氧化钛对陶瓷结合剂金刚石磨具性能及结构的影响

肖 攀，张 松，刘旭辉

(珠海市巨海科技有限公司，广东珠海 519100)

1 前言

磨具的三要素是磨粒、结合剂和气孔。磨粒是构成磨具的主要原料，起磨削作用的主要物质;结合剂是磨具中粘结磨粒的物质，使之具有一定的强度和形状，并使磨粒在磨削中具有一定的自锐作用;气孔在磨削过程中具有容屑、排屑和增强散热的作用［1］。陶瓷结合剂金刚石磨具具有形状保持性好、锋利且稳定性好等特性，因此在石油复合片聚晶、PDC刀具、硬质合金诸多领域中被广泛应用［2-4］。在磨具的磨削过程中，陶瓷结合剂对磨粒的把持力是影响陶瓷结合剂金刚石磨具性能的关键因素。

陶瓷结合剂金刚石磨具需要在较低的温度下烧成，由于结合剂中往往引入大量碱性物质，导致与金刚石的润湿性差，也会增大结合剂的热膨胀系数，使结合剂与金刚石的热膨胀系数相差较大，从而降低结合剂对磨粒的把持力［5］，因此有必要从陶瓷结合剂的性能改善入手，进而改善陶瓷结合剂金刚石磨具的性能。

陶瓷结合剂又可以称为玻璃结合剂。而氧化钛是微晶玻璃中应用最广泛的晶核剂之一，在许多不同组分的微晶玻璃中都是行之有效的［6］。氧化钛加入到微晶玻璃中形成微晶有助于降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃本身的强度［7］。因此，在陶瓷结合剂中添加氧化钛晶核剂有助于微晶的形成，进而改善陶瓷结合剂的性能从而使陶瓷结合剂金刚石磨具性能的改善具有一定的可行性。虽然氧化钛对微晶玻璃的结构与性能影响的研究已经比较深入，但氧化钛对陶瓷结合剂结构与性能的影响的研究还未见文献报道，本实验主要探讨氧化钛对陶瓷结合剂金刚石磨具性能及结构的影响规律，为氧化钛在超硬材料磨具中的应用提供理论依据。

2 实验

2.1 实验方案

在Li－B－Al－Si系陶瓷结合剂中加入晶核剂氧化钛，通过改变陶瓷结合剂中氧化钛的含量，测试其对陶瓷结合剂金刚石磨具的完全烧结温度的影响。在陶瓷结合剂金刚石磨具试样完全烧结的情况下，分别测试金刚石磨具试样的抗折强度、洛氏硬度、气孔率，以及显微结构等性能指标，分析氧化钛的添加对陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响规律，并从理论上查找原因。

2.2 试样制备

本实验采用自制的Li－B－Al－Si硅酸盐系陶瓷结合剂，氧化钛为分析纯，购于西陇化工。在纯结合剂(即不含氧化钛的结合剂)的基础上添加纯结合剂质量的 0.5wt%、1wt%、1.5wt%、2wt%、2.5wt%的氧化钛，先将结合剂与氧化钛在行星球磨机中混合均匀，制备成新的结合剂，然后按照表1所示的配比，制成30mm×6mm×4mm和Φ20mm×6mm两种金刚石磨具试样，在马弗炉中烧结。

表1 陶瓷金刚石磨具试样组份配比Table 1 Sample component of vitrified bond diamond tools

3 结果与分析

3.1 氧化钛对最佳烧结温度的影响

本实验以陶瓷结合剂磨具试样能够烧结并且不起泡变形的最高温度为完全烧结温度。在此温度下烧结出来的陶瓷结合剂磨具的烧结状态最好，其硬度及强度最好，最能反映陶瓷结合剂的性能，因此本实验以完全烧结温度下的陶瓷结合剂金刚石磨具为讨论对象。由表2中可以看出，随着氧化钛含量的增加，陶瓷结合剂磨具的完全烧结温度逐渐下降，当添加量为2.5wt%时，完全烧结温度下降了60℃。当添加量为0.5wt%时，陶瓷结合剂磨具的完全烧结温度下降了20℃，即陶瓷结合剂的耐火度下降了20℃。说明氧化钛对陶瓷结合剂金刚石磨具的烧结温度有着显著影响。

表2 不同氧化钛含量陶瓷结合剂磨具的完全烧结温度Table 2 The best sintering temperature of different titanium oxide content(℃)

3.2 金刚石磨具硬度及抗弯强度的分析

图1为完全烧结时不同氧化钛含量的陶瓷磨具硬度变化图。由图中可以看出，氧化钛的加入能够提高陶瓷结合剂磨具的硬度，但是提高不明显。随着氧化钛含量的增加，陶瓷结合剂磨具的硬度呈下降的趋势。当加入量为0.5wt%时，硬度达到最大值，洛氏硬度为122HRE。

图1 陶瓷金刚石磨具的硬度Fig.1 Rockwell hardness of vitrified bond diamond grinding tools

图2为完全烧结时不同氧化钛含量的陶瓷磨具抗弯强度变化图。由图中可以看出，氧化钛的加入会降低陶瓷结合剂磨具的抗弯强度，且随着加入量的增加呈快速降低的趋势。因此从抗弯强度的角度看，陶瓷结合剂中氧化钛的添加量不宜过多，否则其抗弯强度会降低太多，从而影响陶瓷结合剂磨具的安全性能及磨削性能。

图2 陶瓷金刚石磨具的抗弯强度Fig.2 Bending strength of vitrified bond diamond grinding tools

综上所述，氧化钛作为晶核剂的加入有利于提高陶瓷结合剂金刚石磨具的硬度，但是提高不明显。氧化钛作为晶核剂的加入会降低陶瓷结合剂金刚石磨具的抗弯强度，且抗弯强度随加入量的增加快速降低，因此氧化钛的添加量应小于1wt%。

3.3 对金刚石磨具显气孔率及微观结构的影响

图3为完全烧结时不同氧化钛含量的陶瓷结合剂金刚石磨具的显气孔率变化图。由图中可以看出，显气孔率随氧化钛的加入出现先减小后增大的趋势。但是显气孔率变化不明显，因此晶核剂氧化钛对陶瓷结合剂金刚石磨具的显气孔率影响不大。

图3 陶瓷结合剂金刚石磨具的显气孔率Fig.3 Porosity of vitrified bond diamond grinding tools

图4为300倍的陶瓷结合剂金刚石磨具的二次电子图像。从图中可以看出，无论添加氧化钛晶核剂与否，结合剂桥中都有许多封闭的小气孔。添加氧化钛含量 1.5wt%，2wt%，2.5wt%时较添加 0、0.5wt%、1wt%时，其贯通的大气孔明显增加，这也是其抗弯强度大幅下降的主要原因之一。从结合剂对金刚石的包裹状态来看，结合剂都能对金刚石进行有效的包裹。从断口的断裂面来看，基本都是从结合剂桥断裂，说明了金刚石－结合剂－金刚石的结合中，结合剂的强度较结合剂与金刚石的结合强度低，也从侧面证明了结合剂对金刚石进行了有效的包裹与结合。

图4 300倍添加不同氧化钛含量的金刚石磨具的显微结构图Fig.4 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 300×

图5为500倍的陶瓷结合剂金刚石磨具的背散射电子图像。从图中可以看出，不添加氧化钛晶核剂的结合剂桥中没有微晶的生成。而添加氧化钛晶核剂的结合剂桥中都生成了数量较多的微晶，但是微晶的数量并没有随晶核剂的增加而增加，而是没有明显的变化。氧化钛晶核在玻璃中的成核机理可能为氧化钛先与其他RO类型的氧化物一起从硅氧网络中分离出来(分液)，并以此为基础，形成晶核，从而促使玻璃微晶化［8］。而结合剂中的RO类型的氧化物是形成陶瓷结合剂的关键组分，在陶瓷结合剂的网络结构中起补网的作用。基于此可以判定在本实验的结合剂中，氧化钛成核所需的RO氧化物不足或RO氧化物优先进入玻璃网络，从而导致陶瓷结合剂的网络强度下降，形成的微晶数量没有继续增加。因此，在Li－B－Al－Si硅酸盐玻璃体系中加入氧化钛时应同时加入一定量的RO氧化物。

图5 500倍添加不同氧化钛含量的金刚石磨具的BSE图Fig.5 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 500×

4 结论

(1)氧化钛对陶瓷结合剂金刚石磨具的烧结温度有着显著影响。当氧化钛含量为0.5wt%时，完全烧结温度下降了20℃。

(2)氧化钛作为晶核剂的加入有利于提高陶瓷结合剂金刚石磨具的硬度，同时会降低陶瓷结合剂金刚石磨具的抗弯强度。为减少陶瓷结合剂金刚石磨具的抗弯强度下降，氧化钛的添加量应小于1wt%。

(3)从SEM二次电子图可以看出，加入氧化钛的陶瓷结合剂与金刚石的界面结合很好。从SEM背散射电子图可以看出，结合剂中的微晶数量没有随氧化钛的增加而增加，其数量没有明显变化，因此在加入晶核剂的同时应加入一定量的RO氧化物。