許鵬飛，尹育航,，楊佳樂，孫會(huì)冰，劉 凱

(1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055；2.廣東奔朗新材料股份有限公司，佛山 528313)

1 引 言

由于較高的硬度、耐磨和較好的熱穩(wěn)定性，金剛石在超硬磨削加工工具中具有廣泛的應(yīng)用[1]。金剛石磨具由金剛石磨料、結(jié)合劑、氣孔組成，結(jié)合劑通過橋連接的形式將金剛石磨粒粘接在一起并保持磨具整體具有一定的強(qiáng)度[2-3]；其中結(jié)合劑類型有金屬結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑以及陶瓷結(jié)合劑。

相比于金屬結(jié)合劑金剛石磨具和樹脂結(jié)合劑金剛石磨具，陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具具有強(qiáng)度較高、彈性模量高、斷裂韌性低、自銳性好、形狀保持能力強(qiáng)等優(yōu)異性能，因而被廣泛運(yùn)用于航空航天、國防、電子產(chǎn)品、精密光學(xué)、精密機(jī)械、汽車和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[4-7]。磨粒與陶瓷結(jié)合劑之間的結(jié)合強(qiáng)度是磨具強(qiáng)度的重要影響因素之一。

通常來說，一些金屬粉末的摻入可以有效改善結(jié)合劑以及磨具的若干性能(如強(qiáng)度、浸潤性、抗氧化性等)。之前研究發(fā)現(xiàn)在陶瓷結(jié)合劑中添加一定含量的Ni粉能起到彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)而提高結(jié)合劑的強(qiáng)度，鎳(Ni)粉的摻入提高了結(jié)合劑對(duì)金剛石的浸潤性能[8]。銅(Cu)粉、鋅(Zn)粉通過與氧氣反應(yīng)消耗氧氣的方式來保護(hù)金剛石免受氧化，這些氧化產(chǎn)物可以參與構(gòu)成玻璃網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；另外，鋅(Zn)在高溫下蒸發(fā)能夠增加氣孔率[9]。然而，實(shí)際混料過程中這些金屬元素密度與陶瓷結(jié)合劑及金剛石密度相差過大，不易均勻混合。有研究表明鈦(Ti)與氧氣有較強(qiáng)的親和力，可以先于金剛石與氧氣反應(yīng)從而保護(hù)金剛石免受氧化和石墨化，從而防止陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料把持力的降低。鈦(Ti)的氧化產(chǎn)物TiO2可進(jìn)入玻璃基質(zhì)中減少磨具在燒結(jié)過程中的體積的收縮，提高磨具的尺寸穩(wěn)定性[10]；同時(shí)，鈦(Ti)的密度較小，更易于均勻混合?；谝陨涎芯?，本工作選取鈦(Ti)粉作為添加劑研究其不同添加量對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 結(jié)合劑和磨具試樣的制備

圖1 Ti粉粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution curve of Titanium powder

陶瓷結(jié)合劑的原料是由石英砂、硼酸、純堿、氧化鋁粉組成，本研究所用的結(jié)合劑各組分見表1。添加劑Ti粉的粒度分布如圖1所示，Ti粉的粒度頻率曲線為單峰曲線，曲線接近正態(tài)分布，粒度分布在0～117 μm之間，峰值粒徑約為36 μm。

首先，將陶瓷結(jié)合劑的原料稱重、均勻混合后加入剛玉坩堝中；然后將其置于熔塊爐中升溫至1400 ℃，保溫1 h；再將熔融的液體迅速倒入水中淬冷；最后經(jīng)球磨、干燥、過篩(200目)得到結(jié)合劑原料。在預(yù)制的結(jié)合劑中分別摻入0wt%、2wt%、4wt%、6wt%和8wt%的Ti粉，并冷壓成高11 mm，直徑11 mm的圓柱體，在660 ℃下空氣氣氛中燒結(jié)(保溫2 h)得到Ti粉改性的結(jié)合劑試樣。

將結(jié)合劑、金剛石(50～60 μm)和糊精按質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、77%和3%均勻混合。再將混合料放入30 mm×12 mm×6 mm磨具中，在5 MPa壓強(qiáng)下雙面冷壓成型。試樣在760 ℃下空氣氛圍中燒結(jié)并保溫2 h，然后自然冷卻至室溫。

表1 基礎(chǔ)結(jié)合劑配方Table 1 The basic vitrified bond /wt%

2.2 樣品表征

采用平面流淌法測定結(jié)合劑的流動(dòng)性；采用SIEMENs5000型X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)儀分析樣品的物相組成；采用SKZ-500型數(shù)顯抗折試驗(yàn)機(jī)檢測磨具試樣的抗折強(qiáng)度；采用HR-150DT型洛氏硬度計(jì)表征磨具燒結(jié)試樣的硬度；采用阿基米德排水法對(duì)磨具的開口孔隙率和密度進(jìn)行測定；采用FEIQUANTA-200型掃描電子顯微鏡觀察磨具試樣斷口的顯微組織。

3 結(jié)果與討論

3.1 Ti粉添加劑對(duì)結(jié)合劑流動(dòng)性能的影響

高溫流動(dòng)性是結(jié)合劑重要的參數(shù)之一。圖2顯示了不同含量Ti粉添加劑對(duì)結(jié)合劑流動(dòng)性的影響。圖2表明，在660 ℃燒結(jié)溫度下，Ti粉的加入明顯增強(qiáng)了陶瓷結(jié)合劑的流動(dòng)性，且隨著其含量的增加，流動(dòng)性迅速增加，助熔效果更為顯著。當(dāng)添加量達(dá)到6wt%時(shí)流動(dòng)性達(dá)最高值160%，而當(dāng)添加量達(dá)到8wt%后流動(dòng)性緩慢下降至158%。由于Ti與氧氣有較好的親和力，結(jié)合劑試樣內(nèi)部孔隙中的氧氣與Ti在較低溫度下發(fā)生反應(yīng)，有利于降低孔隙中殘留氣體對(duì)流動(dòng)性的阻礙作用。為了驗(yàn)證此推論，進(jìn)一步對(duì)結(jié)合劑試樣進(jìn)行XRD分析。

3.2 陶瓷結(jié)合劑XRD分析

陶瓷結(jié)合劑在660 ℃空氣氣氛下燒結(jié)試樣的XRD圖譜如圖3所示。原始結(jié)合劑的組分為無定型的玻璃態(tài)，伴隨有少量的SiO2晶體析出。隨著Ti粉含量的增加，試樣的主要結(jié)晶相(Al2O3)的衍射峰強(qiáng)度明顯增加，而SiO2衍射峰強(qiáng)度基本無變化；另外，當(dāng)Ti粉含量增加至8wt%時(shí)，有明顯的氧化鈦出現(xiàn)，其原因是Ti粉在加熱過程中被孔隙中的氧氣氧化生成TixO。

圖2 不同Ti添加量對(duì)結(jié)合劑流動(dòng)性能影響Fig.2 Effect of different Ti contents on fluidity of vitrified bonds

圖3 陶瓷結(jié)合劑XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of vitrified diamond composites

3.3 Ti粉添加劑對(duì)金剛石磨具抗折強(qiáng)度的影響

抗折性能是評(píng)價(jià)磨具機(jī)械性能的重要參數(shù)。圖4顯示了不同Ti粉添加量下的磨具試樣抗折強(qiáng)度?？梢钥闯?，試樣抗折強(qiáng)度隨Ti粉加入量的增加而顯著增加，并且在2wt% Ti粉摻量后，隨著Ti粉的增加，抗折強(qiáng)度增加顯著，當(dāng)Ti粉摻量為8wt%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到61.8 MPa，比不添加Ti粉情況下增加了38.2%?？赡艿脑蚴怯捎跓Y(jié)過程中Ti被氧化為TiO2, 并且以[TiO4]四面體的形式參與形成玻璃三維網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而增加了結(jié)合劑的強(qiáng)度[11]。

3.4 Ti粉對(duì)金剛石磨具孔隙率和密度的影響

磨具試樣的開口孔隙率和密度如圖5所示?？梢钥闯鲩_口孔隙率隨著Ti粉摻量的增加逐漸下降，當(dāng)Ti粉摻量為6wt%時(shí)，開口孔隙率達(dá)到最小值12.6%，此時(shí)燒結(jié)密度達(dá)最大值(2.24 g/cm3)；當(dāng)摻入量為8wt%時(shí)，開口孔隙率又輕微上升為14.2%。燒結(jié)密度略有下降；作為對(duì)比，不含Ti粉試樣的燒結(jié)密度為1.98 g/cm3。Ti的密度(～4.5 g/cm3)大于金剛石的密度(～3.5 g/cm3)，因此Ti粉的摻入會(huì)提高磨具整體的密度。此外，結(jié)合劑流動(dòng)性的增強(qiáng)，減小了結(jié)合劑內(nèi)部氣泡沖出的阻力，促進(jìn)了磨具整體的致密化，因而Ti粉的加入降低了磨具燒結(jié)試樣的開口氣孔率。此結(jié)果與流動(dòng)性能測試吻合，表明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠。

圖4 不同Ti添加量金剛石復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度Fig.4 Bending strength of diamond composites with different addition of Ti additives

圖5 不同Ti添加量金剛石復(fù)合材料的開口孔隙率和密度Fig.5 Open porosity and sintered density of diamond composites with different addition of Ti additives

3.5 金剛石磨具顯微結(jié)構(gòu)分析

圖6反映了磨具試樣斷口的微觀形貌。對(duì)比圖6中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)，可以看出原始結(jié)合劑金剛石磨具試樣氣孔大小差異較大，且分布不均勻，這些缺陷會(huì)弱化磨具的機(jī)械性能，進(jìn)而影響砂輪的使用性能；Ti粉的摻入使得氣孔大小及分布均勻，結(jié)構(gòu)更為致密，并且磨粒更好的被結(jié)合劑包裹，有利于提高磨具的機(jī)械性能，同時(shí)圖6(c)中氣孔多呈圓形并均勻分布，這有利于磨削過程中的排屑及散熱。圖6(f)中可以觀察到試樣破壞的形式主要為脆性斷裂，而圖6(g)、(h)、(i)、(j)所示的試樣為脆性斷裂與韌性斷裂兩種方式共存。Ti的摻入提高了玻璃相的流動(dòng)性，燒結(jié)過程中結(jié)合劑充分流動(dòng)有利于大直徑氣孔的減小以及形成球形度高的小氣孔,從而提高了試樣的機(jī)械性能。

圖6 具有不同Ti含量的金剛石磨具的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of the vitrified diamond composites with different contents of Ti

3.6 Ti粉添加劑對(duì)金剛石磨具硬度的影響

圖7為磨具試樣的洛氏硬度測試結(jié)果。可以看出，當(dāng)Ti摻量為6wt%時(shí)，磨具試樣硬度最高并達(dá)76HRB。此結(jié)果與結(jié)合劑流動(dòng)性和磨具密度測試結(jié)果相吻合，在6wt% Ti摻量時(shí)，結(jié)合劑的流動(dòng)性能最好，高溫下有利于氣泡的排出，提高了磨具的致密度，因而試樣的硬度增加，但過多的Ti使得磨具的硬度出現(xiàn)輕微下降。當(dāng)Ti添加量達(dá)到8wt%時(shí)，不能溶解到玻璃基質(zhì)中的金紅石TiO2相形成，這些金紅石TiO2相使玻璃膨脹，導(dǎo)致孔隙率的增加，從而導(dǎo)致硬度下降[12]。

3.7 金剛石磨具XRD分析

磨具試樣的XRD衍射圖譜如圖8所示?？梢钥闯?，43.9°和75.3°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)金剛石晶體的(111)面和(220)面； 由于磨具試樣比結(jié)合劑試樣有更高的燒結(jié)溫度，氧化鈦以更穩(wěn)定的TiO2形式存在，Ti摻量為8wt%時(shí)，燒結(jié)樣品中出現(xiàn)明顯的金紅石TiO2相衍射峰(27.4°、36.1°和54.4°)，分別對(duì)應(yīng)于金紅石TiO2的(110)、(101)和(211)晶面[12]； Ti摻量為4wt%和6wt%時(shí)，燒結(jié)樣品中也可以觀測到金紅石TiO2(110)和(211)面的衍射峰，但其峰較弱不尖銳；Ti摻量為2wt%時(shí)，僅能觀測到金紅石TiO2(211)面微弱的衍射峰。少量Ti添加劑的摻入，Ti被氧化并分解成玻璃相，其氧化過程如圖9所示。隨著Ti的添加量的進(jìn)一步增加，當(dāng)Ti摻量為8wt%時(shí)形成大量金紅石TiO2相，過多的金紅石TiO2不能溶解到玻璃結(jié)構(gòu)中，阻礙了結(jié)合劑的進(jìn)一步致密化。

圖7 不同Ti添加量金剛石復(fù)合材料的洛氏硬度Fig.7 Rockwell hardness of diamond composites with different addition of Ti additives

圖8 金剛石磨具的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of the grinding tool

圖9 Ti粉添加劑在燒結(jié)過程中的氧化過程Fig.9 Oxidation process of Ti powder additive during the sintering process

4 結(jié) 論

(1)Ti粉在結(jié)合劑試樣660 ℃燒結(jié)溫度下被氧化為TixO, 在磨具試樣760 ℃燒結(jié)溫度下的試樣僅觀察到更穩(wěn)定的TiO2。并且以[TiO4]四面體的形式參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，增加了磨具試樣的強(qiáng)度。

(2)Ti粉消耗試樣內(nèi)部孔隙中的氧氣，減少了內(nèi)部氣孔對(duì)結(jié)合劑流動(dòng)的阻礙。當(dāng)Ti粉摻量為6wt%時(shí)，結(jié)合劑的流動(dòng)性達(dá)最高值為160%，流動(dòng)性的增強(qiáng)使得內(nèi)部氣體更容易從組織中排出，導(dǎo)致磨具試樣的氣孔率下降。

(3)Ti粉的摻入有利于結(jié)合劑的流動(dòng)性增強(qiáng)，燒結(jié)體內(nèi)部大氣孔轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小且均勻的小氣孔，增強(qiáng)了磨具的力學(xué)性能。磨具的斷裂形式從單純的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔雅c韌性斷裂共存的方式。