邱文星，趙志偉，陳飛曉，袁永帥，李 靜，劉曉慧

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末對(duì)cBN磨具用陶瓷結(jié)合劑性能的影響*

邱文星，趙志偉，陳飛曉，袁永帥，李 靜，劉曉慧

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了探索在不同燒結(jié)溫度下納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末對(duì)cBN磨具用陶瓷結(jié)合劑性能的影響，實(shí)驗(yàn)選用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統(tǒng)作為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑體系，向陶瓷玻璃料中加入6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末并分別在微波燒結(jié)爐中以不同溫度燒結(jié)制得納米陶瓷結(jié)合劑。實(shí)驗(yàn)采用LCP-1差熱膨脹儀、CMT4504型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)、Stemi2000-C金相顯微鏡等測(cè)試分析儀器，分別對(duì)所得結(jié)合劑進(jìn)行差熱分析、抗折強(qiáng)度、顯微結(jié)構(gòu)分析等性能檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末對(duì)結(jié)合劑性能有很大影響；加入6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末能使陶瓷結(jié)合劑最大抗折強(qiáng)度從18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃);納米碳化釩/鉻可以減小陶瓷結(jié)合劑的密度，以700℃的溫度燒結(jié)時(shí),結(jié)合劑密度從2.165g/cm3減小到1.256 g/cm3；以600℃燒結(jié)時(shí),6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末能使結(jié)合劑的流動(dòng)性從145.8%增大為154.8%。

納米碳化釩/鉻粉末；cBN用陶瓷結(jié)合劑；不同溫度

0 引言

磨削作為零件加工的最后一道工序，其所用磨具是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。陶瓷結(jié)合劑cBN磨具具有磨削鋒利、磨具容易修整的特點(diǎn)，但由于陶瓷結(jié)合劑cBN磨具韌性差，脆性較大，這就使其在高速、超高速磨削領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制[1]。陶瓷結(jié)合劑自身的性質(zhì)對(duì)cBN磨具的性能和結(jié)構(gòu)有著非常重要的影響。在適當(dāng)?shù)那闆r下，少量的添加物可以明顯改善結(jié)合劑的微觀結(jié)構(gòu)[2]。將異質(zhì)納米顆粒均勻分散在陶瓷基體中，并將其進(jìn)行充分地復(fù)合、分散，可使納米陶瓷復(fù)合材料的耐磨性、韌性、高溫力學(xué)性能得到很大提高[3]。納米碳化釩和碳化鉻具有高熔點(diǎn)、高硬度、優(yōu)良的熱導(dǎo)性等性能[4]。本實(shí)驗(yàn)采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統(tǒng)作為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑，通過加入一定量納米碳化釩/鉻改性劑，制備了性能較為優(yōu)異的納米陶瓷結(jié)合劑,并深入研究了納米碳化釩/鉻對(duì)cBN磨具用陶瓷結(jié)合劑性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系統(tǒng)作為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑體系進(jìn)行研究，基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑各物質(zhì)純度及比例如表1所示。表2為結(jié)合劑中納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末用量。

表1基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中各物質(zhì)純度及比例

Table 1 The purity and proportion of all materials in the basic ceramic bond

原料純度(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)SiO299.8%56Al(OH)399.020HBO399.813Na2CO399.56CaCO399.05

表2 結(jié)合劑中納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末含量

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備如下：

QM-3SP2行星式球磨機(jī)；101-1A電熱鼓風(fēng)干燥箱； HY-1600℃ 高溫節(jié)能精密熔塊爐；Y41-25B2單柱校正型壓裝液壓機(jī)；RWS微波多功能實(shí)驗(yàn)爐；LCP-1差熱膨脹儀；CMT4504型電子萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)；Stemi2000-C金相顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)以SiO2、Al(OH)3、HBO3、CaCO3、Na2CO3為原料，按一定配比混合球磨至200目左右，壓制成塊后用高溫熔塊爐熔塊，對(duì)熔融玻璃料進(jìn)行急冷烘干制得玻璃料，將制得的玻璃料干燥，球磨至200目，按6%比例加入納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末，壓塊干燥后用微波多功能實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行燒結(jié),得到納米碳化釩/鉻陶瓷結(jié)合劑樣品。

1.3 樣品檢測(cè)

采用CMT4504電子多功能試驗(yàn)機(jī)對(duì)cBN磨具用陶瓷結(jié)合劑試樣條進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試。用LCP-1差熱膨脹儀對(duì)試樣進(jìn)行差熱分析。采用ED-300A數(shù)顯固體密度計(jì)測(cè)量磨具試樣條的致密度。采用Stemi2000-C金相顯微鏡對(duì)產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行觀察和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的抗折強(qiáng)度

基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑與添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的納米陶瓷結(jié)合劑在不同燒結(jié)溫度下得到的試驗(yàn)樣品的抗折曲線如圖1所示。從圖中可以看出：基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度隨溫度增加而減小，添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的納米陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律為先增大后減小。在不同的燒成溫度下制得的納米陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度均比基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度高。添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的陶瓷結(jié)合劑在600℃時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)最大值44.44MPa，基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑在550℃時(shí)有最大值18.32MPa。

圖1 燒結(jié)樣品的抗折強(qiáng)度Fig.1 Bending strength of the sintered samples

2.2 樣品的差熱分析

圖2為空氣氛圍中添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的陶瓷結(jié)合劑的差熱分析圖。由圖2可知，整個(gè)升溫的過程中有兩個(gè)峰，峰的方向向下，說明反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度分別在134℃、307℃。此外，在134℃時(shí)峰的面積大于307℃時(shí)峰的面積，表明135℃的熱效應(yīng)大。出現(xiàn)了吸熱峰的原因是基礎(chǔ)結(jié)合劑中的硼酸與氫氧化鋁等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)是吸熱的，而且由于分解反應(yīng)過程中放出氣體導(dǎo)致了玻璃料失重29.14%。當(dāng)溫度慢慢達(dá)到900℃時(shí)，原材料的重量變化很慢，基本趨于穩(wěn)定。

圖2 納米陶瓷結(jié)合劑差熱曲線圖Fig.2 Differential thermal curve of nano ceramic bond

2.3 樣品的體積密度

不同溫度下樣品的體積密度如圖3所示?；A(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的體積密度隨溫度的變化趨勢(shì)為先增大后減小，在700℃時(shí)出現(xiàn)最大密度為2.224 g/cm3，在600℃時(shí)出現(xiàn)最小密度為1.592 g/cm3。添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的結(jié)合劑在600℃之后其體積密度隨著溫度的增加而逐漸減小,且基本上其密度比未添加納米碳化釩/鉻粉末的結(jié)合劑小，在700℃時(shí)，其體積密度達(dá)到最小值0.997g/cm3。

圖3 燒結(jié)樣品的密度Fig.3 The density of yrh sintered samples

2.4 樣品流動(dòng)性檢測(cè)

用600℃的溫度燒結(jié)時(shí)，基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑與添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度均較高，故實(shí)驗(yàn)選用600℃溫度燒結(jié)的兩種結(jié)合劑檢測(cè)流動(dòng)性，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 600℃時(shí)燒結(jié)樣品流動(dòng)性

由表3可知，在未添加納米碳化釩/鉻粉末復(fù)合時(shí)，結(jié)合劑的流動(dòng)性為145.8%，而添加6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末后，其流動(dòng)性提升到154.8%，由此可見納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末能夠提升陶瓷結(jié)合劑的流動(dòng)性。

2.5 樣品的顯微結(jié)構(gòu)

用600℃的溫度燒結(jié)時(shí)，添加了6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的陶瓷結(jié)合劑的流動(dòng)性較好，實(shí)驗(yàn)選用微波法以600℃的溫度燒結(jié)的兩種結(jié)合劑作為掃描電鏡實(shí)驗(yàn)樣品。觀察的局部圖像為陶瓷結(jié)合劑試樣條在做抗折強(qiáng)度時(shí)的斷面。圖4為掃描電鏡具體圖像。

圖4 600℃時(shí)燒結(jié)樣品的掃描電鏡Fig.4 The SEM images of sintered samples at 600℃

從圖4可以看出,在 600 ℃燒成時(shí),添加6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末的結(jié)合劑呈現(xiàn)比較均勻的玻璃相,氣孔數(shù)量多，氣孔圓滑 。比較基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的微觀結(jié)構(gòu)可以看出, 基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑氣孔數(shù)量明顯較少，且分布不均勻, 同時(shí)氣孔的形狀不規(guī)則。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)以二氧化硅、氫氧化鋁、硼酸、碳酸鈣、碳酸鈉為原材料，加入6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末，用微波燒結(jié)法制備了納米碳化釩/鉻陶瓷結(jié)合劑。對(duì)不同燒結(jié)溫度下所得的結(jié)合劑進(jìn)行了差熱分析、抗折強(qiáng)度、顯微結(jié)構(gòu)分析等性能檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)加入6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末使陶瓷結(jié)合劑最大的抗折強(qiáng)度從18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃)。

(2)納米碳化釩/鉻的添加，可以減小陶瓷結(jié)合劑的密度，增大氣孔率。當(dāng)使用700℃的溫度燒結(jié)時(shí),結(jié)合劑密度從2.165g/cm3減小到1.256g/cm3。

(3)使用600℃燒結(jié)時(shí),加入6%納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末使結(jié)合劑的流動(dòng)性從145.8%增大為154.8%。

[1] 程利霞，李志宏，朱玉梅，等.金屬Al粉對(duì)cBN磨具陶瓷結(jié)合劑性能的影響[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2008(05):44-47.

[2] Hyeong J k，Sung S R，Seongwon K，et al.Mechanical properties of new vitrified bonds for CBN grinding wheel [J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009,10(3):13-17.

[3] 陳飛曉，趙志偉，胡文萌. 納米氮化釩對(duì)陶瓷結(jié)合劑cBN磨具的性能影響[J]. 科技視界，2016(18):133+147.

[4] 郭文珺. 納米碳化釩和碳化鉻粉末的制備工藝及機(jī)理研究[D].南昌大學(xué),2013.

InfluenceofNanoVC/Cr2C3onCompositePowderonPerformanceofCeramicBondforcBNGrindingTool

QIU Wen-xing, ZHAO Zhi-wei, CHEN Fei-xiao, YUAN Yong-shuai, LI Jing, LIU Xiao-hui

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001,China)

In order to study the influence of nano VC/Cr2C3on composite powder on performance of ceramic bond for cBN grinding tool at different sintering temperature, ceramic bond was prepared in the experiment with SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO system as the basic ceramic bond system, and nanoVC/Cr2C3on composite powder of 6% mass fraction was added into the ceramic frit and then sintered respectively in the microwave sintering furnace under different temperature. Performance tests of the prepared bond such as differential thermal analysis, bending strenth and microstructure analysis were carried out respectively by analytical instruments such as LCP-1 differential dilatometer, CMT4504 electron-tensile tester and Stemi2000-C metallurgical microscope. Result shows that nanoVC/Cr2C3on composite powder has significant influence on performance of ceramic bond; adding 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the maximum bending strenth of ceramic bond from 18.32MPa(550℃)to 44.44MPa(600℃); nanoVC/Cr2C3on can reduce the density of ceramic bond from 2.165g/cm3to 1.256 g/cm3under the sintering temperature of 700℃; 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the flowability of the bond from 145.8% to 154.8%.

nano VC/Cr2C3composite powder; ceramic bond for cBN grinding tool; different temperature

2017-03-24

邱文星(1997-)，E-mail：1275601142@qq.com; 趙 志 偉(1979-)，男，博士，副教授。

邱文星，趙志偉，陳飛曉,等.納米碳化釩/鉻復(fù)合粉末對(duì)cBN磨具用陶瓷結(jié)合劑性能的影響[J].超硬材料工程，2017，29(5)：34-37.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0034-04