添加劑對陶瓷結合劑性能的影響

添加劑對陶瓷結合劑性能的影響

1陶瓷結合劑的性能由于陶瓷和鉆石磨機的結合，其拋光能力強，研磨形狀好，研磨時有許多空隙。磨損時，不易堵塞，不易燃燒零件。這種良好的研磨性能，如佳的自蝕性，現(xiàn)在越來越受到重視。陶瓷結合劑的性能是影響陶瓷結合金剛石磨具使用的關鍵因素。本文主要研究添加劑對基礎陶瓷結合劑性能的影響。2實驗2.1陶瓷結合劑配方實驗以三元堿R2O-Al2O3-B2O3-SiO2系為基礎陶瓷結合劑(編號1#),將堿土金屬氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2添加到陶瓷結合劑中(編號2#),研究其對陶瓷結合劑性能的影響;在引入堿土金屬化合物的基礎上,再添加稀土氧化物CeO2(編號3#),進一步研究其性能變化。不同陶瓷結合劑配方見表1。其中實驗原料MgO、ZnO、CaF2、CeO2以化學純試劑的方式引入,其純度分別為98%、99%、99.5%、99.95%。2.2細粉粒度按陶瓷結合劑配方準確稱量各種原料,并將其混勻后裝入剛玉坩堝,再將坩堝置于1600℃高溫爐中熔融,將充分熔融后的玻璃液進行水淬、烘干、粉碎、濕磨、抽濾、烘干、過篩,使陶瓷結合劑細粉粒度達到-200目。按重量比加入3%糊精,以2MPa壓強,預壓成30mm×7.5mm×7.3mm試樣,再通過高溫爐進行燒結,制得陶瓷結合劑試樣。2.3陶瓷結合劑金剛石磨具試樣制備按表2配比將各種原料混合均勻,通過液壓機,以3MPa壓強,保壓時間30s,壓制成30mm×7.5mm×18mm試樣,再通過高溫爐按燒結曲線進行燒結,制得陶瓷結合劑金剛石磨具試樣。2.4陶瓷結合劑試樣的表征使用影像式燒結點試驗儀測試其熔融變化過程,觀察試樣隨溫度變化的趨勢和在熔融狀態(tài)對金剛石的潤濕情況;電子式萬能試驗機測試試樣抗折強度;D/MAX-2400型X光粉末衍射儀分析礦物組成;RPZ-03P型全自動高溫熱膨脹儀測定樣品的熱膨脹系數(shù);Quanta200型掃描電鏡對陶瓷結合劑試樣的微觀結構進行分析;HR-150A型洛氏硬度計測量試樣的洛氏硬度。3結果與分析3.1陶瓷結合劑堿土金屬物的影響將1#、2#和3#三種陶瓷結合劑粉壓制成?6mm×8mm圓柱體試樣,置于金剛石墊片上,在影像式燒結點試驗儀中測定陶瓷結合劑的完全燒結溫度、熔融溫度和流動溫度,結果見表3。由表3可以看出,添加堿土金屬氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2,增大了陶瓷結合劑的堿用量,起到很好的助熔作用,可進一步促進液相產(chǎn)生,大幅度地降低陶瓷結合劑的熔融溫度。圖1為3#陶瓷結合劑在流動溫度下,與金剛石的潤濕情況。由圖1可以看出,3#陶瓷結合劑與金剛石之間潤濕角≤30°,即3#陶瓷結合劑高溫潤濕良好,這是由于堿土金屬氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2能改善對金剛石的潤濕性,稀土氧化物CeO2因稀土元素具有良好的表面活性,從而進一步改善陶瓷結合劑的高溫潤濕。3.2陶瓷結合劑微觀結構的影響圖2為陶瓷結合劑經(jīng)不同溫度燒結,保溫1h后的抗折強度。由圖2可以看出,三種陶瓷結合劑經(jīng)640℃燒結后,抗折強度都達到最大值,其中1#陶瓷結合劑抗折強度為43.21MPa,2#陶瓷結合劑為87.96MPa,3#陶瓷結合劑為92.05MPa,燒結溫度再繼續(xù)升高,試樣變形,其抗折強度反而降低。圖3為1#、2#、3#三種陶瓷結合劑經(jīng)640℃燒結的斷口形貌,從圖3可以看出這三種陶瓷結合劑微觀結構差異很明顯。這是因為陶瓷結合劑中含有適量的堿土金屬氧化物MgO、ZnO,促使硼氧三角體[BO3]和鋁氧八面體[AlO6]分別轉(zhuǎn)變?yōu)榕c硅氧四面體[SiO4]相似的三度空間架狀結構的硼氧四面體[BO4]和鋁氧四面體[AlO4],從而提高玻璃網(wǎng)絡強度;稀土氧化物CeO2可以進入晶界玻璃相,使玻璃相的強度得到提高,通過顆粒之間的毛細管作用,促使顆粒間的物質(zhì)向孔隙處填充,使材料孔隙率降低、致密度提高。3.3陶瓷結合劑的熱膨脹分析圖4為1#、2#陶瓷結合劑試樣經(jīng)640℃燒結后的XRD圖譜,其中3#陶瓷結合劑在該溫度下的XRD圖譜與2#陶瓷結合劑的XRD圖譜相同,僅峰強度略有差異。從圖4可以看出,1#陶瓷結合劑為非晶態(tài)的玻璃相,2#陶瓷結合劑有明顯的峰出現(xiàn),與標準圖譜對比發(fā)現(xiàn),結合劑中的新晶相為鋰霞石,其中鋰霞石在2#陶瓷結合劑金剛石磨具中分布如圖5所示。用全自動高溫熱膨脹儀測得1#、2#和3#三種陶瓷結合劑試樣(Φ50×10(mm)的圓柱)在25~500℃之間的平均熱膨脹系數(shù),分別為6.61×10-6/℃、4.87×10-6/℃和5.37×10-6/℃。這是由于添加堿土金屬氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2,可適當降低陶瓷結合劑的熱膨脹系數(shù),使陶瓷結合劑與金剛石更有利的結合;又因鋰霞石具有極低甚至負的熱膨脹系數(shù),以及較好的耐磨性等特點,能夠提高結合劑的強度,擴大燒結溫度范圍等,即鋰霞石的形成可以進一步改善陶瓷結合劑的綜合性能。3.4最佳燒結溫度和時間用1#、2#和3#三種陶瓷結合劑按表2配方,經(jīng)不同溫度燒結,保溫2h后,制得金剛石磨具。其中用1#陶瓷結合劑制備的金剛石磨具,最佳燒結溫度為810℃,抗折強度和洛氏硬度分別為35.26MPa和39;用2#陶瓷結合劑制備的金剛石磨具,最佳燒結溫度為770℃,抗折強度和洛氏硬度為48.67MPa和51;用3#陶瓷結合劑制備的金剛石磨具,最佳燒結溫度為750℃,抗折強度和洛氏硬度為59.34MPa和60。由此說明添加適量的堿土和稀土添加物所制備的3#陶瓷結合劑金剛石磨具性能較好。4在陶瓷結合劑中的應用(1)增大陶瓷結合劑的堿用量,可以明顯提高陶瓷結合劑的力學性能,提高幅度可達50%以上,同時也可顯著降低陶瓷結合劑的熔融溫度和熱膨脹系數(shù);(2)引入堿土和稀土添加劑的陶瓷結合