不同添加劑對(duì)陶瓷金剛石砂輪性能的影響

郜永娟,李克華,蘇鴻良,劉權(quán)威,史林峰,韓 雪,趙秀香

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州 450013)

不同添加劑對(duì)陶瓷金剛石砂輪性能的影響

郜永娟,李克華,蘇鴻良,劉權(quán)威,史林峰,韓 雪,趙秀香

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州 450013)

文章研究了硼酸鋁晶須、鋁粉含量對(duì)陶瓷結(jié)合劑、陶瓷金剛石砂輪的物理性能及磨削性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),添加劑的引入會(huì)降低結(jié)合劑的流動(dòng)性,5wt%鋁粉使結(jié)合劑的流動(dòng)性提高了15.6%;添加劑的引入使結(jié)合劑抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加再減小的現(xiàn)象,當(dāng)晶須或鋁粉添加量為3wt%時(shí),結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度提高10%～20%;5wt%硼酸鋁晶須使金剛石砂輪的抗折強(qiáng)度提高11%,且砂輪磨削更鋒利。

結(jié)合劑;金剛石砂輪;添加劑

陶瓷結(jié)合劑超硬磨具在磨削過(guò)程中,結(jié)合劑強(qiáng)度低會(huì)造成結(jié)合劑橋過(guò)早斷裂,進(jìn)而引起磨具耐用度低、壽命低等問(wèn)題。增強(qiáng)結(jié)合劑強(qiáng)度一直是各大專(zhuān)院校、研究院所及企業(yè)的研究方向。

目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)研究了多種添加劑對(duì)結(jié)合劑性能的影響[1-11]。有學(xué)者[6]通過(guò)改變填充料粒度組成、向結(jié)合劑添加金屬鋁、鐵、銅和對(duì)結(jié)合劑進(jìn)行預(yù)燒處理的方法來(lái)改善結(jié)合劑的性能,認(rèn)為添加金屬粉末的含量與種類(lèi)不同,性能變化有所不同,添加金屬鋁會(huì)使強(qiáng)度增加。亦有學(xué)者認(rèn)為金屬粉的加入會(huì)降低結(jié)合劑強(qiáng)度,存在一定爭(zhēng)議。同時(shí),鮮有對(duì)砂輪性能進(jìn)行研究的具體數(shù)據(jù)。

本文分別添加1wt%、3wt%、5wt%的硼酸鋁晶須、鋁粉,觀察陶瓷結(jié)合劑及金剛石砂輪性能的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)所需材料鋁粉:D50 37.866μm;硼酸鋁晶須:長(zhǎng)徑比為6金剛石磨料;碳化硅磨料;硼鋁硅酸鹽陶瓷結(jié)合劑

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)FEI公司Inspect S50掃描電子顯微鏡,測(cè)試所用加速電壓為10k V

(2)無(wú)錫建工試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司KZJ-5型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)

(3)上海光學(xué)儀器廠HR-150A型洛氏硬度計(jì)(4)朝陽(yáng)機(jī)床廠M7435 A立軸圓臺(tái)磨床

1.3 試驗(yàn)步驟

首先將不同種類(lèi)、不同用量的添加劑加入到結(jié)合劑中混合均勻,分別制成尺寸為D15mm×h15mm的圓柱體測(cè)試其流動(dòng)性,尺寸為40mm×6mm× 6mm的長(zhǎng)條測(cè)試結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度;其次將磨料、結(jié)合劑與不同用量的添加劑按照表1配方進(jìn)行混料、成型、干燥、燒成,制成D20mm×h5mm的丸片和40mm×6mm×6mm的長(zhǎng)條測(cè)試砂輪塊硬度及抗折強(qiáng)度,并檢測(cè)其斷面組織形貌;最后選擇一種含添加劑的砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn),觀察分析添加劑對(duì)砂輪性能的影響。

表1 砂輪配方組成Table 1 Composition of grinding wheel

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 添加劑對(duì)陶瓷金剛石砂輪物理性能的影響

2.1.1 添加劑對(duì)陶瓷結(jié)合劑流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度的影響

將硼酸鋁晶須和鋁粉按照1%、3%、5%含量加入到結(jié)合劑中,混合壓制燒成后在相同溫度下測(cè)試其流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同添加劑對(duì)結(jié)合劑流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of additives on liquidity and bending strength of binder

通過(guò)圖1可看出:(1)圖1(a)顯示,隨著硼酸鋁晶須的增加,結(jié)合劑的流動(dòng)性有一定程度的下降,且下降趨勢(shì)基本相同。說(shuō)明此溫度下晶須并不影響玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),僅僅相當(dāng)于加入第二相,增加熔體黏度,使流動(dòng)性下降。但圖1(b)顯示添加3wt%鋁粉后結(jié)合劑的流動(dòng)性提高了15.6%,一般認(rèn)為鋁粉易生成氧化鋁進(jìn)而對(duì)玻璃粉具有助熔作用,也有可能是細(xì)粒度鋁粉氧化完全,且低溫氧化為多孔性型氧化鋁,因此使結(jié)合劑流淌半徑增加。(2)隨著添加劑含量的增加,結(jié)合劑抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增加后減小的現(xiàn)象,說(shuō)明添加劑的含量有一個(gè)最優(yōu)值。添加劑對(duì)結(jié)合劑抗折強(qiáng)度提高程度(600℃/610℃)分別為硼酸鋁晶須(4.3%/10.8%)、鋁粉(4.37%/12.38%)。(3)不同燒結(jié)溫度下,結(jié)合劑流動(dòng)性有差異。此狀況對(duì)添加鋁粉的結(jié)合劑性能影響較大,主要是因?yàn)殇X粉的添加對(duì)結(jié)合劑的流動(dòng)性影響較大,進(jìn)而影響其燒結(jié)溫度范圍。綜上,兩種添加劑均對(duì)結(jié)合劑的流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度有一定影響,所以將其添加入砂輪中觀察其具體性能的影響程度。

2.1.2 添加劑對(duì)金剛石砂輪物理性能的影響

將硼酸鋁晶須、鋁粉按照1%、3%、5%含量加入到結(jié)合劑中,與金剛石、輔助磨料混合壓制燒成后在相同溫度下測(cè)試其強(qiáng)度和組織形貌,結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 添加劑對(duì)金剛石砂輪抗折強(qiáng)度和洛氏硬度的影響Fig.2 Influence of additives on bending strength and Rockwell hardness of the dimond grinding wheel

由圖2可看出:(1)圖2(a)顯示,隨著晶須含量的增加,砂輪的抗折強(qiáng)度呈先略減小再增加趨勢(shì),且添加5%時(shí),砂輪抗折強(qiáng)度增加約11%。因?yàn)樵黾优鹚徜X晶須含量,一方面抑制了硼玻璃中方石英的析出,另一方面起了晶須強(qiáng)化作用[9-10]。砂輪洛氏硬度有減小趨勢(shì),但變化不大。此處結(jié)果與單純添加到結(jié)合劑后的性能變化趨勢(shì)有一定差異,這是由于結(jié)合劑中添加硼酸鋁晶須會(huì)提高耐火度,結(jié)合劑的燒結(jié)溫度范圍比砂輪燒結(jié)溫度范圍窄導(dǎo)致相同溫度下晶須含量的增加而減弱結(jié)合劑強(qiáng)度。(2)圖2(b)顯示隨著鋁粉含量的增加,砂輪的抗折強(qiáng)度及洛氏硬度均呈下降趨勢(shì),與單純添加到結(jié)合劑后的性能變化趨勢(shì)不同。通常,適量金屬粉可以起到彌散增強(qiáng)增韌的效果,但過(guò)量金屬粉會(huì)導(dǎo)致增加裂紋形核和擴(kuò)展的幾率。此處結(jié)果主要是由于砂輪燒結(jié)溫度＞鋁粉熔點(diǎn),鋁粉的熔融減弱了結(jié)合劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 不同添加劑的金剛石砂輪SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM images of grinding wheels with different additives

由圖3可看出:(1)添加晶須后,磨料包裹較好,磨料間結(jié)合劑氣孔較少,而且結(jié)合劑本身強(qiáng)度也有增加,因此增強(qiáng)了砂輪強(qiáng)度。(2)添加鋁粉后,砂輪的組織形貌無(wú)明顯變化,推斷此時(shí)結(jié)合劑對(duì)磨料把持力減弱,因此減弱了砂輪強(qiáng)度。

綜上,添加晶須有利于提高金剛石砂輪物理性能,添加鋁粉不利于提高金剛石砂輪物理性能,對(duì)其磨削性能的影響還需要驗(yàn)證。

2.2 添加劑對(duì)砂輪磨削性能的影響

采用實(shí)驗(yàn)砂輪在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行磨削軸承鋼材料試驗(yàn),研究硼酸鋁晶須對(duì)砂輪磨削性能的影響規(guī)律,測(cè)試砂輪的露刃高度和磨削比,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 晶須對(duì)砂輪露刃高度和磨削比的影響Fig.4 Influence of Whisker on due height and grinding ratio of the grinding wheel

在磨削過(guò)程中發(fā)現(xiàn):(1)未添加硼酸鋁晶須的砂輪(HRB硬度為75)磨削時(shí)單次最大進(jìn)刀量0.04mm,機(jī)床震動(dòng)較大,砂輪表面磨屑相對(duì)較多,工件表面粗糙度Ra為0.348;(2)添加5%晶須砂輪(HRB硬度為60)磨削時(shí)單次最大進(jìn)刀量為0.055mm,機(jī)床震動(dòng)正常,砂輪表面磨屑較少,工件表面粗糙度Ra為0.416。

從圖4可以看出:(1)砂輪添加硼酸鋁晶須后,雖然露刃高度由27μm降至22μm,但是磨削過(guò)程較平穩(wěn),工件表面粗糙度增加,說(shuō)明砂輪鋒利性有較大提高。(2)砂輪添加硼酸鋁晶須后,磨削比由37降至23,主要是因?yàn)槲刺砑由拜嗮ば级?且磨削量較少,因此測(cè)量數(shù)據(jù)有一定誤差。

由上述數(shù)據(jù)看出,砂輪在添加硼酸鋁晶須后硬度降低,利于修整,因此砂輪鋒利性更好。另外,結(jié)合劑添加硼酸鋁晶須后把持磨料強(qiáng)度高,不會(huì)降低砂輪的耐用度和壽命。

3 結(jié) 論

(1)加入5wt%鋁粉會(huì)使結(jié)合劑的流動(dòng)性提高15.6%,與資料介紹的引入其它添加劑會(huì)降低結(jié)合劑流動(dòng)性的結(jié)果相異。

(2)添加硼酸鋁晶須和鋁粉后會(huì)使結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)先增加再減小的現(xiàn)象,當(dāng)硼酸鋁晶須和鋁粉添加量為3wt%時(shí),結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度提高10%～20%。

(3)對(duì)于硼鋁硅酸鹽陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪來(lái)說(shuō),添加鋁粉會(huì)使金剛石砂輪的抗折強(qiáng)度及硬度降低,不適合增強(qiáng)增韌陶瓷金剛石砂輪;添加硼酸鋁晶須量會(huì)使金剛石砂輪的抗折強(qiáng)度緩慢增加,洛氏硬度基本不變,添加量為5%時(shí)砂輪的磨削性能較佳。且添加硼酸鋁晶須后,陶瓷金剛石砂輪鋒利性更好,利于磨削。

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Influence of Different Additives on Performance of Ceramic Diamond Grinding Wheel

GAO Yong-juan,LI Ke-hua,SU Hong-liang,Li U Quan-wei, SHI Lin-feng,HAN Xue,ZHAO Xiu-xiang
(Zhengzhou Research Institute for Abrasives&Grinding Co.Ltd,Zhengzhou,Henan 450013)

The influence of the content of aluminum borate whisker and aluminum powder on physical properties and grinding performance of ceramic binder ceramic diamond grinding wheel has been studied in this article.Result shows that the introduction of additive will reduce the liquidity of the binder.5wt%aluminum powder may increase the liquidity of the binder by 15.6%.The bending strength of the binder will be increased and then reduced because of the introduction of additive.When the addition amount of whisker and aluminum powder is 3wt%,the bending strength of the binder will be increased by 10～20%.5wt%aluminum borate whisker will increase the bending strength of the diamond grinding wheel by 11%,and the grinding performance of the grinding wheel will be improved.

binder;diamond grinding wheel;additive

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0019-04

2016-09-21

郜永娟(1985-),女,材料學(xué)工學(xué)碩士,工程師,任職于鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司磨盤(pán)制造部,從事超硬磨具技術(shù)研發(fā)工作。E-mail:495561927@qq.com。

郜永娟,李克華,蘇鴻良,等.不同添加劑對(duì)陶瓷金剛石砂輪性能的影響[J].超硬材料工程,2017,29(1):19-22.