添加剂对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能的影响

第32卷第1期

2013年1月硅酸盐通报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol．32No．1January，2013

添加剂对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能的影响

李11，21青，尹育航，薛群虎

（1．西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安710055；2．广东奔朗新材料股份有限公司，佛山528313）

Al2O3-B2O3-SiO2系为基础陶瓷结合剂（编号1#），摘要：本文采用三元碱R2O-添加适量的碱土金属氧化物MgO、

#ZnO和氟化物CaF2（编号2#）以及在此基础上外加适量的稀土金属氧化物CeO2（编号3#），2#和3#三种制备出1、

2#陶瓷结合剂试样抗折强度达到陶瓷结合剂，研究添加剂对陶瓷结合剂性能的影响。结果表明：在640℃下烧结，

##87．69MPa，较1陶瓷结合剂试样提高了50．7%，熔融温度从840℃降到770℃；而3陶瓷结合剂试样在该烧结温

##度下抗折强度达到92．05MPa，较1陶瓷结合剂试样提高了53．1%，熔融温度降到730℃，高温润湿性良好；2陶瓷

其热膨胀系数都明显低于1陶瓷结合剂。将此三种陶瓷结合剂在结合剂和3陶瓷结合剂都有新晶相锂霞石生成，

其中用3陶瓷结合剂制备的金刚石磨具抗折强度和洛氏硬度明显高于另外相同的工艺条件下制备成金刚石磨具，

两种陶瓷结合剂，分别达到59．34MPa和60。

关键词：金刚石磨具；陶瓷结合剂；碱土金属化合物；稀土氧化物CeO2

中图分类号：TB321文献标识码：A1625（2013）01-0113-04文章编号：1001-###

EffectofAdditivesonPropertiesofVitrifiedBond

UsedinDiamondAbrasiveTools

2LIQing1，YINYu-hang1，，XUEQun-hu1

（1．SchoolofMaterialsScienceandTechnology，Xi＇anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi＇an710055，China；

2．Monte-biancoDiamondApplicationsCo．Ltd，Foshan528313，China）

Abstract：Thispaperstudiedeffectofadditivesonpropertiesofvitrifiedbondusedindiamondabrasive

Al2O3-B2O3-SiO2tools．Threevitrifiedbondsweremade，namelybondNo．1byusingtribasicbaseR2O-

asbasicvitrifiedbond，bondNo．2byaddingappropriatealkalimetaloxideMgO，ZnOandfluorideCaF2inthebondNo．1，andbondNo．3byaddingappropriaterare-earthmetaloxideCeO2inthebondNo．2．TheexperimentalresultsshowedthatthebendingstrengthofthebondNo．2andNo．3，sinteredat640℃，reachedto87．69MPaand92．05MParespectively，or50．7%and53．1%higherthanthatofthebondNo．1．ThemeltingtemperaturesforthebondNo．2andNo．3werereducedto770℃and730℃respectivelyfrom840℃ofthebondNo．1．Thenewcrystallinephase，eucryptite，werefoundinboththebondNo．2andNo．3whichresultedinlowerthermalexpansioncoefficientsforthetwobonds．Inaddition，thebondNo．3hadgotbetterwettablilityfordiamondatsinteringtemperature．Thesamplesofdiamondabrasivetoolswerepreparedwiththeabovementionedbondsrespectivelyinthesameconditionsandsomeexperimentaldatawerediscussed．ThebendingstrengthandrockwellhardnessofdiamondabrasivetoolsmadeofNo．3vitrifiedbondwassignificantlyhigherthantheothervitrifiedbonds，respectivelyreached59．34MPaand60．

基金项目：国家重点学科培育学科资助项目

作者简介：李），mail：liqingyw@126．com青（1985-女，硕士研究生．主要从事超硬材料结构与性能研究．E-

114试验与技术硅酸盐通报第32卷

Keywords：diamondabrasivetools；vitrifiedbond；alkaliearthcompounds；rare-earthmetaloxideCeO2

1引言

陶瓷结合金刚石磨具因具有磨削能力强，磨具形状保持性好，磨具中有较多的气孔，磨削时不易堵塞，不

［1］

易烧伤工件，磨具有较好的自锐性等一系列优良性能，而日益受到人们的青睐。陶瓷结合剂的性能是影响陶瓷结合金刚石磨具使用的关键因素。本文主要研究添加剂对基础陶瓷结合剂性能的影响。

2

2．1

实验

实验方案

Al2O3-B2O3-SiO2系为基础陶瓷结合剂（编号1#），ZnO和氟实验以三元碱R2O-将碱土金属氧化物MgO、

#

化物CaF2添加到陶瓷结合剂中（编号2），研究其对陶瓷结合剂性能的影响；在引入碱土金属化合物的基础

再添加稀土氧化物CeO2（编号3），进一步研究其性能变化。不同陶瓷结合剂配方见表1。其中实验原上，

ZnO、CaF2、CeO2以化学纯试剂的方式引入，99%、99．5%、99．95%。其纯度分别为98%、料MgO、

表1

Tab．1

Samples13

#

#

不同陶瓷结合剂配方

/wt%

CaF2-22

CeO2--3．5

MgO-1．51．5

ZnO-33

Formulaofdifferentvitrifiedbonds

R2O-Al2O3-B2O3-SiO2

100100100

2#

#

2．2陶瓷结合剂试样制备

按陶瓷结合剂配方准确称量各种原料，并将其混匀后装入刚玉坩埚，再将坩埚置于1600℃高温炉中熔

200融，将充分熔融后的玻璃液进行水淬、烘干、粉碎、湿磨、抽滤、烘干、过筛，使陶瓷结合剂细粉粒度达到-目。按重量比加入3%糊精，以2MPa压强，预压成30mm×7．5mm×7．3mm试样，再通过高温炉进行烧

结，制得陶瓷结合剂试样。2．3

陶瓷结合剂金刚石磨具制备

按表2配比将各种原料混合均匀，通过液压机，以3MPa压强，保压时间30s，压制成30mm×7．5mm×

18mm试样，再通过高温炉按烧结曲线进行烧结，制得陶瓷结合剂金刚石磨具试样。

表2

Tab．2

Hardness

P

Density125%

SiCgrit200mesh（35）

陶瓷结合剂金刚石砂轮配方

/wt%

Dextrinpowder

0．8

Diamondgrit230/270（65）

Bond23

PVA4

Formulaofvitrifiedbonddiamondabrasivetools

2．4试样性能检测

使用影像式烧结点试验仪测试其熔融变化过程，观察试样随温度变化的趋势和在熔融状态对金刚石的

2400型X光粉末衍射仪分析矿物组成；RPZ-03P润湿情况；电子式万能试验机测试试样抗折强度；D/MAX-型全自动高温热膨胀仪测定样品的热膨胀系数；Quanta200型扫描电镜对陶瓷结合剂试样的微观结构进行分

150A型洛氏硬度计测量试样的洛氏硬度。析；HR-

3

3．1

实验结果与分析

陶瓷结合剂熔融温度与润湿性#

2#和3#三种陶瓷结合剂粉压制成6mm×8mm圆柱体试样，将1、置于金刚石垫片上，在影像式烧结

点试验仪中测定陶瓷结合剂的完全烧结温度、熔融温度和流动温度，结果见表3。

第1期李青等：添加剂对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能的影响

表3

Tab．3

不同陶瓷结合剂的烧结范围

Meltingtemperature/℃

840770730

Fluiditytemperature/℃

950830790

115

Sinteringrangeofdifferentvitrifiedbonds

690630610

Samples13

#

Fullsinteringtemperature/℃

2#

#

ZnO和氟化物CaF2，由表3可以看出，添加碱土金属氧化物MgO、增大了陶瓷结合剂的碱用量，起到很

［2］

好的助熔作用，可进一步促进液相产生，大幅度地降低陶瓷结合剂的熔融温度。

#

3#陶瓷结合剂与金刚石之图1为3陶瓷结合剂在流动温度下，与金刚石的润湿情况。由图1可以看出，

ZnO和氟化物CaF2能改善间润湿角≤30°，即3陶瓷结合剂高温润湿良好，这是由于碱土金属氧化物MgO、

对金刚石的润湿性，稀土氧化物CeO2因稀土元素具有良好的表面活性，从而进一步改善陶瓷结合剂的高温润湿

。

#

图1Fig．1

3#陶瓷结合剂在流动温度下的润湿性

图2不同陶瓷结合剂试样在不同烧结温度下的抗折强度Fig．2

Bendingstrengthofvitrifiedbondsamplesatdifferentsinteringtemperature

WettabilityofthebondNo．3atfluidity

temperature

烧结温度对陶瓷结合剂抗折强度的影响

图2为陶瓷结合剂经不同温度烧结，保温1h后的抗折强度。由图2可以看出，三种陶瓷结合剂经

#640℃烧结后，抗折强度都达到最大值，其中1陶瓷结

3．2

2#陶瓷结合剂为87．96合剂抗折强度为43．21MPa，MPa，3#陶瓷结合剂为92．05MPa，烧结温度再继续升

#

2#、3#高，试样变形，其抗折强度反而降低。图3为1、

三种陶瓷结合剂经640℃烧结的断口形貌，从图3可以看出这三种陶瓷结合剂微观结构差异很明显。这是

图3不同陶瓷结合剂试样在640℃烧结的断口形貌

Fracturesurfacemorphologiesofdifferentvitrifiedbondssinteredat640℃

Fig．3

因为陶瓷结合剂中含有适量的碱土金属氧化物MgO、ZnO，BO3］和铝氧八面体［AlO6］分促使硼氧三角体［

［3］

SiO4］BO4］AlO4］，别转变为与硅氧四面体［相似的三度空间架状结构的硼氧四面体［和铝氧四面体［从而

使玻璃相的强度得到提高，通过颗粒之间的毛提高玻璃网络强度；稀土氧化物CeO2可以进入晶界玻璃相，

细管作用，促使颗粒间的物质向孔隙处填充，使材料孔隙率降低、致密度提高3．3

XRD分析和热膨胀性

##

2#陶瓷结合剂试样经640℃烧结后的XRD图谱，图4为1、其中3陶瓷结合剂在该温度下的XRD图#

#［4］

。

1陶瓷结合剂为非晶态的玻璃谱与2陶瓷结合剂的XRD图谱相同，仅峰强度略有差异。从图4可以看出，2陶瓷结合剂有明显的峰出现，相，与标准图谱对比发现，结合剂中的新晶相为锂霞石，其中锂霞石在2陶瓷

#

2#和3#三种陶瓷结合剂试样（Φ50×结合剂金刚石磨具中分布如图5所示。用全自动高温热膨胀仪测得1、

#

#

116试验与技术硅酸盐通报第32

卷

图4

Fig．4不同陶瓷结合剂在640℃烧结的XRD图谱XRDpatternsofdifferentvitrifiedbondssinteredat640℃

10（mm）的圆柱）在25～500℃之间的平均热膨胀系

－64．87×10－6/℃和5．37×数，分别为6．61×10/℃、

10－6/℃。这是由于添加碱土金属氧化物MgO、ZnO和

氟化物CaF2，可适当降低陶瓷结合剂的热膨胀系数，

使陶瓷结合剂与金刚石更有利的结合；又因锂霞石具

有极低甚至负的热膨胀系数，以及较好的耐磨性等特

能够提高结合剂的强度，扩大烧结温度范围点，

等，即锂霞石的形成可以进一步改善陶瓷结合剂

的综合性能。［5，6］图5锂霞石在2陶瓷结合剂金刚石磨具中的分布Fig．5Thedistributionofeucryptitesinthe

samplebythebondNo．2#

3．4不同陶瓷结合剂对金刚石磨具性能的影响

##2#和3#三种陶瓷结合剂按表2配方，用1、经不同温度烧结，保温2h后，制得金刚石磨具。其中用1陶

#瓷结合剂制备的金刚石磨具，最佳烧结温度为810℃，抗折强度和洛氏硬度分别为35．26MPa和39；用2陶

#瓷结合剂制备的金刚石磨具，最佳烧结温度为770℃，抗折强度和洛氏硬度为48．67MPa和51；用3陶瓷结

合剂制备的金刚石磨具，最佳烧结温度为750℃，抗折强度和洛氏硬度为59．34MPa和60。由此说明添加适量的碱土和稀土添加物所制备的3陶瓷结合剂金刚石磨具性能较好。#

4结论

（1）增大陶瓷结合剂的碱用量，可以明显提高陶瓷结合剂的力学性能，提高幅度可达50%以上，同时也可显著降低陶瓷结合剂的熔融温度和热膨胀系数；

（2）引入碱土和稀土添加剂的陶瓷结合剂高温润湿性良好，可与金刚石磨料很好地结合，提高了结合剂对金刚石的把持力；

（4）金刚石磨具采用同时添加碱土和稀土添加剂的陶瓷结合剂，其抗折强度和洛氏硬度明显高于分别

Al2O3-B2O3-SiO2和引入碱土金属这两种结合剂所制备的金刚石磨具。使用R2O-

参

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［2］宋鹏涛，J］．硅酸盐通报，2009，28（6）：1134-1137．薛群虎，陈延伟．添加剂对CBN高速磨削工具用陶瓷结合剂熔融温度的影响［

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［4］栗正新．La2O3、CeO2、Y2O3对陶瓷磨具结合剂性能影响的研究［J］．金刚石与磨料磨具工程，2007（4）：51-54

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