胡 曉 ，程 寓 ，袁 勤 ，方靜弦

(南京理工大學(xué) 工信部高端裝備制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇 南京 210000)

0 引 言

由于陶瓷結(jié)合劑材料的脆性，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的使用壽命一直不理想。此外，陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨溫度上升而上升，但金剛石在空氣氣氛中700 ℃以上就會開始發(fā)生氧化反應(yīng)，900 ℃以上就會開始發(fā)生石墨化現(xiàn)象[1-2]，所以陶瓷結(jié)合劑必須滿足低溫?zé)傻囊螅@與提高其強(qiáng)度產(chǎn)生矛盾。所以，研發(fā)低溫高強(qiáng)的陶瓷結(jié)合劑、提高陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的使用壽命與磨削質(zhì)量一直是研究熱點(diǎn)所在[3-4]。

目前，金剛石砂輪的制備主要有無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種方法。無壓燒結(jié)操作簡單，模具不用加熱，使用壽命較長，但無壓燒結(jié)采用由外到內(nèi)的熱傳遞的方式，所以燒結(jié)時間很長，通常需要5 h以上，電能消耗大。熱壓燒結(jié)所需壓力較小，可燒結(jié)大尺寸試樣，還可有效提高試樣致密度，但熱壓燒結(jié)也是采用的熱傳遞的升溫方式，所以升溫比較慢，電能消耗大，且不能成批生產(chǎn)。

近年來，微波燒結(jié)技術(shù)能到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，尤其是在陶瓷材料燒結(jié)制備領(lǐng)域[5]。與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)主要依靠材料自身吸收電磁波發(fā)生介質(zhì)損耗由內(nèi)而外整體升溫，燒結(jié)時間短，還能降低燒結(jié)溫度，顯微結(jié)構(gòu)更加均勻[6]。金剛石砂輪燒結(jié)所需的陶瓷結(jié)合劑要滿足低溫高強(qiáng)的要求，而微波燒結(jié)由內(nèi)而外整體加熱升溫快、降低燒結(jié)溫度的特點(diǎn)相比較通過熱傳遞升溫的傳統(tǒng)燒結(jié)無疑具有很大的優(yōu)勢。

本文將金剛石磨料與B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結(jié)合劑混合，然后置于保溫助燒裝置中進(jìn)行微波燒結(jié)，研究其力學(xué)性能、相組成以及微觀組織結(jié)構(gòu)，探討微波燒結(jié)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的可行性。

1 試驗(yàn)步驟

1.1 陶瓷結(jié)合劑制備

本實(shí)驗(yàn)所用的陶瓷結(jié)合劑為B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結(jié)合劑，具體成分組成如表1所示，該玻璃結(jié)合劑具有較低的燒結(jié)溫度(600 ℃-720 ℃)，較高的抗彎強(qiáng)度(大于100 MPa)，熱膨脹系數(shù)(6.8×10-6/℃-7.0×10-6/℃)與金剛石的熱膨脹系數(shù)(4.5×10-6/℃)相近，對金剛石磨料具有良好的潤濕包覆能力[7]。Al2O3(由上海超威納米科技有限公司提供)粒徑為20 μm， Na2O由Na2CO3(由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供)引入，純度為98.5%，其他成分(由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供)純度都在98%以上。按表1配方將各組分混合，放入行星式球磨機(jī)中用酒精濕磨12 h，球磨介質(zhì)是Al2O3球，然后干燥，過100#篩，置于馬弗爐中以10 ℃/min的速度升溫至1500 ℃并保溫2 h進(jìn)行高溫熔煉，保溫結(jié)束后馬上將熔煉后的液體倒入水中水淬，然后取出玻璃結(jié)合劑碎塊，繼續(xù)在行星式球磨機(jī)中用酒精濕磨12 h，球磨介質(zhì)依然是Al2O3球，然后取出干燥，過200#篩，封裝備用。

1.2 試樣制備

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪主要由陶瓷結(jié)合劑、金剛石磨料、輔助磨料以及臨時粘結(jié)劑等組成，本實(shí)驗(yàn)選用粒度大小為230/270#的金剛石破碎料(由黃河旋風(fēng)股份有限公司提供)，輔助磨料選擇綠色SiC(由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供)，臨時粘結(jié)劑選用甲基纖維素(由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供)水溶液與糊精粉(由河南義翔新材料有限公司提供)。按表2所示的組分占比首先將金剛石磨料與綠色SiC在研缽中混合，然后逐滴加入甲基纖維素水溶液(濃度為0.3%)潤濕磨料，然后加入陶瓷結(jié)合劑與糊精粉的混合粉體，在研缽中充分?jǐn)嚢?，直至混合粉體能充分包裹在磨料周圍?；炝辖Y(jié)束后將粉料置于模具中，壓制成35 mm×5 mm×5 mm的長條與13 mm×13 mm×6 mm的方塊素坯，以便測量其抗彎強(qiáng)度與硬度，壓力為60 MPa，保壓時間約為2-3 min，然后將素坯置于干燥箱中干燥6 h，將干燥后的素坯置于NJZ5-1型真空微波燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，微波燒結(jié)在N2氣氛保護(hù)下進(jìn)行，升溫速率約為30 ℃/min，保溫30 min左右，整個過程在70-80 min左右。

1.3 測試

利用下列公式計算試樣氣孔率

式中，V為氣孔率，ρ為試樣密度，Wα為試樣中磨料所占質(zhì)量百分比，ρα為磨料密度，Wν為陶瓷結(jié)合劑所占質(zhì)量百分比，ρν為結(jié)合劑密度。

利用HR-150DT電動洛氏硬度計(由杭州精兢檢測儀器有限公司提供)測量試樣硬度，實(shí)驗(yàn)力取980.7 N，保壓時間為5 s，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(由深圳三思縱橫科技股份有限公司提供)采用三點(diǎn)抗彎法測量試樣抗彎強(qiáng)度，跨距取20 mm，加荷速度取0.5 mm/min，采用X射線衍射儀(XRD, D8 Advance, Germany)分析試樣的物相組成，采用掃描電子顯微鏡(SEM, LEO1530VP, Germany)觀看試樣斷口形貌。

2 結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

圖1所示為不同溫度下微波燒結(jié)對試樣氣孔率、硬度以及抗彎強(qiáng)度的影響。素坯成型的質(zhì)量與尺寸都是確定的，氣孔率都為28.98%，從圖1(a)中可以看出，經(jīng)過燒結(jié)后，氣孔率會有所增加，這是因?yàn)樵嚇釉跓Y(jié)過程中陶瓷結(jié)合劑會與金剛石磨粒在結(jié)合部位發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成少量CO2，致使氣孔增多。在710 ℃-800 ℃，氣孔率基本維持在32%-34%左右，總體上呈降低的趨勢，這是因?yàn)樘沾山Y(jié)合劑逐漸致密造成的，而到了830 ℃，氣孔率增加到接近40%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在達(dá)到燒結(jié)溫度前陶瓷結(jié)合劑還沒有對金剛石磨粒實(shí)現(xiàn)有效包裹，陶瓷結(jié)合劑與金剛石顆粒之間的反應(yīng)并不劇烈，只是產(chǎn)生少量的CO2氣體，而達(dá)到燒結(jié)溫度后，陶瓷結(jié)合劑實(shí)現(xiàn)了對金剛石磨粒的有效包裹，金剛石磨粒通過陶瓷結(jié)合劑的粘結(jié)作用連接在一起，陶瓷結(jié)合劑中的堿性氧化物等會對金剛石磨粒產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO2，氣孔率急劇上升。

表1 陶瓷結(jié)合劑成分組成Tab.1 Compositions (wt.%) of vitri fi ed bond composites

表2 試樣成分組成Tab.2 Compositions (wt.%) of sample composites

圖1 不同燒結(jié)溫度對試樣硬度、抗彎強(qiáng)度以及氣孔率的影響Fig.1 Effects of different sintering temperatures on (a) the porosity, (b) hardness, (c) bending strength of the specimens

從圖1(b)、(c)中可看出，試樣的硬度以及抗彎強(qiáng)度都是隨著溫度的上升而上升，在800 ℃達(dá)到峰值，然后再下降，在800 ℃保溫30 min的試樣硬度最高可達(dá)62.9 HRB，抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)50 MPa。在800 ℃以前，試樣的力學(xué)性能隨溫度上升而上升然后達(dá)到峰值后再下降的現(xiàn)象是由于隨著燒結(jié)溫度的上升，陶瓷結(jié)合劑逐漸溶解、產(chǎn)生液相、析晶、有新相生成等[8]，在這期間，結(jié)合劑逐漸燒結(jié)完全、致密，顆粒之間空隙被液相充分填滿[9]并逐漸粘結(jié)在一起對金剛石磨粒逐漸形成有效包裹，金剛石磨粒靠結(jié)合劑的結(jié)合逐漸連接在一起，試樣硬度與抗彎強(qiáng)度因此而上升，達(dá)到最高值，而后因?yàn)樘沾山Y(jié)合劑中的堿性氧化物等與金剛石磨粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CO2氣體，氣孔增多，正如圖1(a)中顯示的一樣，影響陶瓷結(jié)合劑對金剛石磨粒的有效包裹，因此導(dǎo)致試樣力學(xué)性能下降。此外，每塊素坯的質(zhì)量都為2.5 g，燒結(jié)過后質(zhì)量失重都在5%以下，這一部分失重是由于臨時粘結(jié)劑燃燒殆盡造成的，這也正對應(yīng)其所占的比重，故推斷微波燒結(jié)過程中幾乎沒有發(fā)生金剛石氧化現(xiàn)象。

2.2 相組成

所用陶瓷結(jié)合劑是由多種氧化物礦物或化學(xué)純試劑熔融配制而成，試樣XRD見圖2以硅酸鹽玻璃相為主，以硅、鋁、氧以及多種堿金屬為基本組成元素，結(jié)合劑中的基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體[SiO4]及其聚合物。根據(jù)玻璃網(wǎng)絡(luò)學(xué)說和相關(guān)文獻(xiàn)資料[10-12]，結(jié)合劑中大量的硅氧四面體[SiO4]相互連成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成骨架，將Na2O、CaO、BaO等引入結(jié)合劑后，他們提供了“自由氧”，而這些“自由氧”中的一部分會與[SiO4]網(wǎng)絡(luò)中的硅成鍵，從而形成Na2Si2O5、Ca2SiO4等聚合物，也正是這種現(xiàn)象斷開了硅與硅之間的“橋氧鍵”，破壞了硅氧三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此降低了結(jié)合劑的耐火度[13]。CaWO4晶體的出現(xiàn)與玻璃相中非均勻核化析晶有關(guān)，結(jié)合劑玻璃相中析出晶體有利于實(shí)現(xiàn)微晶增韌提高強(qiáng)度[4]。

圖2 在800 ℃保溫30 min時微波燒結(jié)的試樣XRD示意圖Fig.2 The XRD patterns of the specimens sintered by microwave at 800 °C for 30 min

圖3 不同溫度下微波燒結(jié)試樣的斷面SEM圖Fig.3 SEM micrographs of the fractured surfaces of the specimens: (a) MS710 °C, (b) MS740 °C, (c) MS770 °C, (d) MS800°C, (e) MS830 °C

2.3 微觀結(jié)構(gòu)組織

圖3所示為不同溫度下微波燒結(jié)試樣斷面的SEM圖，從圖3(a)-(e)中可以看出，隨著溫度升高，微波燒結(jié)的試樣的陶瓷結(jié)合劑逐漸溶解，產(chǎn)生液相，并對金剛石磨粒潤濕包裹，當(dāng)溫度達(dá)到燒結(jié)溫度800 ℃時，陶瓷結(jié)合劑對金剛石磨料的潤濕包裹效果最好，當(dāng)溫度達(dá)到830 ℃時，可能因?yàn)樘沾山Y(jié)合劑中的堿性氧化物等與金剛石磨粒劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO2氣體，也可能是爐腔內(nèi)殘留的氧氣與金剛石磨粒發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO2氣體，出現(xiàn)尺寸較大的氣孔，這也導(dǎo)致了試樣抗彎強(qiáng)度的下降[14-15]。

3 結(jié) 論

(1)利用微波燒結(jié)技術(shù)，成功制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪試樣，燒結(jié)時間短且沒有影響試樣力學(xué)性能的提升。

(2)在800 ℃燒結(jié)溫度，30 min保溫時間下，微波燒結(jié)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪試樣力學(xué)性能最佳，氣孔率為34.88%，硬度為62.9 HRB，抗彎強(qiáng)度為50 MPa。

(3)微波燒結(jié)的快速升溫并沒有影響陶瓷結(jié)合劑的液相產(chǎn)生、析晶等過程。