微波燒結制備陶瓷結合劑金剛石砂輪的研究

胡 曉 ，程 寓 ，袁 勤 ，方靜弦

(南京理工大學 工信部高端裝備制造技術協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇 南京 210000)

0 引 言

由于陶瓷結合劑材料的脆性，陶瓷結合劑金剛石砂輪的使用壽命一直不理想。此外，陶瓷結合劑的強度在一定范圍內(nèi)隨溫度上升而上升，但金剛石在空氣氣氛中700 ℃以上就會開始發(fā)生氧化反應，900 ℃以上就會開始發(fā)生石墨化現(xiàn)象[1-2]，所以陶瓷結合劑必須滿足低溫燒成的要求，這與提高其強度產(chǎn)生矛盾。所以，研發(fā)低溫高強的陶瓷結合劑、提高陶瓷結合劑金剛石砂輪的使用壽命與磨削質(zhì)量一直是研究熱點所在[3-4]。

目前，金剛石砂輪的制備主要有無壓燒結和熱壓燒結兩種方法。無壓燒結操作簡單，模具不用加熱，使用壽命較長，但無壓燒結采用由外到內(nèi)的熱傳遞的方式，所以燒結時間很長，通常需要5 h以上，電能消耗大。熱壓燒結所需壓力較小，可燒結大尺寸試樣，還可有效提高試樣致密度，但熱壓燒結也是采用的熱傳遞的升溫方式，所以升溫比較慢，電能消耗大，且不能成批生產(chǎn)。

近年來，微波燒結技術能到了廣泛的應用與發(fā)展，尤其是在陶瓷材料燒結制備領域[5]。與傳統(tǒng)燒結相比，微波燒結主要依靠材料自身吸收電磁波發(fā)生介質(zhì)損耗由內(nèi)而外整體升溫，燒結時間短，還能降低燒結溫度，顯微結構更加均勻[6]。金剛石砂輪燒結所需的陶瓷結合劑要滿足低溫高強的要求，而微波燒結由內(nèi)而外整體加熱升溫快、降低燒結溫度的特點相比較通過熱傳遞升溫的傳統(tǒng)燒結無疑具有很大的優(yōu)勢。

本文將金剛石磨料與B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結合劑混合，然后置于保溫助燒裝置中進行微波燒結，研究其力學性能、相組成以及微觀組織結構，探討微波燒結陶瓷結合劑金剛石砂輪的可行性。

1 試驗步驟

1.1 陶瓷結合劑制備

本實驗所用的陶瓷結合劑為B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結合劑，具體成分組成如表1所示，該玻璃結合劑具有較低的燒結溫度(600 ℃-720 ℃)，較高的抗彎強度(大于100 MPa)，熱膨脹系數(shù)(6.8×10-6/℃-7.0×10-6/℃)與金剛石的熱膨脹系數(shù)(4.5×10-6/℃)相近，對金剛石磨料具有良好的潤濕包覆能力[7]。Al2O3(由上海超威納米科技有限公司提供)粒徑為20 μm， Na2O由Na2CO3(由國藥集團化學試劑有限公司提供)引入，純度為98.5%，其他成分(由國藥集團化學試劑有限公司提供)純度都在98%以上。按表1配方將各組分混合，放入行星式球磨機中用酒精濕磨12 h，球磨介質(zhì)是Al2O3球，然后干燥，過100#篩，置于馬弗爐中以10 ℃/min的速度升溫至1500 ℃并保溫2 h進行高溫熔煉，保溫結束后馬上將熔煉后的液體倒入水中水淬，然后取出玻璃結合劑碎塊，繼續(xù)在行星式球磨機中用酒精濕磨12 h，球磨介質(zhì)依然是Al2O3球，然后取出干燥，過200#篩，封裝備用。

1.2 試樣制備

陶瓷結合劑金剛石砂輪主要由陶瓷結合劑、金剛石磨料、輔助磨料以及臨時粘結劑等組成，本實驗選用粒度大小為230/270#的金剛石破碎料(由黃河旋風股份有限公司提供)，輔助磨料選擇綠色SiC(由國藥集團化學試劑有限公司提供)，臨時粘結劑選用甲基纖維素(由國藥集團化學試劑有限公司提供)水溶液與糊精粉(由河南義翔新材料有限公司提供)。按表2所示的組分占比首先將金剛石磨料與綠色SiC在研缽中混合，然后逐滴加入甲基纖維素水溶液(濃度為0.3%)潤濕磨料，然后加入陶瓷結合劑與糊精粉的混合粉體，在研缽中充分攪拌，直至混合粉體能充分包裹在磨料周圍。混料結束后將粉料置于模具中，壓制成35 mm×5 mm×5 mm的長條與13 mm×13 mm×6 mm的方塊素坯，以便測量其抗彎強度與硬度，壓力為60 MPa，保壓時間約為2-3 min，然后將素坯置于干燥箱中干燥6 h，將干燥后的素坯置于NJZ5-1型真空微波燒結爐進行燒結，微波燒結在N2氣氛保護下進行，升溫速率約為30 ℃/min，保溫30 min左右，整個過程在70-80 min左右。

1.3 測試

利用下列公式計算試樣氣孔率

式中，V為氣孔率，ρ為試樣密度，Wα為試樣中磨料所占質(zhì)量百分比，ρα為磨料密度，Wν為陶瓷結合劑所占質(zhì)量百分比，ρν為結合劑密度。

利用HR-150DT電動洛氏硬度計(由杭州精兢檢測儀器有限公司提供)測量試樣硬度，實驗力取980.7 N，保壓時間為5 s，利用電子萬能試驗機(由深圳三思縱橫科技股份有限公司提供)采用三點抗彎法測量試樣抗彎強度，跨距取20 mm，加荷速度取0.5 mm/min，采用X射線衍射儀(XRD, D8 Advance, Germany)分析試樣的物相組成，采用掃描電子顯微鏡(SEM, LEO1530VP, Germany)觀看試樣斷口形貌。

2 結果分析

2.1 力學性能

圖1所示為不同溫度下微波燒結對試樣氣孔率、硬度以及抗彎強度的影響。素坯成型的質(zhì)量與尺寸都是確定的，氣孔率都為28.98%，從圖1(a)中可以看出，經(jīng)過燒結后，氣孔率會有所增加，這是因為試樣在燒結過程中陶瓷結合劑會與金剛石磨粒在結合部位發(fā)生一系列物理化學反應，生成少量CO2，致使氣孔增多。在710 ℃-800 ℃，氣孔率基本維持在32%-34%左右，總體上呈降低的趨勢，這是因為陶瓷結合劑逐漸致密造成的，而到了830 ℃，氣孔率增加到接近40%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在達到燒結溫度前陶瓷結合劑還沒有對金剛石磨粒實現(xiàn)有效包裹，陶瓷結合劑與金剛石顆粒之間的反應并不劇烈，只是產(chǎn)生少量的CO2氣體，而達到燒結溫度后，陶瓷結合劑實現(xiàn)了對金剛石磨粒的有效包裹，金剛石磨粒通過陶瓷結合劑的粘結作用連接在一起，陶瓷結合劑中的堿性氧化物等會對金剛石磨粒產(chǎn)生腐蝕反應，產(chǎn)生大量CO2，氣孔率急劇上升。

表1 陶瓷結合劑成分組成Tab.1 Compositions (wt.%) of vitri fi ed bond composites

表2 試樣成分組成Tab.2 Compositions (wt.%) of sample composites

圖1 不同燒結溫度對試樣硬度、抗彎強度以及氣孔率的影響Fig.1 Effects of different sintering temperatures on (a) the porosity, (b) hardness, (c) bending strength of the specimens

從圖1(b)、(c)中可看出，試樣的硬度以及抗彎強度都是隨著溫度的上升而上升，在800 ℃達到峰值，然后再下降，在800 ℃保溫30 min的試樣硬度最高可達62.9 HRB，抗彎強度最高可達50 MPa。在800 ℃以前，試樣的力學性能隨溫度上升而上升然后達到峰值后再下降的現(xiàn)象是由于隨著燒結溫度的上升，陶瓷結合劑逐漸溶解、產(chǎn)生液相、析晶、有新相生成等[8]，在這期間，結合劑逐漸燒結完全、致密，顆粒之間空隙被液相充分填滿[9]并逐漸粘結在一起對金剛石磨粒逐漸形成有效包裹，金剛石磨?？拷Y合劑的結合逐漸連接在一起，試樣硬度與抗彎強度因此而上升，達到最高值，而后因為陶瓷結合劑中的堿性氧化物等與金剛石磨粒發(fā)生化學反應，產(chǎn)生CO2氣體，氣孔增多，正如圖1(a)中顯示的一樣，影響陶瓷結合劑對金剛石磨粒的有效包裹，因此導致試樣力學性能下降。此外，每塊素坯的質(zhì)量都為2.5 g，燒結過后質(zhì)量失重都在5%以下，這一部分失重是由于臨時粘結劑燃燒殆盡造成的，這也正對應其所占的比重，故推斷微波燒結過程中幾乎沒有發(fā)生金剛石氧化現(xiàn)象。

2.2 相組成

所用陶瓷結合劑是由多種氧化物礦物或化學純試劑熔融配制而成，試樣XRD見圖2以硅酸鹽玻璃相為主，以硅、鋁、氧以及多種堿金屬為基本組成元素，結合劑中的基本結構單元是硅氧四面體[SiO4]及其聚合物。根據(jù)玻璃網(wǎng)絡學說和相關文獻資料[10-12]，結合劑中大量的硅氧四面體[SiO4]相互連成網(wǎng)絡結構，構成骨架，將Na2O、CaO、BaO等引入結合劑后，他們提供了“自由氧”，而這些“自由氧”中的一部分會與[SiO4]網(wǎng)絡中的硅成鍵，從而形成Na2Si2O5、Ca2SiO4等聚合物，也正是這種現(xiàn)象斷開了硅與硅之間的“橋氧鍵”，破壞了硅氧三維網(wǎng)絡結構，因此降低了結合劑的耐火度[13]。CaWO4晶體的出現(xiàn)與玻璃相中非均勻核化析晶有關，結合劑玻璃相中析出晶體有利于實現(xiàn)微晶增韌提高強度[4]。

圖2 在800 ℃保溫30 min時微波燒結的試樣XRD示意圖Fig.2 The XRD patterns of the specimens sintered by microwave at 800 °C for 30 min

圖3 不同溫度下微波燒結試樣的斷面SEM圖Fig.3 SEM micrographs of the fractured surfaces of the specimens: (a) MS710 °C, (b) MS740 °C, (c) MS770 °C, (d) MS800°C, (e) MS830 °C

2.3 微觀結構組織

圖3所示為不同溫度下微波燒結試樣斷面的SEM圖，從圖3(a)-(e)中可以看出，隨著溫度升高，微波燒結的試樣的陶瓷結合劑逐漸溶解，產(chǎn)生液相，并對金剛石磨粒潤濕包裹，當溫度達到燒結溫度800 ℃時，陶瓷結合劑對金剛石磨料的潤濕包裹效果最好，當溫度達到830 ℃時，可能因為陶瓷結合劑中的堿性氧化物等與金剛石磨粒劇烈反應，產(chǎn)生大量CO2氣體，也可能是爐腔內(nèi)殘留的氧氣與金剛石磨粒發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生CO2氣體，出現(xiàn)尺寸較大的氣孔，這也導致了試樣抗彎強度的下降[14-15]。

3 結 論

(1)利用微波燒結技術，成功制備了陶瓷結合劑金剛石砂輪試樣，燒結時間短且沒有影響試樣力學性能的提升。

(2)在800 ℃燒結溫度，30 min保溫時間下，微波燒結的陶瓷結合劑金剛石砂輪試樣力學性能最佳，氣孔率為34.88%，硬度為62.9 HRB，抗彎強度為50 MPa。

(3)微波燒結的快速升溫并沒有影響陶瓷結合劑的液相產(chǎn)生、析晶等過程。