欒時(shí)勛， 傅仁利， 朱海洋， 劉啟龍， 李玉軍

(1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 南京 210016) (2. 江蘇中騰石英材料科技有限公司， 江蘇 新沂 221400) (3. 江蘇凱達(dá)石英有限公司， 江蘇 新沂 221400)

玻璃陶瓷結(jié)合劑砂輪，以加工精度高、加工效率高、結(jié)合強(qiáng)度高和自銳性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高速高精度磨削中[1-2]。目前，主要的玻璃陶瓷結(jié)合劑體系有RO-B2O3-SiO2、R2O- Al2O3-B2O3-SiO2、RO2-Al2O3-BaO-B2O3-SiO2等[3]。

對(duì)于金剛石等超硬磨料，要求結(jié)合劑具有較高的強(qiáng)度、對(duì)金剛石潤(rùn)濕性能好、膨脹系數(shù)與金剛石相匹配。由于金剛石易被氧化[4-5]，制備過(guò)程中燒結(jié)溫度不宜過(guò)高，即結(jié)合劑的熔點(diǎn)不宜過(guò)高。加入堿金屬或堿土金屬的氧化物可有效降低陶瓷結(jié)合劑熔點(diǎn)，但會(huì)增大其熱膨脹系數(shù)，使結(jié)合劑與金剛石磨料的熱膨脹系數(shù)相差更多，在燒成或加工過(guò)程中膨脹和收縮不一致，降低結(jié)合劑對(duì)磨料的結(jié)合強(qiáng)度，影響金剛石磨具的強(qiáng)度及磨具耐用度。

為解決此問(wèn)題，目前的研究重點(diǎn)主要有兩方面：以低熔點(diǎn)玻璃(如Na2O-B2O3-SiO2)為基礎(chǔ)，添加其他氧化物或氟化物調(diào)整其性能，以滿(mǎn)足金剛石陶瓷結(jié)合劑的技術(shù)要求；在堿金屬或堿土金屬的低熔點(diǎn)玻璃內(nèi)加入形核劑生成微晶，利用微晶的數(shù)量和分布調(diào)節(jié)結(jié)合劑的強(qiáng)度和性能。在鈉硼硅玻璃的基礎(chǔ)上加入Al2O3，不僅可以提高陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且加入的Al2O3可以作為形核劑促進(jìn)微晶玻璃的形成[6]。研究者在鈉硼鋁硅玻璃的基礎(chǔ)上，探討了L2O[7]，K2O[7]、BaO[8]、MgO[9]、ZrO2[10]、La2O3[11]、CeO2[11]、Y2O3[11]和AlN[12]對(duì)金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑性能的影響。研究表明：在鋰鋁硅玻璃中加入形核劑，可以得到力學(xué)性能好、熱膨脹系數(shù)可調(diào)的微晶玻璃[13]，其晶化溫度為800～900 ℃，具有結(jié)合強(qiáng)度高、磨削性能好等特點(diǎn)，可用于金剛石砂輪制造[14]。

微晶玻璃替代普通玻璃作為超硬磨具的結(jié)合劑，不僅能提高磨具的耐磨性、自銳性以及強(qiáng)度，還能改善陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕性[15-17]。但與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于微晶玻璃作為超硬磨具結(jié)合劑的研究仍有較大的差距，主要體現(xiàn)在結(jié)合劑的燒結(jié)溫度高、黏度大、界面結(jié)合強(qiáng)度不足等方面。

我們選擇ZnO-Al2O3-B2O3-SiO2(ZABS)微晶玻璃為基礎(chǔ)玻璃，通過(guò)研究硼硅比(wB∶wSi)對(duì)析晶過(guò)程和玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響，以及微晶玻璃對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕性，制備出玻璃軟化溫度低、結(jié)合強(qiáng)度高、適用于金剛石砂輪的鋅鋁硼硅微晶玻璃陶瓷結(jié)合劑。

1 粉體制備

ZABS微晶玻璃具有熱膨脹系數(shù)低、軟化溫度低和介電性能好等優(yōu)點(diǎn)[18-19]；同時(shí)，ZnO還具有助熔作用，可以降低燒結(jié)溫度，并改善結(jié)合劑對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度[20-21]。

按表1所示的原料配比配置ZABS微晶玻璃。其中，B2O3以H3BO3形式引入，考慮到H3BO3高溫易揮發(fā)的特點(diǎn)，樣品配制時(shí)適當(dāng)過(guò)量；其他成分直接以氧化物形式引入。所用原料均購(gòu)自于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)，純度均為分析純。引入TiO2和ZrO2作為形核劑，促進(jìn)析晶。

表1 ZABS微晶玻璃的原料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將配制好的樣品放入尼龍球磨罐，以去離子水為介質(zhì)，使用行星式球磨機(jī)(QM-3SP2，南京大學(xué)儀器廠(chǎng))濕球磨均勻混合2 h后，放入烘箱(DHG-9023A，上海齊欣)在120 ℃下烘干。將烘干后的樣品置入氧化鋁坩堝內(nèi)，然后于高溫爐(SJF1600，南京博運(yùn)通)中在1400 ℃下熔煉2 h，再將熔融的玻璃熔體迅速倒入室溫的純凈水中快速冷卻。將淬火后的玻璃塊體放入烘箱于120 ℃下干燥，然后用顎式破碎機(jī)(MSK-SFM-ALO，合肥科晶)破碎，破碎后的玻璃粉體繼續(xù)放入臼式研磨機(jī)(MG100，北京格瑞德曼)中研磨。最后，將研磨后的玻璃粉放入氧化鋯球磨罐中，在行星式球磨機(jī)上球磨12 h。球磨后的玻璃粉經(jīng)篩網(wǎng)(篩孔尺寸0.045 mm)篩分后獲得實(shí)驗(yàn)所用的ZABS玻璃粉。

2 性能表征

將制得的玻璃粉壓制成φ8 mm×5 mm的圓片，在馬弗爐中進(jìn)行晶化處理，燒結(jié)工藝如圖1所示。

圖1 微晶玻璃燒結(jié)工藝

拋光制得的圓片試樣表面，用于XRD和SEM測(cè)試。使用X射線(xiàn)衍射分析儀(D8 Advance，德國(guó)Bruker)分析ZABS玻璃粉和玻璃燒結(jié)試樣的物相組成。測(cè)試條件：Cu靶、Kα線(xiàn)輻射、管電壓40 kV、電流30 mA、步長(zhǎng)0.02°、掃描范圍10°～80°。采用掃描電子顯微鏡(Quanta 200，美國(guó)FEI)觀(guān)察微晶玻璃中析出晶相的顯微結(jié)構(gòu)。

用熱膨脹儀(DIL402C，德國(guó)NETZSCH)測(cè)試玻璃陶瓷試樣的熱膨脹系數(shù)。將制得的玻璃粉用電動(dòng)壓片機(jī)(DY30，天津科器高新技術(shù)公司)壓制成5 mm×5 mm×50 mm的長(zhǎng)條試樣，置于馬弗爐(NBD-M1200，鄭州諾巴迪)中，以5 ℃/min的速度升溫至500 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻后用于熱膨脹系數(shù)的測(cè)試。

將粉體燒結(jié)成標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣，用三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法測(cè)試微晶玻璃樣品的抗彎強(qiáng)度(SANS-CMT5105，新三思)。

將玻璃粉制成高30 mm，上底邊2 mm，下底邊8 mm的三角形耐火錐(示意圖如圖2)，測(cè)試玻璃結(jié)合劑的耐火度[22]。以三角形耐火錐坍塌時(shí)的溫度表征ZABS微晶玻璃的耐火度。

圖2 三角形耐火錐示意圖

將金剛石磨料均勻鋪撒于表面涂覆有ZABS微晶玻璃漿料的Al2O3陶瓷基板上，然后在馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)。用3D表面形貌分析儀(EXPERT，德國(guó)BMT)觀(guān)察玻璃陶瓷對(duì)金剛石的潤(rùn)濕情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 微晶玻璃物相分析與顯微結(jié)構(gòu)

圖3所示為析晶處理后ZABS微晶玻璃樣品的XRD圖譜。如圖3所示：經(jīng)過(guò)析晶熱處理(形核與晶化)后，所有ZABS玻璃樣品中均有ZnAl2O4、ZnB2O4和少量SiO2等晶體析出。

圖3 ZABS微晶玻璃的X射線(xiàn)衍射圖譜

Zn2+離子在玻璃中主要以[ZnO4]和[ZnO6]2種形式存在。隨硼含量增多，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的[BO4]四面體將趨于飽和，因而由Al3+奪取[BO4]中游離氧形成的[AlO4]也達(dá)到飽和，多余的Al3+將以[AlO6]的形式存在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[19]。體系內(nèi)存在一定數(shù)量的[ZnO4]和[AlO6]基元會(huì)析出ZnAl2O4晶體；[AlO6]越多，ZnAl2O4晶體析出越多。同時(shí)，B3+會(huì)形成[BO6]基元，進(jìn)而形成ZnB2O4晶相[19]。因此，隨硼硅比增大，ZnAl2O4和ZnB2O4析晶量增大。

圖4所示為ZABS微晶玻璃在700 ℃下保溫2 h后的掃描電子顯微鏡照片。從圖4中可以看出：經(jīng)晶化熱處理后，在玻璃基體上析出晶體；D1樣品中主要為針狀鋅鋁尖晶石，D2樣品中不僅有針狀鋅鋁尖晶石，還有顆粒狀ZnB2O4晶體。

當(dāng)硼硅比增大時(shí)，ZABS玻璃中析出晶體的數(shù)量逐漸增多，并且晶體長(zhǎng)大迅速，尺寸可達(dá)到1 μm，同時(shí)晶粒與晶粒之間排列較為緊密。這主要是因?yàn)榕鸷吭龃髸r(shí)，體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，同時(shí)形核溫度與晶化溫度也隨之降低。當(dāng)硼硅比達(dá)到1∶1時(shí)，試樣中晶體分布均勻且致密，晶粒尺寸大小交錯(cuò)排列。而硼硅比達(dá)到2∶1時(shí)，樣品中析出晶體開(kāi)始長(zhǎng)大，出現(xiàn)粗大晶粒，且晶界處出現(xiàn)裂紋，這對(duì)微晶玻璃陶瓷結(jié)合劑的力學(xué)性能是不利的。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，說(shuō)明實(shí)際晶化溫度已超過(guò)理論晶化溫度，從而導(dǎo)致部分晶體過(guò)度生長(zhǎng)，結(jié)合劑性能下降。

(a)D1(b)D2(c)D3(d)D4(e)D5圖4 ZABS系微晶玻璃SEM示意圖Fig.4 SEMsofZABSglass-ceramic

3.2 微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)與抗彎強(qiáng)度

圖5所示為ZABS微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)隨硼硅比的變化曲線(xiàn)。從圖5中可以看出：隨硼硅比增大，ZABS微晶玻璃體的熱膨脹系數(shù)逐漸升高。這是因?yàn)樵谂鸸杷猁}玻璃中，硼在玻璃中以[BO3]和[BO4]2種形式存在；當(dāng)體系中硼含量較少時(shí)，硼主要以[BO4]四面體形式進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)中，與[SiO4]共同構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，由于[SiO4]鍵能高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此宏觀(guān)上表現(xiàn)為熱膨脹系數(shù)升高不明顯。當(dāng)硼含量繼續(xù)增多時(shí)，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的[BO4]四面體將趨于飽和，多余的硼將以[BO3]形式存在于玻璃網(wǎng)絡(luò)之外，使玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧數(shù)量增多，進(jìn)而導(dǎo)致玻璃結(jié)構(gòu)松散、在熱振動(dòng)過(guò)程中位移和振幅增大，此時(shí)增大硼硅比將導(dǎo)致ZABS微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)快速上升[23]，與金剛石熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致磨具中磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度低、整體性能變差。

圖5 硼硅比對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響

圖6所示為不同燒結(jié)溫度下晶化處理后試樣抗彎強(qiáng)度圖。從圖6中可看出：隨著硼硅比的增加，ZABS微晶玻璃的抗彎強(qiáng)度先升高后降低，在硼硅比1∶1.5達(dá)到最大值(晶化溫度700 ℃時(shí)最大值出現(xiàn)在硼硅比1∶1處)。

圖6 不同燒結(jié)溫度下晶化處理后試樣抗彎強(qiáng)度圖

硼在玻璃中以[BO3]和[BO4]2種形式存在。當(dāng)體系中硅含量較高、硼含量較少時(shí)，玻璃網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由[SiO4]組成。由于[SiO4]鍵能較高，硼主要以[BO4]四面體形式進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)中，與[SiO4]共同構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)，宏觀(guān)上表現(xiàn)為抗彎強(qiáng)度升高。當(dāng)硼硅比超過(guò)1∶1時(shí)，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的[BO4]四面體將趨于飽和，多余的硼將以[BO3]形式存在于玻璃網(wǎng)絡(luò)之外，此時(shí)玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧數(shù)量增多，進(jìn)而導(dǎo)致玻璃結(jié)構(gòu)松散，抗彎強(qiáng)度降低。另一方面，硅氧鍵發(fā)生斷裂時(shí)需要足夠的能量，宏觀(guān)上表現(xiàn)為需要較高的燒結(jié)溫度，在溫度未達(dá)到其燒結(jié)溫度情況下，樣品沒(méi)有發(fā)生軟化，因此硅含量較高組分其抗彎強(qiáng)度較低。

3.3 微晶玻璃的耐火度

圖7所示為ZABS微晶玻璃的耐火度測(cè)定結(jié)果。從圖7可知：隨硼硅比增大，ZABS微晶玻璃軟化溫度下降、耐火度下降；硼硅比達(dá)到1∶1后，降幅減緩。

當(dāng)硼硅比小于1∶1時(shí)，隨硼含量增加，體系中的B—O鍵取代Si—O鍵，而打破B—O鍵所需的能量更低，因此體系的軟化點(diǎn)降低。同時(shí)，隨著硼含量增加，n(R2O+RO)∶n(Al2O3+B2O3)逐漸接近于1，對(duì)降低體系的軟化溫度也有貢獻(xiàn)[22]。

當(dāng)硼硅比大于1∶1時(shí)，隨硼含量增大，體系中的n(R2O+RO)∶n(Al2O3+B2O3)小于1，體系的軟化溫度升高；而過(guò)多的硼將以[BO3]三面體形式存在于玻璃網(wǎng)絡(luò)之外，降低體系的軟化溫度：ZABS微晶玻璃的軟化點(diǎn)降幅減小。

圖7 ZABS微晶玻璃的耐火度

圖8所示為不同硼硅比時(shí)ZABS微晶玻璃試樣的玻璃化溫度(θg)和軟化溫度(θs)。微晶玻璃的最佳形核溫度介于θg和θg+50 ℃之間，晶化溫度上限低于主晶相熔化溫度25～50 ℃[23]。因此，從熱膨脹系數(shù)曲線(xiàn)圖中可得到ZABS微晶玻璃的θg，可以確定ZABS玻璃的晶化溫度。

圖8 ZABS微晶玻璃的玻璃化溫度和軟化溫度

玻璃為無(wú)定形體，沒(méi)有固定的軟化溫度而是溫度范圍。從對(duì)比圖7和圖8發(fā)現(xiàn)：熱膨脹曲線(xiàn)推算的軟化溫度與三角錐法測(cè)得的軟化溫度不一致。這是因?yàn)榍罢弑碚鞯氖瞧鹗甲冃蔚臏囟赛c(diǎn)，對(duì)應(yīng)熱膨脹曲線(xiàn)上的最高點(diǎn)(熱膨脹軟化溫度)[20]；但是θg和θs均隨硼硅比增大而迅速下降，并在硼硅比超過(guò)1∶1后降幅趨緩，這與三角錐法測(cè)試的變化趨勢(shì)一致。我們以三角錐法測(cè)試的軟化點(diǎn)為實(shí)際軟化點(diǎn)，熱膨脹軟化溫度作參考。

3.4 微晶玻璃的潤(rùn)濕性能

圖9所示為ZABS微晶玻璃對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕的三維輪廓。通過(guò)三維表面形貌儀觀(guān)察ZABS微晶玻璃對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕情況。由圖9可知：隨ZABS玻璃中硼硅比的增加，ZABS微晶玻璃對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕角變小，對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性能得到改善。然而，當(dāng)硼硅比大于1.5∶1(D5)時(shí)，ZABS微晶玻璃已將金剛石磨料完全包覆，這不利于金剛石磨具磨削過(guò)程磨料的自銳。因此，當(dāng)硼硅比為1∶1時(shí)，ZABS微晶玻璃對(duì)金剛石磨料的潤(rùn)濕效果最好。

(a)D1(b)D2(c)D3(d)D4(e)D5圖9 ZABS微晶玻璃對(duì)金剛石磨料潤(rùn)濕情況Fig.9 Ceramicbinderwettingdiamondgrain

3 結(jié)論

通過(guò)控制硼硅比的變化，研究其對(duì)ZABS系微晶玻璃熱學(xué)性能、力學(xué)性能及析晶性能方面的影響。結(jié)果表明：

(1)隨硼硅比增大，ZABS系玻璃的軟化溫度逐漸降低；當(dāng)硼硅比為1∶1時(shí)，軟化溫度為710 ℃，硼硅比繼續(xù)增大，軟化點(diǎn)降低不明顯。

(2)析出的主晶相為ZnAl2O4和ZnB2O4。硼硅比越大，則析出的晶粒尺寸越大，試樣的宏觀(guān)力學(xué)性能越差；抗彎強(qiáng)度先升高后降低，在硼硅比為1∶1.5(700 ℃燒結(jié)時(shí)為1∶1)處達(dá)到最大值；但硅含量過(guò)高時(shí)，所需的燒結(jié)溫度高，試樣因燒結(jié)不充分而表現(xiàn)出較低的抗彎強(qiáng)度。

(3)硅含量較高時(shí)，試樣黏度高，燒結(jié)后對(duì)磨料的潤(rùn)濕性能較差；硼含量較高時(shí)，玻璃體系自身強(qiáng)度較低，且結(jié)合劑完全包覆磨料，不利于磨具磨削。

綜合上述結(jié)論，得出ZABS系微晶玻璃的最佳配比為硼硅比1∶1。此時(shí)，結(jié)合劑軟化溫度為710 ℃，抗彎強(qiáng)度達(dá)到78 MPa，析出晶相為ZnAl2O4和ZnB2O4；對(duì)磨料的潤(rùn)濕性好，磨料出刃高度均勻，滿(mǎn)足金剛石磨具用陶瓷結(jié)合劑的需求。

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