1 前言
由于陶瓷結合劑具有熱穩定性較好,脆性、剛性較高和氣孔率可控等優點,使得陶瓷結合劑CBN砂輪具備了強度較高、自銳性好、易于修整、容屑能力強等優勢,因此廣泛應用于汽車、航天、航空及精密切削工具制造等行業。陶瓷結合劑砂輪的強度主要取決于陶瓷結合劑本身的強度和結合劑與磨粒間的結合強度。結合劑的組成是影響陶結合劑強度和結合劑與磨粒界面結合強度的重要因素。
在陶瓷結合劑砂輪的制備過程中,堿金屬氧化物往往作為催熔劑引入結合劑中,從而有效地降低結合劑的耐火度,增大結合劑的高溫流動性。由于過度添加堿金屬氧化物會增大結合劑的熱膨脹系數,降低磨具結合劑的強度,因此堿金屬氧化物的添加量要控制在較低的范圍內。
本實驗選取Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結合劑作為基礎結合劑,研究了添加Li2O對基礎結合劑的耐火度、流動性、磨具的抗折強度,以及結合劑與磨粒界面結合情況的影響,從而為制備低溫高強陶瓷結合劑時Li2O的適宜含量確定及燒結工藝的優化提供試驗參考依據。
2 實驗
實驗采用化學純的二氧化硅、無水碳酸鈉、硼酸和氧化鋁為原料，經精確稱量、均勻混合后，在高溫熔塊爐中加熱至1250℃，保溫2小時，使其熔融后冷卻形成玻璃。將玻璃粉碎、過篩，得到粉末狀基礎結合劑。
通過添加Li2CO3向基礎結合劑中引入2 -10w%氧化鋁。參照磨料磨具行業常用方法測定不同氧化鋁含量結合劑的耐火度和流動性。結合劑、白剛玉、臨時粘結劑以20：75：5的比例配制成型料，干壓成型為30*6*4mm3的磨具試條。將磨具試條在不同的溫度下燒成后用三點彎曲法測定抗壓強度，壓頭加載速率為0．5mm/min。用環境掃描電鏡觀察試條折斷后的斷面形貌及磨料與結合劑的結合狀態。
3 結果與討論
3.1 添加氧化鋁對結合劑的耐火度及流動性的影響
不同氧化鋁含量結合劑的耐火度如圖l所示。從圖1中可以看出，隨著氧化鋁的含量增加，結合劑的耐火度比未添加時顯著降低；添加氧化鋁在0-6w%范圍內結合劑的耐火度變化劇烈，之后耐火度變化趨于平緩。這主要是因為氧化鋁作為網絡改變體，使玻璃網絡中的Si-O鍵斷裂，玻璃網絡的結構緊密度下降，所以玻璃的軟化溫度和結合劑的耐火度相應降低。
不同氧化鋁含量結合劑的流動性如圖2所示。由圖2可以看出，結合劑的流動性隨著氧化鋁含量的增加而增大，相同組分的流動性隨著溫度的升高而增大。添加氧化鋁使結合劑的耐火度降低，使結合劑熔融，出現液相，粘度降低。從而使結和劑的流動性提高：相同組成的結合劑，隨著溫度升高，其高溫粘度降低，所以其流動性進一步增大。
3.2 添加氧化鋁對結合劑強度的影響
圖3是不同氧化鋁含量結合劑所制磨具試條在830℃保溫2h條件下燒成后的抗彎強度。從圖中可以看出，試條的強度先增大后減小，當氧化鋁含量為6w%時強度出現最大值。這可能是因為隨著氧化鋁含量的增大，結合劑的耐火度顯著降低，結合劑在燒成溫度下的流動性逐漸改善，從而有利于結合劑在磨料周圍均勻分布，改善了結合劑與磨料的結合，提高了磨具試條的強度。
但是，在氧化鋁含量超過一定值之后，作為網絡改變體的氧化鋁，其對網絡的破壞作用增強，會使結合劑強度變低。另一方面，較多的氧化鋁使結合劑耐火度過低，流動性過大，容易導致磨具過燒而結構疏松，從而使磨具試條的強度降低。
3.3 添加氧化鋁對磨具顯微結構的影響
不同氧化鋁添加量磨具式樣的顯微結構如圖4所示。
從圖4可以看出，添加2w%氧化鋁時，結合劑橋中存在少量氣孔，結合劑未充分玻化；隨著Li20含量的增大，結合劑玻化程度逐漸改善，結合劑橋中的氣孔數量減少、氣孔尺寸減小；添加6w%氧化鋁，結合劑玻化程度最好，結合劑橋玻化程度最好，結合劑橋較粗且與磨粒形成較好的結合界面。這與磨具強度開始隨著Li20
含量的增大而增大，至6%氧化鋁時磨具試條的強度最大的情況相一致。從該圖中還可以看出，在氧化鋁含量超過6w%后，磨具顯微結構狀態又變差，結合劑橋中的孔洞增加，致密度變差，從與其強度降低的趨勢一致。這種結構可能是由氧化鋁添加量較大、結合劑耐火度較低、流動太大引起磨具過燒而造成的。
4 結論
(l） 隨著氧化鋁添加量的增大，結合劑的耐火度顯著降低。在0-6w%氧化鋁添加量范圍內，結合劑的耐火度下降較快，之后耐火度變化趨于平緩。
(2） 隨著氧化鋁添力量的增加，結合劑的高溫流動性增大。隨著溫度升高，相同組成結合劑的流動性明顯增大。
(3） 當氧化鋁添加量低于6w%時，隨著氧化鋁含量增大，結合劑玻化程度逐漸改善，結合劑與磨粒結合緊密，磨具試條的強度增大；氧化鋁含量高于6w%的組分，會因其顯微結構的破壞和結合劑本身結構的變化，使磨具強度降低。
