張景強 王宛山 于天彪 張 松，3

1.東北大學，沈陽，110004 2.沈陽航空航天大學，沈陽，110136 3.沈陽遠大企業(yè)集團，沈陽，110023

0 引言

近年來，超高速陶瓷CBN砂輪成為磨具開發(fā)的熱點，其良好的容屑、散熱、自銳性能以及穩(wěn)定的化學性能，可很好地滿足難加工材料磨削和高效磨削的需要，應用前景十分廣闊［1－2］。超高速陶瓷CBN砂輪需要一種低熔高強陶瓷結合劑，即要求結合劑具有高強度，低耐火度，良好的氣孔性、浸潤性、工藝性、化學穩(wěn)定性，且與CBN磨料熱膨脹系數匹配。然而傳統(tǒng)的陶瓷結合劑普遍存在燒結溫度高、強度低、燒成尺寸一致性差等缺陷［3］。

超高速CBN砂輪結構的優(yōu)化設計表明［4］，當φ370mm超高速砂輪貼片寬度為6mm，厚度為5mm，數量為60時，在250m／s線速度下，貼片所受最大拉應力為19.36MPa，要保證砂輪安全，貼片的抗拉強度至少為34.84MPa，相應的抗折強度值至少為70MPa，而普通陶瓷結合劑難以滿足此要求。普通陶瓷砂輪的耐火度往往接近1000℃，而部分CBN磨料在不到1000℃時就會發(fā)生高溫氧化導致砂輪性能低劣。另外，1000℃以上的高溫燒結也增加了能耗成本。

為此，筆者將納米材料技術引入到超高速陶瓷CBN砂輪結合劑開發(fā)中，以陶瓷結合劑為基體，通過加入多種納米改性劑從而制備出力學性能和熱學性能有明顯改善，且適用于超高速陶瓷CBN砂輪的納米陶瓷結合劑。

1 納米陶瓷結合劑的強化機理

納米材料學研究表明，如果能在微米級粉末燒結基體中引入納米相，則有望抑制基體晶粒的異常長大，使組織結構均勻，從而有利于復合材料力學性能的改變［5－6］。實際上，納米陶瓷結合劑的強韌化機制不僅僅與納米相抑制晶粒長大作用相關，還與結合劑內生成的內晶核結構強化、次晶界殘余應力強化、結合劑晶粒潛在納米化效應、殘余應力引起的裂紋偏轉、穿晶釘軋作用過程有關［7－8］。因此，根據納米復合材料強化機理我們設計了4種結合劑的配方，在陶瓷結合劑基體中加入納米改性劑，研究了納米氧化物對超高速磨削陶瓷結合劑性能的影響。

2 結合劑性能測試試驗

2.1 試驗方案

以R2O＋RO－B2O3－Al2O3－SiO2系統(tǒng)為陶瓷結合劑的基礎玻璃體系，在化學純原料中通過添加不同質量分數的納米Al2O3、納米SiO2及納米ZrO2對陶瓷結合劑進行強化增韌。表1所示為4種實驗結合劑的配比，為了考察納米改性劑對陶瓷結合劑的影響，分別對陶瓷結合劑的耐火度、膨脹系數、表面形貌、強度等基本性能進行了測試。

表1 4種陶瓷結合劑成分的質量分數 %

2.2 結合劑樣條制備

試驗采用的納米材料是經過粉體分散穩(wěn)定處理的，平均粒徑為50nm，其中，納米ZrO2粒徑約30nm，材料的質量分數超過99.9%。采用GZM－5型高頻共振研磨機將結合劑純料研磨至600目以細。以MYS－100壓機冷壓成形，制成37.0mm×5.8mm×5.0mm的結合劑強度及膨脹系數測試條，以及直徑為20mm、高為10mm的耐火度測試流動塊。試驗設備如下：R×3－20－12型箱式電爐，最高溫度為1200℃；GP－3型高溫線膨脹測試儀；伯納克公司的X Pert Pro X射線衍射儀；4202－006型電子萬能試驗機；Keyence VHX－1000型超景深三維顯微鏡。

2.3 納米陶瓷結合劑耐火度

將壓制干燥好的流動塊放入爐內，以5℃／min速率加熱，取流動塊熔化至1／2高度時的溫度為結合劑的耐火度。圖1為高溫照相機所拍照片，可知1號普通結合劑流動塊在800℃時幾乎沒有變化，2號、3號單納米成分結合劑流動塊變化甚微，4號結合劑則有明顯軟化。從850℃爐燒冷卻后各流動塊狀態(tài)來看，除了1號結合劑外，2號、3號、4號結合劑均達到了熔融態(tài)，因此可以斷定其耐火度在850℃以下。

圖1 納米陶瓷結合劑耐火度測試過程

隨后繼續(xù)進行多次耐火度測量，更加精確地確定了4種陶瓷結合劑的耐火度范圍，最終得到的各結合劑的耐火度及對應燒結范圍如表2所示。其中，1號傳統(tǒng)結合劑的耐火度最高，4號結合劑的耐火度最低，可見細粒度納米氧化物的加入能增強結合劑燒熔反應能力，可明顯降低結合劑耐火度。通過對比結合劑配方組成可以發(fā)現，納米SiO2對耐火度的降低影響較大。

表2 4種配方結合劑的耐火度

2.4 納米陶瓷結合劑熱膨脹系數

將4種陶瓷結合劑壓制成50mm×10mm×10mm的生胚條后按照參考燒成溫度進行燒成，然后將燒結熔融后冷凝的結合劑固塊磨成37.0mm×5.8mm×5.0mm規(guī)格的膨脹系數實驗條，以獲得最終工作狀態(tài)下的結合劑試樣。將制成的實驗條放到高溫熱膨脹分析儀上，樣品升溫速率按照5℃／min，加熱直至750℃，測出各個溫度階段的相應膨脹系數，如圖2所示。

圖2 4種陶瓷結合劑與CBN磨料的熱膨脹系數

與CBN磨料的膨脹系數最接近的是4號結合劑，然后依次是3號、2號、1號結合劑。另外，可以發(fā)現2號、3號、4號結合劑在溫度由常溫升至300℃范圍內線膨脹系數變化較快，之后變化緩慢，溫度超過550℃后，4號結合劑的膨脹系數基本穩(wěn)定在5.2×10－6K－1。此時，CBN磨料的熱膨脹系數達到3.5×10－6K－1，僅與4號結合劑條的膨脹系數相差1.7×10－6K－1。加入納米改性劑后，納米陶瓷結合劑條線膨脹系數變小的原因是，結合劑粗大顆粒間的縫隙被彌散的納米材料填充，結合劑內生成的納米相殘余應力使結合劑更加致密，從而使結合劑受熱應力影響所產生的體積變化幅度變小。

熱膨脹系數的實驗數據表明，4號結合劑最理想，其熱膨脹系數與CBN磨料的熱膨脹系數最接近，因此結合劑和磨料在燒結過程中產生的熱膨脹量能夠協調變化，從而減小熱應力對砂輪強度的影響。另外，1號結合劑的熱膨脹系數在650℃時有突變，上升到6.8×10－6K－1左右，這對結合劑強度是不利的。

2.5 納米陶瓷結合劑物相

為了考察超高速納米陶瓷CBN砂輪結合劑中玻璃相的生成情況，我們運用X射線衍射儀對結合劑進行了物相分析，如圖3所示。1號結合劑中有殘留的SiO2相，說明有方石英的析出，這勢必會導致結合劑本身強度的下降。2號結合劑中除了SiO2相外，還有少量 Al2SiO5相，而Al2SiO5相的析出在一定程度上能使2號結合劑強度有所提高，所以，2號結合劑的強度較1號結合劑高。4號結合劑的玻璃相最好，其中出現的ZrSiO4相具有高強度的四面體晶型結構，有著良好的機械及耐磨性能。

圖3 4種陶瓷結合劑物相衍射圖

2.6 納米陶瓷結合劑強度

為了考察納米陶瓷結合劑實際增韌的效果，同時驗證以上物相分析對結合劑強度的預測，我們在4202－006型電子萬能試驗機上對4個結合劑實驗條進行了抗折強度測試。測試所得抗折力曲線如圖4所示。

圖4 4種結合劑條的抗折力與位移的曲線

1號結合劑的強度最低，僅為59.91MPa；2號結合劑（強度為69.21MPa）中5%（質量分數）的納米SiO2對結合劑強度起到了較好的增韌效果。3號、4號結合劑（強度分別為78.82MPa和83.75MPa）中納米SiO2和納米Al2O3的質量分數較大，其強度都在70MPa以上，可見結合劑中形成玻璃相的納米主成分的質量分數對結合劑強度影響較大。4號結合劑中納米ZrO2對結合劑強度增韌的效果較Al2O3要好，但納米ZrO2本身的耐火度高、難以熔化，在結合劑中多半是以玻璃相的晶核形式存在，其質量分數過大時反而會降低晶型強度，對結合劑強度不利。因此，這里的抗折強度測試數據與之前結合劑物相測試的預計強度相吻合。

2.7 納米陶瓷結合劑表面形貌

為了進一步從微觀上考查4種結合劑強度、膨脹系數、顯微硬度各自差異的原因，我們使用VHX－1000型超景深三維顯微鏡，觀察4種結合劑試樣的微觀形貌，如圖5所示。

圖5 4種結合劑微觀形貌

由圖5可見，1號結合劑（傳統(tǒng)陶瓷）燒結后所含的氣泡最多、最大，且結合劑表面出現了線膨脹熱應力效應導致的大量微裂紋，這是1號結合劑強度、線膨脹系數較大的原因。2號結合劑中由于加入了納米SiO2成分，故結合劑玻璃相較好，表面顯性氣孔比1號結合劑的少；3號、4號結合劑最致密，表面顯性氣孔最少，且結合劑晶粒微小，這十分有利于提高結合劑的抗沖擊性能和耐磨性。4號結合劑晶粒最微小、致密，其間均勻分布著玻璃相與微氣孔，這有有助于增加結合劑的浸潤性，提高結合能力。同時，4號結合劑的線膨脹系數較小的原因也可以從4種結合劑最為致密的微觀形貌特征上得到印證。

2.8 納米陶瓷結合劑高溫潤濕性測試

結合劑對磨料的高溫潤濕性能決定兩者能否產生良好結合，是提高磨具強度與使用性能的關鍵。傳統(tǒng)方法測陶瓷結合劑高溫潤濕性時，將結合劑圓柱體放于細粒度磨料壓制成的托板上，依照工藝曲線升溫，對結合劑熔融狀態(tài)進行觀察并照相，再在照片上測量結合劑浸潤角。但這種方法卻并不適用于陶瓷CBN砂輪結合劑。一方面，CBN磨料的硬度很高，在不添加黏結物的情況下是很難將細粒度CBN磨料壓制成板塊的；另一方面，粗粒度磨料與實際砂輪生產所用磨料性能相去甚遠，在此狀況下測量的浸潤角θ并沒有說服力。實驗借鑒座滴法原理［9］，采用以下的方法進行納米陶瓷結合劑的浸潤性能實驗測試：

（1）將結合劑壓制成φ20mm×3mm的圓柱薄片，將薄片平放到φ30mm的剛玉坩堝內。

（2）將用于超高速砂輪生產的170／200粒度的CBN980磨料均勻撒置于4種結合劑薄片上。

（3）將坩堝放入到高溫電阻爐內，按照結合劑各自的升溫曲線，升溫至結合劑耐火度10℃以上，保溫2h后隨爐冷卻到室溫。

（4）將熔化在坩堝底部的試樣放到超景深三維顯微鏡下觀察其浸潤狀況，確定結合劑對CBN磨料的潤濕性。

從圖6可以看出，在結合劑的浸潤性方面，同樣是4號結合劑最好，其次是3號、2號結合劑，最差的是1號結合劑。從顯微鏡下可以明顯看出，結合劑與CBN磨料結合處有多處裂隙。由于測量方法的差異，雖然無法確定結合劑與磨料浸潤角θ的大小，但僅從圖6就可以直觀地看出，3號、4號結合劑對CBN磨料的浸潤性是非常好的，且由于實驗使用的磨料是項目研究中專用于超高速陶瓷CBN砂輪生產制備的磨料，因此測試結果更加具有工藝參考價值。

3 超高速陶瓷CBN砂輪砂條性能測試

3.1 納米陶瓷結合劑砂條抗折強度

圖6 4種陶瓷結合劑潤濕狀況

對4種陶瓷結合劑強度的測試可知，傳統(tǒng)的1號結合劑強度顯然無法承受250m／s線速度旋轉下的拉應力，只有3號、4號結合劑滿足250m／s線速度超高速陶瓷CBN砂輪的強度要求。然而，結合劑的強度并不等同于超高速陶瓷CBN砂輪貼片的真實強度。因此我們制備了對應的4種結合劑的CBN砂輪強度實驗條，其中，CBN磨料選用國產200目粒度的CBN980。表3為對應的抗折力及抗折強度測試數據。其中，4號實驗條的強度達到了88.23MPa，可見采用納米陶瓷結合劑的砂輪實驗條強度較普通陶瓷結合劑砂輪實驗條有很大提升。同時也說明納米結合劑與CBN980具有很好的結合性能。

表3 4種結合劑砂條的抗折力及對應抗折強度

3.2 納米陶瓷結合劑砂塊顯微結構觀察

圖7所示為4種陶瓷結合劑實驗砂塊的微觀形貌。實驗砂塊所用磨料為200目粒度的國產CBN980，其中，圖7a所示為燒成溫度900℃、未加任何納米改性劑的1號結合劑制成的砂條表面形貌照片，圖7b～圖7d所示分別為加入2號、3號、4號結合劑的砂塊。圖7中的大塊黑色及琥珀色的晶體物質是國產CBN980磨料，磨料周圍淺灰色呈玻璃光澤類絮狀的物質和包覆磨料表面的薄膜狀玻璃物質都是結合劑，CBN磨料之間由結合劑橋粘結。

微觀形貌測顯示，1號結合劑砂條磨料之間的氣孔（多為顯性氣孔）較大，結合劑橋上也存在著小氣孔，這些小氣孔尺寸在20μm左右。出現此種情況是因為結合劑本身缺點導致熔融狀態(tài)黏度大、氣體逸出較難。雖然多孔容屑性能是陶瓷結合劑的優(yōu)點之一，但是這種存在于結合劑橋中的大氣孔，卻會顯著降低砂塊強度。另外，1號砂塊表面殘留有較多的大粒白色石英晶粒，這是燒結反應中石英相析出的特征，石英相的殘留會降低砂條強度。

圖7 砂塊表面超景深三維照片（μm）

再觀察其他幾種納米陶瓷砂條狀況，4號結合劑砂條在宏觀狀態(tài)下幾乎觀察不到顯性氣孔，只在磨料與結合劑縫隙中有一些隱性微氣孔，砂條的氣孔率也較小。4號砂條的玻璃相生成也是最好的，在顯微鏡下觀察可見納米陶瓷結合劑在CBN磨料表面形成了十分均勻的包覆層，并呈現出金屬般的釉色光澤，磨料晶型也保持得很完整。因此，在4種結合劑中，4號納米陶瓷的綜合性能也是最好的。

4 結論

（1）納米結合劑的性能測試表明，納米改性物的加入有助于細化結合劑晶粒，提高結合劑強度，同時能促進結合劑反應能力，從而降低其耐火度。另外，納米Al2O3（質量分數為10%）對結合劑的耐火度降低能力不如納米SiO2（質量分數為5%）。

（2）從浸潤能力來說，納米改性物的加入有助于結合劑晶粒的細化，提高結合劑的浸潤能力。

（3）值得注意的是，納米改性物種類及質量分數的增多雖然可以一定幅度降低結合劑耐火度，但卻會使結合劑的燒結范圍變窄，使納米陶瓷結合劑的制備工藝難度進一步增加。

（4）根據納米復合材料強化機理，加入合理質量分數的納米成分后，實驗得到的陶瓷結合劑在耐火度、線膨脹系數、機械強度、浸潤性能上都有著明顯的改善。4號結合劑的強度達到了83.75MPa，以其制備的陶瓷CBN砂輪砂條強度達到了88.23MPa，耐火度約為795℃，是一種更加理想的超高速陶瓷CBN砂輪結合劑。

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