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        氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能及結(jié)構(gòu)的影響

        2019-09-06 02:12:20劉旭輝
        超硬材料工程 2019年3期

        肖 攀,張 松,劉旭輝

        (珠海市巨??萍加邢薰?,廣東珠海 519100)

        1 前言

        磨具的三要素是磨粒、結(jié)合劑和氣孔。磨粒是構(gòu)成磨具的主要原料,起磨削作用的主要物質(zhì);結(jié)合劑是磨具中粘結(jié)磨粒的物質(zhì),使之具有一定的強(qiáng)度和形狀,并使磨粒在磨削中具有一定的自銳作用;氣孔在磨削過程中具有容屑、排屑和增強(qiáng)散熱的作用[1]。陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具具有形狀保持性好、鋒利且穩(wěn)定性好等特性,因此在石油復(fù)合片聚晶、PDC刀具、硬質(zhì)合金諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[2-4]。在磨具的磨削過程中,陶瓷結(jié)合劑對磨粒的把持力是影響陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的關(guān)鍵因素。

        陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具需要在較低的溫度下燒成,由于結(jié)合劑中往往引入大量堿性物質(zhì),導(dǎo)致與金剛石的潤濕性差,也會增大結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù),使結(jié)合劑與金剛石的熱膨脹系數(shù)相差較大,從而降低結(jié)合劑對磨粒的把持力[5],因此有必要從陶瓷結(jié)合劑的性能改善入手,進(jìn)而改善陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的性能。

        陶瓷結(jié)合劑又可以稱為玻璃結(jié)合劑。而氧化鈦是微晶玻璃中應(yīng)用最廣泛的晶核劑之一,在許多不同組分的微晶玻璃中都是行之有效的[6]。氧化鈦加入到微晶玻璃中形成微晶有助于降低玻璃的熱膨脹系數(shù),提高玻璃本身的強(qiáng)度[7]。因此,在陶瓷結(jié)合劑中添加氧化鈦晶核劑有助于微晶的形成,進(jìn)而改善陶瓷結(jié)合劑的性能從而使陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的改善具有一定的可行性。雖然氧化鈦對微晶玻璃的結(jié)構(gòu)與性能影響的研究已經(jīng)比較深入,但氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)與性能的影響的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道,本實(shí)驗(yàn)主要探討氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,為氧化鈦在超硬材料磨具中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)方案

        在Li-B-Al-Si系陶瓷結(jié)合劑中加入晶核劑氧化鈦,通過改變陶瓷結(jié)合劑中氧化鈦的含量,測試其對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的完全燒結(jié)溫度的影響。在陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具試樣完全燒結(jié)的情況下,分別測試金剛石磨具試樣的抗折強(qiáng)度、洛氏硬度、氣孔率,以及顯微結(jié)構(gòu)等性能指標(biāo),分析氧化鈦的添加對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律,并從理論上查找原因。

        2.2 試樣制備

        本實(shí)驗(yàn)采用自制的Li-B-Al-Si硅酸鹽系陶瓷結(jié)合劑,氧化鈦為分析純,購于西隴化工。在純結(jié)合劑(即不含氧化鈦的結(jié)合劑)的基礎(chǔ)上添加純結(jié)合劑質(zhì)量的 0.5wt%、1wt%、1.5wt%、2wt%、2.5wt%的氧化鈦,先將結(jié)合劑與氧化鈦在行星球磨機(jī)中混合均勻,制備成新的結(jié)合劑,然后按照表1所示的配比,制成30mm×6mm×4mm和Φ20mm×6mm兩種金剛石磨具試樣,在馬弗爐中燒結(jié)。

        表1 陶瓷金剛石磨具試樣組份配比Table 1 Sample component of vitrified bond diamond tools

        3 結(jié)果與分析

        3.1 氧化鈦對最佳燒結(jié)溫度的影響

        本實(shí)驗(yàn)以陶瓷結(jié)合劑磨具試樣能夠燒結(jié)并且不起泡變形的最高溫度為完全燒結(jié)溫度。在此溫度下燒結(jié)出來的陶瓷結(jié)合劑磨具的燒結(jié)狀態(tài)最好,其硬度及強(qiáng)度最好,最能反映陶瓷結(jié)合劑的性能,因此本實(shí)驗(yàn)以完全燒結(jié)溫度下的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具為討論對象。由表2中可以看出,隨著氧化鈦含量的增加,陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度逐漸下降,當(dāng)添加量為2.5wt%時(shí),完全燒結(jié)溫度下降了60℃。當(dāng)添加量為0.5wt%時(shí),陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度下降了20℃,即陶瓷結(jié)合劑的耐火度下降了20℃。說明氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的燒結(jié)溫度有著顯著影響。

        表2 不同氧化鈦含量陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度Table 2 The best sintering temperature of different titanium oxide content(℃)

        3.2 金剛石磨具硬度及抗彎強(qiáng)度的分析

        圖1為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷磨具硬度變化圖。由圖中可以看出,氧化鈦的加入能夠提高陶瓷結(jié)合劑磨具的硬度,但是提高不明顯。隨著氧化鈦含量的增加,陶瓷結(jié)合劑磨具的硬度呈下降的趨勢。當(dāng)加入量為0.5wt%時(shí),硬度達(dá)到最大值,洛氏硬度為122HRE。

        圖1 陶瓷金剛石磨具的硬度Fig.1 Rockwell hardness of vitrified bond diamond grinding tools

        圖2為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷磨具抗彎強(qiáng)度變化圖。由圖中可以看出,氧化鈦的加入會降低陶瓷結(jié)合劑磨具的抗彎強(qiáng)度,且隨著加入量的增加呈快速降低的趨勢。因此從抗彎強(qiáng)度的角度看,陶瓷結(jié)合劑中氧化鈦的添加量不宜過多,否則其抗彎強(qiáng)度會降低太多,從而影響陶瓷結(jié)合劑磨具的安全性能及磨削性能。

        圖2 陶瓷金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度Fig.2 Bending strength of vitrified bond diamond grinding tools

        綜上所述,氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤胗欣谔岣咛沾山Y(jié)合劑金剛石磨具的硬度,但是提高不明顯。氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤霑档吞沾山Y(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度,且抗彎強(qiáng)度隨加入量的增加快速降低,因此氧化鈦的添加量應(yīng)小于1wt%。

        3.3 對金剛石磨具顯氣孔率及微觀結(jié)構(gòu)的影響

        圖3為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率變化圖。由圖中可以看出,顯氣孔率隨氧化鈦的加入出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。但是顯氣孔率變化不明顯,因此晶核劑氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率影響不大。

        圖3 陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率Fig.3 Porosity of vitrified bond diamond grinding tools

        圖4為300倍的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的二次電子圖像。從圖中可以看出,無論添加氧化鈦晶核劑與否,結(jié)合劑橋中都有許多封閉的小氣孔。添加氧化鈦含量 1.5wt%,2wt%,2.5wt%時(shí)較添加 0、0.5wt%、1wt%時(shí),其貫通的大氣孔明顯增加,這也是其抗彎強(qiáng)度大幅下降的主要原因之一。從結(jié)合劑對金剛石的包裹狀態(tài)來看,結(jié)合劑都能對金剛石進(jìn)行有效的包裹。從斷口的斷裂面來看,基本都是從結(jié)合劑橋斷裂,說明了金剛石-結(jié)合劑-金剛石的結(jié)合中,結(jié)合劑的強(qiáng)度較結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度低,也從側(cè)面證明了結(jié)合劑對金剛石進(jìn)行了有效的包裹與結(jié)合。

        圖4 300倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 300×

        圖5為500倍的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的背散射電子圖像。從圖中可以看出,不添加氧化鈦晶核劑的結(jié)合劑橋中沒有微晶的生成。而添加氧化鈦晶核劑的結(jié)合劑橋中都生成了數(shù)量較多的微晶,但是微晶的數(shù)量并沒有隨晶核劑的增加而增加,而是沒有明顯的變化。氧化鈦晶核在玻璃中的成核機(jī)理可能為氧化鈦先與其他RO類型的氧化物一起從硅氧網(wǎng)絡(luò)中分離出來(分液),并以此為基礎(chǔ),形成晶核,從而促使玻璃微晶化[8]。而結(jié)合劑中的RO類型的氧化物是形成陶瓷結(jié)合劑的關(guān)鍵組分,在陶瓷結(jié)合劑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起補(bǔ)網(wǎng)的作用。基于此可以判定在本實(shí)驗(yàn)的結(jié)合劑中,氧化鈦成核所需的RO氧化物不足或RO氧化物優(yōu)先進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò),從而導(dǎo)致陶瓷結(jié)合劑的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度下降,形成的微晶數(shù)量沒有繼續(xù)增加。因此,在Li-B-Al-Si硅酸鹽玻璃體系中加入氧化鈦時(shí)應(yīng)同時(shí)加入一定量的RO氧化物。

        圖5 500倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的BSE圖Fig.5 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 500×

        4 結(jié)論

        (1)氧化鈦對陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的燒結(jié)溫度有著顯著影響。當(dāng)氧化鈦含量為0.5wt%時(shí),完全燒結(jié)溫度下降了20℃。

        (2)氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤胗欣谔岣咛沾山Y(jié)合劑金剛石磨具的硬度,同時(shí)會降低陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度。為減少陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度下降,氧化鈦的添加量應(yīng)小于1wt%。

        (3)從SEM二次電子圖可以看出,加入氧化鈦的陶瓷結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合很好。從SEM背散射電子圖可以看出,結(jié)合劑中的微晶數(shù)量沒有隨氧化鈦的增加而增加,其數(shù)量沒有明顯變化,因此在加入晶核劑的同時(shí)應(yīng)加入一定量的RO氧化物。

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