低溫Li2O-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃結(jié)合劑的研究

肖卓豪 ，王 贊 ，羅民華 ，梁華銀 ，易維民 ，吳 敏 ，汪永清 ，石旭海

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 江西冠億研磨股份有限公司，江西 奉新 330700)

0 引 言

剛玉砂輪是一種常用的磨具，是以剛玉顆粒為磨料通過結(jié)合劑將磨料顆粒粘結(jié)在一起經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成。常用的結(jié)合劑包括陶瓷結(jié)合劑、玻璃結(jié)合劑、微晶玻璃結(jié)合劑及樹脂結(jié)合劑等。其中陶瓷結(jié)合劑由于成本低、制備工藝簡單為當(dāng)前剛玉砂輪制備所最常用的結(jié)合劑。然而由于陶瓷結(jié)合劑是以多種陶瓷原料經(jīng)混合球磨而成的一種物理混合物，很難達(dá)到微觀層次的均質(zhì)而必然會導(dǎo)致結(jié)合劑局部成分的不均勻，這種不均勻的結(jié)合劑成分經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后將形成不同的物相。而物相的不同則會導(dǎo)致局部性能的差異，從而使得砂輪存在性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1-3]。此外，砂輪要實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，必然要求結(jié)合劑在高溫下能夠形成部分液相，一般陶瓷結(jié)合劑形成液相所需溫度較高，通常需要1200 ℃以上，因而存在能耗較高的弊端。而玻璃結(jié)合劑由于經(jīng)過高溫熔體冷卻而成，在高溫下所形成的液相已充分將玻璃中各種成分實(shí)現(xiàn)了“分子”級別的均化，因此理論上玻璃從微觀上來看也是均質(zhì)的；同時(shí)，玻璃相比相同成分的陶瓷，其形成液相的溫度更低。因此，采用玻璃為砂輪結(jié)合劑理論上不僅能夠降低砂輪的燒成溫度，同時(shí)也能提高砂輪的性能穩(wěn)定性[4-7]。

本文嘗試以Li2O-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2低溫玻璃為剛玉砂輪結(jié)合劑，探討結(jié)合劑性能與剛玉磨料的匹配性，探索合適的燒結(jié)溫度范圍并研究燒成溫度制度對砂輪試樣性能的影響，為剛玉砂輪的低溫化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 玻璃制備

結(jié)合劑采用Li2O-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2體系玻璃，其具體組成如表1所示。原料中B2O3以H3BO3形式引入，Li2O、Na2O 及CaO以K2CO3、Na2CO3及CaCO3形式引入，所有原料均采用化學(xué)純試劑。將配方表中原料按比例稱取400 g進(jìn)行混料然后過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，裝入500 mL的剛玉坩堝，置于硅碳棒電爐中熔制。熔制溫度為1320 ℃，保溫時(shí)間為2 h，得到均勻無明顯氣泡的玻璃液，然后澆筑在500 ℃預(yù)熱的鑄鐵模具中進(jìn)行退火，退火溫度為500 ℃、保溫1 h后關(guān)閉電源，待冷卻至室溫后取樣切割分析。

1.2 結(jié)合劑性能測試

用金剛石切割片將玻璃切成5 mm×5 mm×40 mm長方體，以測試其室溫至600 ℃的平均熱膨脹系數(shù)；取部分玻璃磨細(xì)過200目標(biāo)準(zhǔn)篩后利用模具壓制成φ3 mm×3 mm的柱狀進(jìn)行高溫軟化性能測試，為玻璃結(jié)合劑砂輪的燒成提供溫度參考。剩余玻璃破碎碾磨后過300目標(biāo)準(zhǔn)篩作為磨料結(jié)合劑用。為評估玻璃結(jié)合劑的析晶穩(wěn)定性，對高溫長時(shí)間保溫后的結(jié)合劑進(jìn)行XRD測試。

1.3 砂輪試樣制備與性能測試

取制備的玻璃結(jié)合劑粉50 g，稱取1 g黃糊精粉，兩者混合、攪拌過程中加水20 mL，待混合均勻后再加200#剛玉磨料200 g，繼續(xù)混合均勻后倒入壓片模具中壓制成6 mm×6 mm×40 mm長方體，成型壓力為20 MPa。將成型后的砂輪試樣置于硅碳棒電爐中以5 ℃/min速度分別升溫至670 ℃、710 ℃、750 ℃、790 ℃和830 ℃并各保溫1h獲得不同燒成溫度條件下樣品，進(jìn)行抗彎強(qiáng)度值測試，優(yōu)選出最佳燒成溫度后再測試其在保溫時(shí)間分別為0.5 h、1.0 h、2.0 h、4.0 h和8.0 h條件下的抗彎強(qiáng)度值，以探討燒成溫度制度對玻璃結(jié)合劑砂輪抗彎強(qiáng)度性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃結(jié)合劑熱膨脹性能分析

結(jié)合劑與磨料顆粒之間熱膨脹系數(shù)的匹配性是影響磨具性能的重要因素。高溫下結(jié)合劑熔化形成部分液相與磨料顆粒形成緊密黏結(jié)，此時(shí)由于結(jié)合劑處于塑性狀態(tài)，與磨料顆粒之間并無熱應(yīng)力形成。然而在燒成冷卻過程中，若結(jié)合劑與磨料之間的熱膨脹系數(shù)不一致，將導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)較小的一方承受壓應(yīng)力而膨脹系數(shù)較大的一方則承受拉應(yīng)力[8]。低溫玻璃結(jié)合劑由于燒成溫度低，玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身較為松散，因而其強(qiáng)度值較低。在應(yīng)力的作用下，結(jié)合劑本身或結(jié)合劑與磨料顆粒結(jié)合處容易發(fā)生開裂，從而使得砂輪的磨削速度等關(guān)鍵性能受到顯著制約。

圖1是所制備的玻璃結(jié)合劑材料和剛玉磨料從室溫至600 ℃的熱膨脹曲線。從圖中可以看出，在試樣的玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，兩者的熱膨脹曲線匹配度較好，玻璃結(jié)合劑的熱膨脹率僅稍微大于剛玉，這說明從熱膨脹性能角度來看，所制備的玻璃結(jié)合劑是比較適合剛玉砂輪的。此外，從圖1可以看出，所制備的玻璃結(jié)合劑具有很低的轉(zhuǎn)變溫度，其熱膨脹軟化溫度僅為551 ℃，這說明以該材料為砂輪結(jié)合劑適合低溫?zé)Y(jié)。這對降低砂輪生產(chǎn)成本、促進(jìn)節(jié)能減排無疑具有積極意義。

圖1 玻璃結(jié)合劑與剛玉的熱膨脹曲線Fig.1 Thermal expansion curves of glass binder and corundum

表1 玻璃試樣的化學(xué)組成 (wt.%)Tab.1 chemical composition of the glass samples (wt.%)

2.2 玻璃結(jié)合劑特征溫度分析

磨具用結(jié)合劑高溫?zé)Y(jié)時(shí)形成液相，通過對磨料顆粒的潤濕與包裹，實(shí)現(xiàn)對磨料顆粒的黏結(jié)，從而在燒結(jié)冷卻后使得固結(jié)磨具獲得一定的強(qiáng)度。這就要求磨具的燒結(jié)溫度選擇要合理，若燒結(jié)溫度過低，結(jié)合劑無法產(chǎn)生液相，則無法實(shí)現(xiàn)對磨料顆粒的黏結(jié)；若燒結(jié)溫度過高，則結(jié)合劑容易發(fā)生塑性流動，使得磨具在燒結(jié)過程中發(fā)生變形與尺寸不穩(wěn)定等問題。為獲得比較合適的燒成溫度范圍，一般對結(jié)合劑進(jìn)行特征溫度分析。圖2是所制備玻璃結(jié)合劑的特征溫度測試時(shí)的樣品投影，室溫下，該樣品投影后是棱角分明的矩形，至567 ℃時(shí)樣品的邊角發(fā)生明顯軟化、棱角開始變圓，這與該試樣熱膨脹測試的軟化溫度基本相當(dāng)。但溫度升至634 ℃時(shí)，樣品已呈半球狀，繼續(xù)升溫至675 ℃，樣品已明顯呈現(xiàn)流動特征。這說明結(jié)合劑要與磨料形成良好的結(jié)合，燒結(jié)溫度需要高于675 ℃。

2.3 燒成制度對磨具強(qiáng)度影響分析

圖2 玻璃結(jié)合劑的特征溫度測試Fig.2 Characteristic temperature testing of prepared glass binder

圖3 為以所制備的玻璃粉為結(jié)合劑制備的高于砂輪試樣在經(jīng)不同溫度燒結(jié)保溫1 h后的抗彎強(qiáng)度。從圖中可以看出，隨著燒結(jié)溫度從670 ℃逐漸升高至830 ℃，磨具試條的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高再穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)燒結(jié)溫度為670 ℃時(shí)，試條的抗彎強(qiáng)度僅為35.7 MPa，燒結(jié)溫度升高后試樣的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；當(dāng)燒結(jié)溫度為750 ℃，磨具試樣的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值43.9 MPa，繼續(xù)升溫至830 ℃，試樣的強(qiáng)度在43 MPa附近變化不大。因此，該結(jié)合劑比較理想的燒結(jié)溫度為750 ℃-790 ℃。結(jié)合玻璃流動溫度可知，盡管結(jié)合劑在670 ℃開始形成塑性流動，但此時(shí)液相的粘度仍然較大，結(jié)合劑與磨料顆粒之間仍然是點(diǎn)接觸，因而試樣的強(qiáng)度值較低。當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸升高，結(jié)合劑所形成的液相粘度降低，對磨料顆粒形成包裹，磨料之間發(fā)生顆粒重排，結(jié)合劑與磨料之間的接觸面積變大。因此，對磨料顆粒的把持能力增強(qiáng)，所以磨具試樣的抗彎強(qiáng)度隨之升高。當(dāng)燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高至750 ℃后，由于結(jié)合劑已與磨料顆粒之間形成充分的包裹，因此再升高燒結(jié)溫度對磨具強(qiáng)度的影響不明顯。

以上分析可知，以所制備的玻璃為結(jié)合劑制備剛玉砂輪時(shí)合適的燒結(jié)溫度為750 ℃-790 ℃，為進(jìn)一步優(yōu)化燒結(jié)溫度制度，實(shí)驗(yàn)選擇燒結(jié)溫度為770℃保溫不同時(shí)間，探討保溫時(shí)間對試樣強(qiáng)度的影響。圖4是燒結(jié)溫度為770 ℃不同保溫時(shí)間所獲得樣品的抗彎強(qiáng)度。由圖可知，當(dāng)保溫時(shí)間為1-2 h時(shí)，試樣的強(qiáng)度為44.5-45.1 MPa。保溫時(shí)間為0.5 h時(shí)，磨具試樣的強(qiáng)度僅為36.8 MPa，隨著保溫時(shí)間的延長，試樣的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)保溫時(shí)間為8h時(shí)試樣的強(qiáng)度迅速降低至41.2 MPa。磨具試樣的強(qiáng)度隨燒結(jié)時(shí)保溫時(shí)間的延長降低，這可能與玻璃結(jié)合劑析晶穩(wěn)定性有關(guān)。

2.4 玻璃結(jié)合劑的XRD分析

圖3 不同燒成溫度條件下玻璃結(jié)合劑剛玉砂輪試樣的抗彎強(qiáng)度Fig.3 The bending strength of corundum wheel sample with glass as binder sintered at different temperatures

圖4 不同保溫時(shí)間條件下剛玉砂輪試樣的抗彎強(qiáng)度Fig.4 The bending strength of corundum wheel sample sintered at 770°C with different holding time

為探討長保溫時(shí)間條件下剛玉砂輪磨具強(qiáng)度降低的原因，對770 ℃保溫1 h和8 h的低溫玻璃結(jié)合劑進(jìn)行了XRD測試，其測試結(jié)果如圖5所示。由圖可知，當(dāng)結(jié)合劑在770 ℃保溫1 h后，其測試曲線中仍然沒有衍射峰出現(xiàn)，表明此時(shí)結(jié)合劑仍然完全為玻璃相；然而當(dāng)延長保溫時(shí)間至8 h后，衍射譜中出現(xiàn)了大量明顯的衍射峰，對比卡片庫可知衍射峰所對應(yīng)的晶體為Li2.4Mg0.8SiO4。眾所周知，玻璃本身是介穩(wěn)態(tài)，存在自動向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。玻璃態(tài)物質(zhì)在高溫長時(shí)間保溫，質(zhì)點(diǎn)獲得足夠多的能量克服析晶活化能后就會生成晶態(tài)物質(zhì)[9-10]，由于相同組成的晶體與玻璃的膨脹系數(shù)不一致，因此若玻璃結(jié)合劑中有晶體析出則可能導(dǎo)致結(jié)合劑與剛玉磨料的熱膨脹不匹配，從而導(dǎo)致樣品的強(qiáng)度降低。

圖5 玻璃結(jié)合劑在770 ℃熱處理不同時(shí)間的XRD譜Fig.5 The XRD patterns of glass binder heat-treated at 770°C for different time

3 結(jié) 論

Li2O-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃具體較低的流動溫度和與剛玉磨料相匹配的熱膨脹系數(shù)，適合作為剛玉砂輪的低溫結(jié)合劑，其適宜的燒成溫度范圍750 ℃-790 ℃，保溫時(shí)間以1-2 h為佳。

該體系玻璃的析晶穩(wěn)定性較差，作為剛玉砂輪結(jié)合劑使用時(shí)若在高溫長時(shí)間保溫，將導(dǎo)致硅酸鋰鎂晶體的析出，從而改變結(jié)合劑與磨料顆粒之間的熱膨脹匹配性，導(dǎo)致磨具強(qiáng)度降低。