6] 赵金柱.立方氮化硼磨具陶瓷结合剂性能研究[D].燕山大学硕士论文,2006.

[7] 王志起,万隆,胡伟达,等.Ti对陶瓷结合剂及金刚石磨具性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2011(2):50-54.

[8] 侯永改,彭进,邹文俊,等.合金粉对低温陶瓷结合剂及cBN磨具性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(1):61-64.

[9] 侯永改,张颂,邹文俊.纳米Al N对低温陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响[J].超硬材料工程,2009(4):32-35.

[10] 候永改,王改民,刘方晓.添加剂对低温陶瓷结合剂性能影响[J].陶瓷研究,2002(3):1-5.

[11] 宋鹏涛,刘泓,康露,等.添加剂对cBN高速砂轮用低温烧结陶瓷结合剂强度的影响[J].硅酸盐通报,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,材料学工学硕士,工程师,任职于郑州磨料磨具磨削研究所有限公司磨盘制造部,从事超硬磨具技术研发工作。E-mail:495561927@qq.com。

郜永娟,李克华,苏鸿良,等.不同添加剂对陶瓷金刚石砂轮性能的影响[J].超硬材料工程,2017,29(1):19-22.