陶瓷结合剂cBN砂轮研究进展

第21卷第2期 超　硬　材　料　工　程V o l .212009年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N GA p r .2009陶瓷结合剂cBN 砂轮研究进展①蒋燕麟,罗建平(国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林　541004)摘　要:文章综述了近年来国内陶瓷结合剂c BN 砂轮的研究进展,对陶瓷结合剂、砂轮配方、磨削工艺等研究状况作了介绍和分析,并对这几个方面的前景作了展望。

关键词:陶瓷结合剂;c BN ;砂轮配方;综述;磨削工艺中图分类号:TQ 164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)02-0052-04Research progress of v itr if ied bond cBN gr i nd i ng wheelJ I AN G Yan 2lin ,LUO J ian 2p ing(N ational S p ecial M ineral M aterials E ng ineering R esearch Center ,Gu ilin ,Guang x i 541004,Ch ina )Abstract :R ecen t research p rogress on vitrified bond c BN grinding w heel in Ch ina is re 2view ed in th is p ap er .It has also in troduced and analyzed the research situati on of vitrified bond ,grinding w heel p rescri p ti on ,grinding p rocess w ith their developm en t p ro spect be 2ing view ed too .Keywords :vitrified bond ;c BN ;grinding w heel p rescri p ti on ;review ;grinding p rocess0　前言立方氮化硼(c BN )和金刚石磨料作为超硬材料,以其优异的性能在磨削、切削领域得到广泛的应用。

而立方氮化硼(c BN )磨料和金刚石比较,其良好的导热性和耐热性以及对铁族金属的化学惰性,使其应用领域得到大大的拓展。

在立方氮化硼(c BN )的各种超硬制品中,陶瓷结合剂c BN 砂轮不仅具有切削锋利、磨削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高等优点[1],而且还具有磨削时工件温度低,能消除残余拉应力而产生残余压应力,使工件耐用度得到提高的特点[2、3]。

因而受到世界广泛关注,成为世界上磨削工具产品研究开发的热点。

从目前的研究状况来看,陶瓷结合剂c BN 砂轮的研究主要集中在以下几个方面。

1　陶瓷结合剂的研究从微观结构来看,陶瓷结合剂c BN 砂轮主要由c BN 磨料、辅助磨料(也称为填充料)、陶瓷结合剂、气孔等构成。

磨粒间依靠陶瓷结合剂作为桥梁而连接,同时也依靠陶瓷结合剂的包镶作用来保证磨粒在磨削过程中不会轻易的脱落而丧失磨削能力。

目前,国内的陶瓷结合剂c BN 砂轮与国外相比,在使用性能上还存在较大差距,其中一个主要原因在于结合剂的选择和制备工艺。

因此,在陶瓷结合剂c BN 砂轮的制备中,陶瓷结合剂的研究对于砂轮的性能具有重要的意义。

超硬材料陶瓷磨具对结合剂的性能要求主要有以下几个方面:①较低的耐火度和烧成温度,为了避免磨料在烧结时产生氧化而降低其性能;②较高的强25①收稿日期:2008-06-28作者简介:蒋燕麟(1974-),男,工程师,主要从事超硬材料制品方面的研究和开发。

度,目前国内外的磨削加工一直在向高速高效磨削方向发展,这就要求砂轮具有足够的强度,而这主要依靠结合剂的强度来保证;③热膨胀系数和磨粒匹配,为了使磨料和结合剂在制造过程中受热作用时的变化较为一致,从而保证磨料等组成和结合剂之间获得较牢固的结合,而不出现裂纹;④高温润湿性好,高温润湿性的好坏,直接影响结合剂和磨粒的结合状况,同时也影响着对磨粒的把持强度;⑤与磨料间无明显的化学反应,为了避免化学反应对磨粒表面的结构和性能的破坏,要求结合剂与磨粒间不存在明显的化学反应;⑥较好的导热性,结合剂具有良好的导热性,可以提高砂轮整体的导热性,从而在磨削时可以将磨削热较快地转移,避免工件的烧伤;⑦具有良好的工艺性能,良好的工艺性能包括良好的成型性能,较高的干、湿坯强度,较小的收缩率,较好的高温稳定性,较宽的烧结温度,不易出现变形、开裂、发泡等现象。

从国内目前的情况来看,结合剂的研究主要集中在结合剂配方组成及其结构和性能之间的关系研究方面。

研究的方向主要在以下几个方面:(1)寻求较低的耐火度和烧结温度为了使结合剂具有较低的耐火度和烧结温度,通常在配方组成中含有碱金属氧化物和碱土金属氧化物。

按照查哈尼阿森提出的玻璃无规则网络学说,参与玻璃结构的全部阳离子可以分为三类:①网络形成体,如Si、B、P、Ge、A s、B e(B eF2)等,配位数多为3或4;②网络外体,如碱金属、碱土金属元素,配位数多为6以上;③网络中间体,如A l、M g、Zn、Pb等,配位数多为4～6。

其中网络形成体是玻璃形成所必须的成分,而网络外体和网络中间体则起着改变玻璃性能的作用。

碱金属氧化物和碱土金属氧化物的加入,用以断开玻璃体的网络,使玻璃的结构更为松散,从而使其内部的原子较容易迁移,也就是使得玻璃在较低温度下就可以软化流动,具有较低的耐火度和烧结温度。

常用的碱金属氧化物有L i2O、N a2O、K2O,碱土金属氧化物有B eO、CaO、B aO。

马文闵、万隆等[5]研究了L i2O对c BN陶瓷结合剂耐火度的影响,认为结合剂的耐火度随L i2O含量的增加而降低,而在碱金属总量不变的情况下,结合剂的耐火度随L i2O含量的增加反而有所上升。

陈日明、刘小磐[6]研究了N a2O含量对陶瓷结合剂耐火度的影响,认为结合剂的耐火度随N a2O含量的增加而降低。

王鹏飞、李志宏等[7]研究了L i2O和K2O两种碱金属氧化物对N a2O-B2O2-A l2O2-Si O2基础陶瓷结合剂性能的影响。

结果表明:添加L i2O、K2O后,结合剂的玻璃转化温度和耐火度降低,结合剂的高温流动性和玻化程度得到显著改善,如图1所示。

图1　含L i2O、K2O的结合剂的耐火度F ig.1　R efracto riness of bonds bearing L i2O and K2O为了进一步寻求较好的低温性能,栗正新[8]研究了稀土氧化物L a2O2、CeO2、Y2O2对陶瓷结合剂耐火度的影响。

利用稀土元素具有良好的表面活性,对陶瓷材料表面有润湿性能,从而降低陶瓷材料的熔点。

其研究结果显示,Y2O2的含量从0%、2.5%到4.5%变化时,CeO2的含量从0%、1.5%到3.5%变化时对结合剂的耐火度影响不大。

L a2O2的含量从0%、0175%到2.5%变化时结合剂的耐火度变化较大,对耐火度有明显的降低作用,但L a2O2含量大于0.75%时结合剂的耐火度不再发生变化。

(2)寻求较高的强度随着磨削技术向着高效、高速、高精方向发展,寻求具有较高强度的结合剂成为重要的目标。

为了提高结合剂的强度,可以通过调整其组成来改变其力学性能。

马文闵、万隆等[5]研究了L i2O对c BN陶瓷结合剂抗折强度的影响,结果显示,当结合剂中碱金属氧化物含量较低时,结合剂的抗折强度随L i2O含量的增高而提高,当R2O (B2O2+A l2O2)的摩尔比为1.03时强度达到最高。

陈日明、刘小磐[6]研究了N a2O含量对陶瓷结合剂抗折强度的影响,结果表明,当结合剂中N a2O 含量较低时,结合剂的抗折强度随N a2O含量的增高而提高,当N a2O (B2O2+A l2O2)的摩尔比为1时,强度达到最高值(72M Pa)。

张红霞、张小福等[9]研究了L i2O -A l2O2-Si O2微晶玻璃,通过在一定温度下的热处理,使玻璃基体内析出大量微小晶体,从而可以大大提高结合剂的强度。

目前,国内利用自制的结合剂制成的陶瓷结合剂c BN砂轮最高线速度可达165m s。

大大提高了我国陶瓷结合剂c BN砂轮的水平。

2　砂轮配方的研究砂轮配方内容包括磨料类型、粒度、浓度,辅助磨料类型、粒度,结合剂含量,粘结剂含量,造孔剂含量,成型密度,成型压强等。

砂轮配方的好坏,会直接影响砂轮的性能,同时也会影响制备砂轮的各道工序,即砂轮的制造工艺性能。

根据砂轮的用途和档次,可以进行配方的调整。

目前国内的陶瓷结合剂c BN砂轮配方研究仍采用传统砂轮的方法。

通过回归分析法,建立回归方程,分别对结合剂、粘结剂、成型密度、造孔剂等因素对砂轮各项性能的影响进行研究,从而建立起系列的配方,用以指导砂轮的制造。

3　磨削工艺的研究陶瓷结合剂c BN砂轮在国外已得到普遍的应用,在国内还处于不断的发展之中。

由于c BN磨料昂贵,使得陶瓷结合剂c BN砂轮的成本居高不下,这给其在国内的应用造成很大的障碍。

如何充分利用超硬磨料,不只和砂轮的配方有关,还和砂轮的磨削工艺有关。

近年来,国内在陶瓷结合剂c BN砂轮的磨削工艺的研究方面进行了有益的探索,并取得一定的效果。

陈涛等[10]采用国产的陶瓷结合剂c BN砂轮对热处理硬度为HRC50的45#钢进行了磨削工艺试验,分析了砂轮线速度、切削深度、工件速度等工艺参数对磨削力、工件表面粗糙度、比金属切除率的影响。

揭示了在高速磨削中,磨削力随砂轮线速度提高而减小,随切削深度、工件速度加大而加大,以及表面粗糙度随砂轮线速度提高而下降,随切削深度加大而增加的变化规律。

罗宁、黄红武等[11]采用国产陶瓷结合剂c BN砂轮对45钢、2C r13、T10钢三种材料进行了磨削试验,测试了不同砂轮线速度、进给量、工件速度等因素对工件表面粗糙度的影响。

罗伟文、李尚平等[12]采用国产陶瓷结合剂c BN砂轮对45#淬硬钢进行了磨削试验,系统分析了磨削参数对c BN砂轮磨损的影响,获得了能够进行高速高效磨削的合理磨削参数。

其磨削试验的条件如表1所示,图2、图3为其试验结果。

表1　砂轮线速度与砂轮径向磨损的关系T able1　R elati onsh i p betw een grinding speed and radial abrasi on of grinding w heel 磨削方法定进给量切入外圆磨削M S1320高速外圆磨床砂轮线速度v s(m・s-1)工件转速n w(r・m in-1)砂轮进给速度vΘ(Λm・s-1)35,50,6010010,20,25,30,35,40,45磨削液100%煤油 供液流量:100(L m in)工件45淬硬钢(50～55HR G)外径(mm)厚度(mm)内径(mm)51208540陶瓷CBN砂轮磨料粒度砂轮浓度砂轮硬度尺寸规格(mm)外径×宽度×内径80 100125%P5400×10×5127砂轮修整用量砂轮修整线速度(m・s-1)工作台速度d s(m・m in-1)工作台每单程进给量d s(mm)35,500.30.005～0.010图2　砂轮线速度与砂轮径向磨损的关系F ig.2　R elati onsh i p betw een grinding speedand radial abrasi on of grinding wheel 图3　砂轮进给速度与砂轮径向磨损的关系F ig.3　R elati onsh i p betw een feeding speedand radial abrasi on of grinding w heel4　展望随着国内对陶瓷结合剂c BN砂轮的深入研究,该品种将在以下几个方面取得长足进展:(1)陶瓷结合剂的体系和性能将得到进一步的扩展和提高;(2)砂轮配方将可以依据加工对象,加工要求等进行灵活的调整;(3)磨削工艺的深入研究,可以建立翔实的数据库,为各种磨削加工提供有益的参考;(4)随着陶瓷结合剂c BN砂轮性能的不断提高,将极大的促进其在各领域的应用,从而提高我国的制造工业水平。