氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能及結(jié)構(gòu)的影響

肖 攀，張 松，劉旭輝

(珠海市巨?？萍加邢薰?，廣東珠海 519100)

1 前言

磨具的三要素是磨粒、結(jié)合劑和氣孔。磨粒是構(gòu)成磨具的主要原料，起磨削作用的主要物質(zhì);結(jié)合劑是磨具中粘結(jié)磨粒的物質(zhì)，使之具有一定的強(qiáng)度和形狀，并使磨粒在磨削中具有一定的自銳作用;氣孔在磨削過(guò)程中具有容屑、排屑和增強(qiáng)散熱的作用［1］。陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具具有形狀保持性好、鋒利且穩(wěn)定性好等特性，因此在石油復(fù)合片聚晶、PDC刀具、硬質(zhì)合金諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用［2-4］。在磨具的磨削過(guò)程中，陶瓷結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力是影響陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的關(guān)鍵因素。

陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具需要在較低的溫度下燒成，由于結(jié)合劑中往往引入大量堿性物質(zhì)，導(dǎo)致與金剛石的潤(rùn)濕性差，也會(huì)增大結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)，使結(jié)合劑與金剛石的熱膨脹系數(shù)相差較大，從而降低結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力［5］，因此有必要從陶瓷結(jié)合劑的性能改善入手，進(jìn)而改善陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的性能。

陶瓷結(jié)合劑又可以稱(chēng)為玻璃結(jié)合劑。而氧化鈦是微晶玻璃中應(yīng)用最廣泛的晶核劑之一，在許多不同組分的微晶玻璃中都是行之有效的［6］。氧化鈦加入到微晶玻璃中形成微晶有助于降低玻璃的熱膨脹系數(shù)，提高玻璃本身的強(qiáng)度［7］。因此，在陶瓷結(jié)合劑中添加氧化鈦晶核劑有助于微晶的形成，進(jìn)而改善陶瓷結(jié)合劑的性能從而使陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的改善具有一定的可行性。雖然氧化鈦對(duì)微晶玻璃的結(jié)構(gòu)與性能影響的研究已經(jīng)比較深入，但氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)與性能的影響的研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)主要探討氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為氧化鈦在超硬材料磨具中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

在Li－B－Al－Si系陶瓷結(jié)合劑中加入晶核劑氧化鈦，通過(guò)改變陶瓷結(jié)合劑中氧化鈦的含量，測(cè)試其對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的完全燒結(jié)溫度的影響。在陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具試樣完全燒結(jié)的情況下，分別測(cè)試金剛石磨具試樣的抗折強(qiáng)度、洛氏硬度、氣孔率，以及顯微結(jié)構(gòu)等性能指標(biāo)，分析氧化鈦的添加對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律，并從理論上查找原因。

2.2 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)采用自制的Li－B－Al－Si硅酸鹽系陶瓷結(jié)合劑，氧化鈦為分析純，購(gòu)于西隴化工。在純結(jié)合劑(即不含氧化鈦的結(jié)合劑)的基礎(chǔ)上添加純結(jié)合劑質(zhì)量的 0.5wt%、1wt%、1.5wt%、2wt%、2.5wt%的氧化鈦，先將結(jié)合劑與氧化鈦在行星球磨機(jī)中混合均勻，制備成新的結(jié)合劑，然后按照表1所示的配比，制成30mm×6mm×4mm和Φ20mm×6mm兩種金剛石磨具試樣，在馬弗爐中燒結(jié)。

表1 陶瓷金剛石磨具試樣組份配比Table 1 Sample component of vitrified bond diamond tools

3 結(jié)果與分析

3.1 氧化鈦對(duì)最佳燒結(jié)溫度的影響

本實(shí)驗(yàn)以陶瓷結(jié)合劑磨具試樣能夠燒結(jié)并且不起泡變形的最高溫度為完全燒結(jié)溫度。在此溫度下燒結(jié)出來(lái)的陶瓷結(jié)合劑磨具的燒結(jié)狀態(tài)最好，其硬度及強(qiáng)度最好，最能反映陶瓷結(jié)合劑的性能，因此本實(shí)驗(yàn)以完全燒結(jié)溫度下的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具為討論對(duì)象。由表2中可以看出，隨著氧化鈦含量的增加，陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度逐漸下降，當(dāng)添加量為2.5wt%時(shí)，完全燒結(jié)溫度下降了60℃。當(dāng)添加量為0.5wt%時(shí)，陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度下降了20℃，即陶瓷結(jié)合劑的耐火度下降了20℃。說(shuō)明氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的燒結(jié)溫度有著顯著影響。

表2 不同氧化鈦含量陶瓷結(jié)合劑磨具的完全燒結(jié)溫度Table 2 The best sintering temperature of different titanium oxide content(℃)

3.2 金剛石磨具硬度及抗彎強(qiáng)度的分析

圖1為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷磨具硬度變化圖。由圖中可以看出，氧化鈦的加入能夠提高陶瓷結(jié)合劑磨具的硬度，但是提高不明顯。隨著氧化鈦含量的增加，陶瓷結(jié)合劑磨具的硬度呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)加入量為0.5wt%時(shí)，硬度達(dá)到最大值，洛氏硬度為122HRE。

圖1 陶瓷金剛石磨具的硬度Fig.1 Rockwell hardness of vitrified bond diamond grinding tools

圖2為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷磨具抗彎強(qiáng)度變化圖。由圖中可以看出，氧化鈦的加入會(huì)降低陶瓷結(jié)合劑磨具的抗彎強(qiáng)度，且隨著加入量的增加呈快速降低的趨勢(shì)。因此從抗彎強(qiáng)度的角度看，陶瓷結(jié)合劑中氧化鈦的添加量不宜過(guò)多，否則其抗彎強(qiáng)度會(huì)降低太多，從而影響陶瓷結(jié)合劑磨具的安全性能及磨削性能。

圖2 陶瓷金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度Fig.2 Bending strength of vitrified bond diamond grinding tools

綜上所述，氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤胗欣谔岣咛沾山Y(jié)合劑金剛石磨具的硬度，但是提高不明顯。氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤霑?huì)降低陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度，且抗彎強(qiáng)度隨加入量的增加快速降低，因此氧化鈦的添加量應(yīng)小于1wt%。

3.3 對(duì)金剛石磨具顯氣孔率及微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3為完全燒結(jié)時(shí)不同氧化鈦含量的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率變化圖。由圖中可以看出，顯氣孔率隨氧化鈦的加入出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。但是顯氣孔率變化不明顯，因此晶核劑氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率影響不大。

圖3 陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的顯氣孔率Fig.3 Porosity of vitrified bond diamond grinding tools

圖4為300倍的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的二次電子圖像。從圖中可以看出，無(wú)論添加氧化鈦晶核劑與否，結(jié)合劑橋中都有許多封閉的小氣孔。添加氧化鈦含量 1.5wt%，2wt%，2.5wt%時(shí)較添加 0、0.5wt%、1wt%時(shí)，其貫通的大氣孔明顯增加，這也是其抗彎強(qiáng)度大幅下降的主要原因之一。從結(jié)合劑對(duì)金剛石的包裹狀態(tài)來(lái)看，結(jié)合劑都能對(duì)金剛石進(jìn)行有效的包裹。從斷口的斷裂面來(lái)看，基本都是從結(jié)合劑橋斷裂，說(shuō)明了金剛石－結(jié)合劑－金剛石的結(jié)合中，結(jié)合劑的強(qiáng)度較結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度低，也從側(cè)面證明了結(jié)合劑對(duì)金剛石進(jìn)行了有效的包裹與結(jié)合。

圖4 300倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 300×

圖5為500倍的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的背散射電子圖像。從圖中可以看出，不添加氧化鈦晶核劑的結(jié)合劑橋中沒(méi)有微晶的生成。而添加氧化鈦晶核劑的結(jié)合劑橋中都生成了數(shù)量較多的微晶，但是微晶的數(shù)量并沒(méi)有隨晶核劑的增加而增加，而是沒(méi)有明顯的變化。氧化鈦晶核在玻璃中的成核機(jī)理可能為氧化鈦先與其他RO類(lèi)型的氧化物一起從硅氧網(wǎng)絡(luò)中分離出來(lái)(分液)，并以此為基礎(chǔ)，形成晶核，從而促使玻璃微晶化［8］。而結(jié)合劑中的RO類(lèi)型的氧化物是形成陶瓷結(jié)合劑的關(guān)鍵組分，在陶瓷結(jié)合劑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起補(bǔ)網(wǎng)的作用?；诖丝梢耘卸ㄔ诒緦?shí)驗(yàn)的結(jié)合劑中，氧化鈦成核所需的RO氧化物不足或RO氧化物優(yōu)先進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致陶瓷結(jié)合劑的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度下降，形成的微晶數(shù)量沒(méi)有繼續(xù)增加。因此，在Li－B－Al－Si硅酸鹽玻璃體系中加入氧化鈦時(shí)應(yīng)同時(shí)加入一定量的RO氧化物。

圖5 500倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的BSE圖Fig.5 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 500×

4 結(jié)論

(1)氧化鈦對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的燒結(jié)溫度有著顯著影響。當(dāng)氧化鈦含量為0.5wt%時(shí)，完全燒結(jié)溫度下降了20℃。

(2)氧化鈦?zhàn)鳛榫Ш藙┑募尤胗欣谔岣咛沾山Y(jié)合劑金剛石磨具的硬度，同時(shí)會(huì)降低陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度。為減少陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具的抗彎強(qiáng)度下降，氧化鈦的添加量應(yīng)小于1wt%。

(3)從SEM二次電子圖可以看出，加入氧化鈦的陶瓷結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合很好。從SEM背散射電子圖可以看出，結(jié)合劑中的微晶數(shù)量沒(méi)有隨氧化鈦的增加而增加，其數(shù)量沒(méi)有明顯變化，因此在加入晶核劑的同時(shí)應(yīng)加入一定量的RO氧化物。