超高速陶瓷CBN砂輪納米陶瓷結(jié)合劑性能實驗研究

張景強 王宛山 于天彪 張 松，3

1.東北大學(xué)，沈陽，110004 2.沈陽航空航天大學(xué)，沈陽，110136 3.沈陽遠(yuǎn)大企業(yè)集團(tuán)，沈陽，110023

0 引言

近年來，超高速陶瓷CBN砂輪成為磨具開發(fā)的熱點，其良好的容屑、散熱、自銳性能以及穩(wěn)定的化學(xué)性能，可很好地滿足難加工材料磨削和高效磨削的需要，應(yīng)用前景十分廣闊［1－2］。超高速陶瓷CBN砂輪需要一種低熔高強陶瓷結(jié)合劑，即要求結(jié)合劑具有高強度，低耐火度，良好的氣孔性、浸潤性、工藝性、化學(xué)穩(wěn)定性，且與CBN磨料熱膨脹系數(shù)匹配。然而傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑普遍存在燒結(jié)溫度高、強度低、燒成尺寸一致性差等缺陷［3］。

超高速CBN砂輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計表明［4］，當(dāng)φ370mm超高速砂輪貼片寬度為6mm，厚度為5mm，數(shù)量為60時，在250m／s線速度下，貼片所受最大拉應(yīng)力為19.36MPa，要保證砂輪安全，貼片的抗拉強度至少為34.84MPa，相應(yīng)的抗折強度值至少為70MPa，而普通陶瓷結(jié)合劑難以滿足此要求。普通陶瓷砂輪的耐火度往往接近1000℃，而部分CBN磨料在不到1000℃時就會發(fā)生高溫氧化導(dǎo)致砂輪性能低劣。另外，1000℃以上的高溫?zé)Y(jié)也增加了能耗成本。

為此，筆者將納米材料技術(shù)引入到超高速陶瓷CBN砂輪結(jié)合劑開發(fā)中，以陶瓷結(jié)合劑為基體，通過加入多種納米改性劑從而制備出力學(xué)性能和熱學(xué)性能有明顯改善，且適用于超高速陶瓷CBN砂輪的納米陶瓷結(jié)合劑。

1 納米陶瓷結(jié)合劑的強化機理

納米材料學(xué)研究表明，如果能在微米級粉末燒結(jié)基體中引入納米相，則有望抑制基體晶粒的異常長大，使組織結(jié)構(gòu)均勻，從而有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的改變［5－6］。實際上，納米陶瓷結(jié)合劑的強韌化機制不僅僅與納米相抑制晶粒長大作用相關(guān)，還與結(jié)合劑內(nèi)生成的內(nèi)晶核結(jié)構(gòu)強化、次晶界殘余應(yīng)力強化、結(jié)合劑晶粒潛在納米化效應(yīng)、殘余應(yīng)力引起的裂紋偏轉(zhuǎn)、穿晶釘軋作用過程有關(guān)［7－8］。因此，根據(jù)納米復(fù)合材料強化機理我們設(shè)計了4種結(jié)合劑的配方，在陶瓷結(jié)合劑基體中加入納米改性劑，研究了納米氧化物對超高速磨削陶瓷結(jié)合劑性能的影響。

2 結(jié)合劑性能測試試驗

2.1 試驗方案

以R2O＋RO－B2O3－Al2O3－SiO2系統(tǒng)為陶瓷結(jié)合劑的基礎(chǔ)玻璃體系，在化學(xué)純原料中通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米Al2O3、納米SiO2及納米ZrO2對陶瓷結(jié)合劑進(jìn)行強化增韌。表1所示為4種實驗結(jié)合劑的配比，為了考察納米改性劑對陶瓷結(jié)合劑的影響，分別對陶瓷結(jié)合劑的耐火度、膨脹系數(shù)、表面形貌、強度等基本性能進(jìn)行了測試。

表1 4種陶瓷結(jié)合劑成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.2 結(jié)合劑樣條制備

試驗采用的納米材料是經(jīng)過粉體分散穩(wěn)定處理的，平均粒徑為50nm，其中，納米ZrO2粒徑約30nm，材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.9%。采用GZM－5型高頻共振研磨機將結(jié)合劑純料研磨至600目以細(xì)。以MYS－100壓機冷壓成形，制成37.0mm×5.8mm×5.0mm的結(jié)合劑強度及膨脹系數(shù)測試條，以及直徑為20mm、高為10mm的耐火度測試流動塊。試驗設(shè)備如下：R×3－20－12型箱式電爐，最高溫度為1200℃；GP－3型高溫線膨脹測試儀；伯納克公司的X Pert Pro X射線衍射儀；4202－006型電子萬能試驗機；Keyence VHX－1000型超景深三維顯微鏡。

2.3 納米陶瓷結(jié)合劑耐火度

將壓制干燥好的流動塊放入爐內(nèi)，以5℃／min速率加熱，取流動塊熔化至1／2高度時的溫度為結(jié)合劑的耐火度。圖1為高溫照相機所拍照片，可知1號普通結(jié)合劑流動塊在800℃時幾乎沒有變化，2號、3號單納米成分結(jié)合劑流動塊變化甚微，4號結(jié)合劑則有明顯軟化。從850℃爐燒冷卻后各流動塊狀態(tài)來看，除了1號結(jié)合劑外，2號、3號、4號結(jié)合劑均達(dá)到了熔融態(tài)，因此可以斷定其耐火度在850℃以下。

圖1 納米陶瓷結(jié)合劑耐火度測試過程

隨后繼續(xù)進(jìn)行多次耐火度測量，更加精確地確定了4種陶瓷結(jié)合劑的耐火度范圍，最終得到的各結(jié)合劑的耐火度及對應(yīng)燒結(jié)范圍如表2所示。其中，1號傳統(tǒng)結(jié)合劑的耐火度最高，4號結(jié)合劑的耐火度最低，可見細(xì)粒度納米氧化物的加入能增強結(jié)合劑燒熔反應(yīng)能力，可明顯降低結(jié)合劑耐火度。通過對比結(jié)合劑配方組成可以發(fā)現(xiàn)，納米SiO2對耐火度的降低影響較大。

表2 4種配方結(jié)合劑的耐火度

2.4 納米陶瓷結(jié)合劑熱膨脹系數(shù)

將4種陶瓷結(jié)合劑壓制成50mm×10mm×10mm的生胚條后按照參考燒成溫度進(jìn)行燒成，然后將燒結(jié)熔融后冷凝的結(jié)合劑固塊磨成37.0mm×5.8mm×5.0mm規(guī)格的膨脹系數(shù)實驗條，以獲得最終工作狀態(tài)下的結(jié)合劑試樣。將制成的實驗條放到高溫?zé)崤蛎浄治鰞x上，樣品升溫速率按照5℃／min，加熱直至750℃，測出各個溫度階段的相應(yīng)膨脹系數(shù)，如圖2所示。

圖2 4種陶瓷結(jié)合劑與CBN磨料的熱膨脹系數(shù)

與CBN磨料的膨脹系數(shù)最接近的是4號結(jié)合劑，然后依次是3號、2號、1號結(jié)合劑。另外，可以發(fā)現(xiàn)2號、3號、4號結(jié)合劑在溫度由常溫升至300℃范圍內(nèi)線膨脹系數(shù)變化較快，之后變化緩慢，溫度超過550℃后，4號結(jié)合劑的膨脹系數(shù)基本穩(wěn)定在5.2×10－6K－1。此時，CBN磨料的熱膨脹系數(shù)達(dá)到3.5×10－6K－1，僅與4號結(jié)合劑條的膨脹系數(shù)相差1.7×10－6K－1。加入納米改性劑后，納米陶瓷結(jié)合劑條線膨脹系數(shù)變小的原因是，結(jié)合劑粗大顆粒間的縫隙被彌散的納米材料填充，結(jié)合劑內(nèi)生成的納米相殘余應(yīng)力使結(jié)合劑更加致密，從而使結(jié)合劑受熱應(yīng)力影響所產(chǎn)生的體積變化幅度變小。

熱膨脹系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)表明，4號結(jié)合劑最理想，其熱膨脹系數(shù)與CBN磨料的熱膨脹系數(shù)最接近，因此結(jié)合劑和磨料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱膨脹量能夠協(xié)調(diào)變化，從而減小熱應(yīng)力對砂輪強度的影響。另外，1號結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)在650℃時有突變，上升到6.8×10－6K－1左右，這對結(jié)合劑強度是不利的。

2.5 納米陶瓷結(jié)合劑物相

為了考察超高速納米陶瓷CBN砂輪結(jié)合劑中玻璃相的生成情況，我們運用X射線衍射儀對結(jié)合劑進(jìn)行了物相分析，如圖3所示。1號結(jié)合劑中有殘留的SiO2相，說明有方石英的析出，這勢必會導(dǎo)致結(jié)合劑本身強度的下降。2號結(jié)合劑中除了SiO2相外，還有少量 Al2SiO5相，而Al2SiO5相的析出在一定程度上能使2號結(jié)合劑強度有所提高，所以，2號結(jié)合劑的強度較1號結(jié)合劑高。4號結(jié)合劑的玻璃相最好，其中出現(xiàn)的ZrSiO4相具有高強度的四面體晶型結(jié)構(gòu)，有著良好的機械及耐磨性能。

圖3 4種陶瓷結(jié)合劑物相衍射圖

2.6 納米陶瓷結(jié)合劑強度

為了考察納米陶瓷結(jié)合劑實際增韌的效果，同時驗證以上物相分析對結(jié)合劑強度的預(yù)測，我們在4202－006型電子萬能試驗機上對4個結(jié)合劑實驗條進(jìn)行了抗折強度測試。測試所得抗折力曲線如圖4所示。

圖4 4種結(jié)合劑條的抗折力與位移的曲線

1號結(jié)合劑的強度最低，僅為59.91MPa；2號結(jié)合劑（強度為69.21MPa）中5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米SiO2對結(jié)合劑強度起到了較好的增韌效果。3號、4號結(jié)合劑（強度分別為78.82MPa和83.75MPa）中納米SiO2和納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，其強度都在70MPa以上，可見結(jié)合劑中形成玻璃相的納米主成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對結(jié)合劑強度影響較大。4號結(jié)合劑中納米ZrO2對結(jié)合劑強度增韌的效果較Al2O3要好，但納米ZrO2本身的耐火度高、難以熔化，在結(jié)合劑中多半是以玻璃相的晶核形式存在，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時反而會降低晶型強度，對結(jié)合劑強度不利。因此，這里的抗折強度測試數(shù)據(jù)與之前結(jié)合劑物相測試的預(yù)計強度相吻合。

2.7 納米陶瓷結(jié)合劑表面形貌

為了進(jìn)一步從微觀上考查4種結(jié)合劑強度、膨脹系數(shù)、顯微硬度各自差異的原因，我們使用VHX－1000型超景深三維顯微鏡，觀察4種結(jié)合劑試樣的微觀形貌，如圖5所示。

圖5 4種結(jié)合劑微觀形貌

由圖5可見，1號結(jié)合劑（傳統(tǒng)陶瓷）燒結(jié)后所含的氣泡最多、最大，且結(jié)合劑表面出現(xiàn)了線膨脹熱應(yīng)力效應(yīng)導(dǎo)致的大量微裂紋，這是1號結(jié)合劑強度、線膨脹系數(shù)較大的原因。2號結(jié)合劑中由于加入了納米SiO2成分，故結(jié)合劑玻璃相較好，表面顯性氣孔比1號結(jié)合劑的少；3號、4號結(jié)合劑最致密，表面顯性氣孔最少，且結(jié)合劑晶粒微小，這十分有利于提高結(jié)合劑的抗沖擊性能和耐磨性。4號結(jié)合劑晶粒最微小、致密，其間均勻分布著玻璃相與微氣孔，這有有助于增加結(jié)合劑的浸潤性，提高結(jié)合能力。同時，4號結(jié)合劑的線膨脹系數(shù)較小的原因也可以從4種結(jié)合劑最為致密的微觀形貌特征上得到印證。

2.8 納米陶瓷結(jié)合劑高溫潤濕性測試

結(jié)合劑對磨料的高溫潤濕性能決定兩者能否產(chǎn)生良好結(jié)合，是提高磨具強度與使用性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法測陶瓷結(jié)合劑高溫潤濕性時，將結(jié)合劑圓柱體放于細(xì)粒度磨料壓制成的托板上，依照工藝曲線升溫，對結(jié)合劑熔融狀態(tài)進(jìn)行觀察并照相，再在照片上測量結(jié)合劑浸潤角。但這種方法卻并不適用于陶瓷CBN砂輪結(jié)合劑。一方面，CBN磨料的硬度很高，在不添加黏結(jié)物的情況下是很難將細(xì)粒度CBN磨料壓制成板塊的；另一方面，粗粒度磨料與實際砂輪生產(chǎn)所用磨料性能相去甚遠(yuǎn)，在此狀況下測量的浸潤角θ并沒有說服力。實驗借鑒座滴法原理［9］，采用以下的方法進(jìn)行納米陶瓷結(jié)合劑的浸潤性能實驗測試：

（1）將結(jié)合劑壓制成φ20mm×3mm的圓柱薄片，將薄片平放到φ30mm的剛玉坩堝內(nèi)。

（2）將用于超高速砂輪生產(chǎn)的170／200粒度的CBN980磨料均勻撒置于4種結(jié)合劑薄片上。

（3）將坩堝放入到高溫電阻爐內(nèi)，按照結(jié)合劑各自的升溫曲線，升溫至結(jié)合劑耐火度10℃以上，保溫2h后隨爐冷卻到室溫。

（4）將熔化在坩堝底部的試樣放到超景深三維顯微鏡下觀察其浸潤狀況，確定結(jié)合劑對CBN磨料的潤濕性。

從圖6可以看出，在結(jié)合劑的浸潤性方面，同樣是4號結(jié)合劑最好，其次是3號、2號結(jié)合劑，最差的是1號結(jié)合劑。從顯微鏡下可以明顯看出，結(jié)合劑與CBN磨料結(jié)合處有多處裂隙。由于測量方法的差異，雖然無法確定結(jié)合劑與磨料浸潤角θ的大小，但僅從圖6就可以直觀地看出，3號、4號結(jié)合劑對CBN磨料的浸潤性是非常好的，且由于實驗使用的磨料是項目研究中專用于超高速陶瓷CBN砂輪生產(chǎn)制備的磨料，因此測試結(jié)果更加具有工藝參考價值。

3 超高速陶瓷CBN砂輪砂條性能測試

3.1 納米陶瓷結(jié)合劑砂條抗折強度

圖6 4種陶瓷結(jié)合劑潤濕狀況

對4種陶瓷結(jié)合劑強度的測試可知，傳統(tǒng)的1號結(jié)合劑強度顯然無法承受250m／s線速度旋轉(zhuǎn)下的拉應(yīng)力，只有3號、4號結(jié)合劑滿足250m／s線速度超高速陶瓷CBN砂輪的強度要求。然而，結(jié)合劑的強度并不等同于超高速陶瓷CBN砂輪貼片的真實強度。因此我們制備了對應(yīng)的4種結(jié)合劑的CBN砂輪強度實驗條，其中，CBN磨料選用國產(chǎn)200目粒度的CBN980。表3為對應(yīng)的抗折力及抗折強度測試數(shù)據(jù)。其中，4號實驗條的強度達(dá)到了88.23MPa，可見采用納米陶瓷結(jié)合劑的砂輪實驗條強度較普通陶瓷結(jié)合劑砂輪實驗條有很大提升。同時也說明納米結(jié)合劑與CBN980具有很好的結(jié)合性能。

表3 4種結(jié)合劑砂條的抗折力及對應(yīng)抗折強度

3.2 納米陶瓷結(jié)合劑砂塊顯微結(jié)構(gòu)觀察

圖7所示為4種陶瓷結(jié)合劑實驗砂塊的微觀形貌。實驗砂塊所用磨料為200目粒度的國產(chǎn)CBN980，其中，圖7a所示為燒成溫度900℃、未加任何納米改性劑的1號結(jié)合劑制成的砂條表面形貌照片，圖7b～圖7d所示分別為加入2號、3號、4號結(jié)合劑的砂塊。圖7中的大塊黑色及琥珀色的晶體物質(zhì)是國產(chǎn)CBN980磨料，磨料周圍淺灰色呈玻璃光澤類絮狀的物質(zhì)和包覆磨料表面的薄膜狀玻璃物質(zhì)都是結(jié)合劑，CBN磨料之間由結(jié)合劑橋粘結(jié)。

微觀形貌測顯示，1號結(jié)合劑砂條磨料之間的氣孔（多為顯性氣孔）較大，結(jié)合劑橋上也存在著小氣孔，這些小氣孔尺寸在20μm左右。出現(xiàn)此種情況是因為結(jié)合劑本身缺點導(dǎo)致熔融狀態(tài)黏度大、氣體逸出較難。雖然多孔容屑性能是陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點之一，但是這種存在于結(jié)合劑橋中的大氣孔，卻會顯著降低砂塊強度。另外，1號砂塊表面殘留有較多的大粒白色石英晶粒，這是燒結(jié)反應(yīng)中石英相析出的特征，石英相的殘留會降低砂條強度。

圖7 砂塊表面超景深三維照片（μm）

再觀察其他幾種納米陶瓷砂條狀況，4號結(jié)合劑砂條在宏觀狀態(tài)下幾乎觀察不到顯性氣孔，只在磨料與結(jié)合劑縫隙中有一些隱性微氣孔，砂條的氣孔率也較小。4號砂條的玻璃相生成也是最好的，在顯微鏡下觀察可見納米陶瓷結(jié)合劑在CBN磨料表面形成了十分均勻的包覆層，并呈現(xiàn)出金屬般的釉色光澤，磨料晶型也保持得很完整。因此，在4種結(jié)合劑中，4號納米陶瓷的綜合性能也是最好的。

4 結(jié)論

（1）納米結(jié)合劑的性能測試表明，納米改性物的加入有助于細(xì)化結(jié)合劑晶粒，提高結(jié)合劑強度，同時能促進(jìn)結(jié)合劑反應(yīng)能力，從而降低其耐火度。另外，納米Al2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）對結(jié)合劑的耐火度降低能力不如納米SiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）。

（2）從浸潤能力來說，納米改性物的加入有助于結(jié)合劑晶粒的細(xì)化，提高結(jié)合劑的浸潤能力。

（3）值得注意的是，納米改性物種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多雖然可以一定幅度降低結(jié)合劑耐火度，但卻會使結(jié)合劑的燒結(jié)范圍變窄，使納米陶瓷結(jié)合劑的制備工藝難度進(jìn)一步增加。

（4）根據(jù)納米復(fù)合材料強化機理，加入合理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米成分后，實驗得到的陶瓷結(jié)合劑在耐火度、線膨脹系數(shù)、機械強度、浸潤性能上都有著明顯的改善。4號結(jié)合劑的強度達(dá)到了83.75MPa，以其制備的陶瓷CBN砂輪砂條強度達(dá)到了88.23MPa，耐火度約為795℃，是一種更加理想的超高速陶瓷CBN砂輪結(jié)合劑。

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