金刚石、陶瓷结合剂界面结合对金刚石把持力的影响①

李旭燕,栗正新

(河南工业大学材料学院,河南郑州450001)

金刚石、陶瓷结合剂界面结合对金刚石把持力的影响①

李旭燕,栗正新

(河南工业大学材料学院,河南郑州450001)

陶瓷结合剂对金刚石的把持力是陶瓷结合剂金刚石磨具质量的关键。文章对金刚石、陶瓷结合剂界面结合的影响因素,以及界面结合对把持力的影响进行分析。

金刚石;陶瓷结合剂;界面结合;把持力

1 引言

把持力是指金刚石工具中的结合剂阻止金刚石脱落的能力,包括结合剂对金刚石磨粒的物理附着力、机械镶嵌力和化学作用力。决定金刚石制品质量的关键,在于是否具备合适的把持力,因此对金刚石工具把持力的研究是非常重要的。

一般情况下,把持力的影响因素包括:结合剂中的添加剂成分与含量、结合剂致密度;金刚石表面状态、金刚石粒度及金刚石的浓度;金刚石与陶瓷结合剂的界面结合情况。要保证结合剂对金刚石有足够的把持力,以确保金刚石工具在使用过程中金刚石不容易脱落,才能充分发挥金刚石的切削作用。但是把持力是一个相对的参数,并不是越大越好,在金刚石工具中,希望使用时把持力足够大,以保证能够使结合剂与金刚石实现同步磨损,这样金刚石工具既具有良好的自锐性,保证金刚石工具足够锋利,又能保证工具有较长的使用寿命,实现较高的性价比。

金刚石、陶瓷结合剂的性能共同影响陶瓷结合剂与金刚石的界面结合,它们的界面结合情况直接影响陶瓷结合剂对金刚石的把持力。因此,本文将分别分析金刚石、陶瓷结合剂对界面结合的影响,进而介绍分析界面结合对把持力影响的检测方法。

2 陶瓷结合剂、金刚石对界面结合的影响

2.1 陶瓷结合剂

2.1.1 陶瓷结合剂应具备的性能

陶瓷结合剂的主要性能包括耐火度、高温润湿性、流动性、热膨胀性和机械强度等。根据金刚石的性能,陶瓷结合剂应具有的性能要求如下:

(1)耐火度

陶瓷结合剂抵抗高温作用而不熔融的性质称为陶瓷结合剂的耐火性,耐火性用耐火度表示,耐火度是指陶瓷结合剂在高温下软化时的温度。[1]耐火度是陶瓷结合剂的主要性能之一,磨具的烧成温度与陶瓷结合剂的耐火度有着密切的关系,一般而言,磨具的烧成温度要比陶瓷结合剂耐火度高80℃左右。在同样的烧成温度下,陶瓷结合剂的耐火度越高,结合剂的玻化程度越小、流动性越小,结合剂对磨料的结合性就不牢固,从而磨具的强度和硬度就会减小;反之,如果耐火度较低,烧成时结合剂中液相量增多,流动性增大,磨具的硬度增加,但是,如果耐火度过低,磨具容易发泡变形,因此,结合剂的耐火度一般作为磨具烧成温度制定的主要依据。[1]

影响耐火度的主要因素有:陶瓷结合剂的化学组成、均匀程度,烧成时的升温速率等[2]。

由于金刚石的高温稳定性较差,金刚石磨具的烧成温度较低。所以要求结合剂的耐火度低,以满足金刚石低温烧成的要求。

(2)高温润湿性

陶瓷结合剂的高温润湿性是指高温状态下结合剂熔体对磨料的润湿能力[]。对于陶瓷结合剂的高温润湿性,通常用结合剂熔体对磨料的润湿角θ的大小来进行表征。一般采用高温显微镜对陶瓷结合剂的高温润湿性进行测定。

若结合剂对磨料的高温润湿性很差,熔体很难流铺到磨粒的表面,这样结合剂就不能将磨粒包裹住,就不能形成良好的粘结,从而会导致磨具强度较低,磨粒容易脱落。因此,希望结合剂对磨粒应有较好的润湿性,有利于提高结合剂对金刚石的粘结强度。

(3)流动性

结合剂的流动性定义为结合剂高温熔体黏度的倒数。[]即:

式中:φ是指结合剂的流动性

η是指结合剂的高温熔体黏度

若结合剂流动性过低,则结合剂黏度大,不易流动,不易均匀地分布于磨粒之间,因而会影响结合剂和磨粒之间的结合状况,不能保证磨具应有的机械强度;相反,若结合剂流动性过大,则结合剂黏度过低,很容易从磨粒间流出并造成制品变形。因此陶瓷结合剂必须有良好的流动性,才能保证其与金刚石之间有良好的结核状况,并保证磨具有良好的机械性能。

(4)热膨胀性

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。[]结合剂的热膨胀系数与磨料的匹配性直接影响着磨具的强度、制造工艺和使用性能。若磨料的热膨胀系数小于结合剂的膨胀系数,则产品在冷却时,结合剂的体积收缩比磨料大,会导致结合剂桥产生张应力,削弱了结合剂桥的作用。相反,若磨料的热膨胀系数大于结合剂的热膨胀系数,当产品冷却时,磨料的体积收缩较大,磨料拉离结合剂桥,也会削弱结合剂桥的固结程度,磨削时磨粒容易脱落。因此,陶瓷结合剂与金刚石之间必须有相匹配的热膨胀系数,才能使结合剂与金刚石在烧成和磨具使用过程中有比较一致的伸缩,从而保证磨具内磨粒与结合剂之间的热应力降到最小,进而可提高陶瓷结合剂对金刚石磨粒的粘结强度,提高陶瓷结合剂对金刚石的把持力。

(5)机械强度

磨具的机械强度是指磨具制品抵抗外力作用而不被破坏的能力。磨具的机械强度主要取决于结合剂本身的强度、反应能力、结晶程度、显微结构以及与磨料热膨胀系数的匹配性等因素。为了保证磨具有较强的机械强度,需要陶瓷结合剂本身具有足够的强度,这样才能满足磨具高速回转时的强度要求,保证磨具有所需的机械强度。

(6)其它性能

除了上述性能外,还要求:1.结合剂本身应具有较高的韧性。才可以提高磨具磨削时的抗冲击能力,并提高磨具的形状保持性。但是由于陶瓷为脆性材料,所以这里的韧性高是相比较而言的。2结合剂与金刚石之间不应有明显的化学反应,否则会因为金刚石遭到侵蚀而造成金刚石的浪费,进而降低磨具的磨削能力。3.结合剂应有较好的导热性。只有磨具生产和使用过程中的散热性能好,才不会使磨具内产生较大温差。

2.1.2 陶瓷结合剂改性研究现状

陶瓷结合剂的性能研究一直是人们研究陶瓷结合剂金刚石磨具的重点之一,国内外在此方面成果很多。但是由于陶瓷结合剂的种类繁多,而且添加剂的种类也在不断地扩展之中,所以人们对陶瓷结合剂的研究与预期尚有一定差距。人们之前所做的研究分析可分为以下几类:

1.陶瓷结合剂成分对磨具性能的影响

金刚石磨具用陶瓷结合剂一般有两种类型,一类是由非玻璃料和玻璃料两部分构成,另一类是由纯玻璃料组成。非玻璃料一般为黏土,玻璃料则是低熔点、低膨胀、高强度玻璃。

张书森[3]通过研究Na2O-B2O3-SiO2、Li2OB2O4-SiO2、K2O-B2O3-SiO2三种体系的预熔玻璃料,结果表明Na2O-B2O3-SiO2预熔玻璃料具有较低的耐火度、较高的抗折强度、适宜的膨胀系数和润湿性,是性能优良的低温陶瓷结合剂基础玻璃料。

张小福等[4]研究发现改性Li2O-Al2O3-SiO2玻璃经过适当的热处理工艺,金刚石试样中将出现以Li2Al2Si3O10为主晶相的微晶体,试样的抗折强度比B2O3-Pb O-Zn O-SiO2低熔玻璃结合剂金刚石试样高;镀钛金刚石与微晶玻璃结合剂之间产生化学结合,抗折强度比不镀钛金刚石试条高;但是B2O3-Pb O-Zn O-SiO2玻璃结合剂金刚石磨具中的金刚石表面镀钛对试条抗折强度的提高没有影响。

周军林[5]根据金刚石磨料的高温热稳定性,研究分析了金刚石磨料对陶瓷结合剂的性能要求。选择Li2O-Zn O-SiO2系统玻璃(LZS玻璃)为研究对象,用Bi2O3-B2O3系统玻璃(BBS璃)对其进行改性和性能优化,并研制了新型微晶玻璃结合剂及其金刚石砂轮制品。

陈学伟[6]探讨了基础陶瓷结合剂的组成和混合添加剂分别对结合剂和磨具性能的影响,以及磨具的组织对磨具性能的影响,并对磨削测试结果进行了分析。

侯永改[7]设计了R2O-B2O3-SiO2系(RBS)、R2O-Al2O3-SiO2系(RAS)和R2O-Al2O3-B2O3-SiO2(RABS)三种玻璃结合剂,综合测试了三种结合剂的性能,优选出基础预熔玻璃料。

刘小磐[8]研究分析了陶瓷结合剂配方对结合剂性能的影响;采用溶胶-凝胶工艺在金刚石磨料表面涂覆一层致密的TiO2薄膜;优化了陶瓷结合剂金刚石砂轮的配方和制备工艺;将陶瓷结合剂金刚石砂轮应用于单晶硅材料的外圆磨削。

(2)陶瓷结合剂添加剂对磨具性能的影响

为了改善陶瓷结合剂的性能,需要加入适当的添加剂。添加剂的种类很多,人们研究最多的是金属、碱金属、碱土金属、碱土金属氧化物以及金属微粉。以下就是近些年来人们对陶瓷结合剂添加剂对陶瓷结合剂性能的影响的研究。

魏征、关岩等[9]研究加入不同量的α-Al2O3对陶瓷结合剂结合性能的影响,并通过测试不同温度、不同配比的陶瓷试条的抗折强度及晶相分析,深入探讨陶瓷结合剂的结合机理及α-Al2O3所起的作用,并找出规律。

王鹏飞[0]向Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2基础陶瓷结合剂中分别添加碱金属氧化物(Li2O、K2O)、碱土金属氧化物(Mg O、CaO、Sr O、BaO)、Zn O、TiO2、Bi2O3、CaF2等添加剂,研究添加剂对陶瓷结合剂性能的影响。

王鹏飞,李志宏,朱玉梅[1]研究了碱金属氧化物Li2O、K2O2对Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2基础结合剂性能的影响。

张小福[4]研究分析了B2O3、Na2O加入量对微晶玻璃结构和性能的影响,金刚石表面镀钛对其性能的影响。

侯永改等[2]分别研究了纳米氮化铝和烧结温度对金刚石磨具用低温陶瓷结合剂的结合强度和耐磨性的影响。

V.M.F.Marques,D.U.Tulyaganov,S.Agathopoulos等[3]通过钙长石与透辉石的不同比例及不同烧结温度、烧结粉末结晶的方法制得玻璃陶瓷。

王志起、万隆等[4-16]分别探讨了T i、Ni、铁族金属(Ni、Co、Fe)对R2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂及金刚石磨具性能的影响。

侯永改[7]采用纳米Al N3改性Na2O-B2O3-SiO2陶瓷结合剂磨具,研究分析了孔隙度对磨削PCD刀具用陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨削性能的影响。

2.2 金刚石

2.2.1 金刚石对界面结合的影响

与其他磨料相比,金刚石磨料表现出优异的性能,首先,由于金刚石强度大、硬度高,因此,磨粒耐用度高;其次,金刚石导热率高,故金刚石工具磨削温度低;再次,因为金刚石热膨胀系数小,所以金刚石工具使用寿命长。但由于金刚石在常温常压下为亚稳定态,耐热性不高,并存在一些表面缺陷,因此在加工过程中常会发生氧化失重或石墨化等反应从而降低加工效率。另外,由于金刚石磨粒与结合剂之间一般是机械力镶嵌,在强的磨削力的作用下金刚石磨粒极易脱落,进而使金刚石工具的使用寿命受到影响。因此如何提高金刚石的工具的加工效率和使用寿命,成为人们研究的重点。目前,通常采用对金刚石进行表面处理的方法来改善金刚石工具的加工特性,从而达到提高其加工效率和使用寿命的目的。

2.2.2 金刚石表面改性及研究现状

金刚石表面改性是利用表面处理技术在金刚石颗粒表面镀覆金属或金属氧化物,使其表面具有金属或类金属的性能。目前人们已经研究开发了许多种金刚石表面处理技术,对金刚石进行表面处理,如镀镍、镀钛、涂覆玉、镀氧化铝及复合镀Ni-W-P等;金刚石表面各类处理技术的主要目的是:①对金刚石磨粒进行隔离保护,避免在烧结过程中结合剂或外部环境对其造成侵蚀损伤等;②改善金刚石与陶瓷结合剂的界面结合。镀层在两者之间起桥梁作用,将金刚石与结合剂牢固结合起来,从而提高磨料与结合剂之间的结合强度;③提高结合剂与金刚石磨粒之间的把持能力,防止金刚石因把持力不足而过早脱落,导致浪费金刚石;④提高金刚石工具的锋利度和使用寿命。

金刚石表面镀覆的主要方法有:化学镀和电镀、真空镀、盐浴镀和溶胶凝胶法。

化学镀是在无外加电流的条件下,通过自催化过程的氧化一还原反应在金刚石表面沉积金属,从而形成厚度均匀、致密的薄膜镀层。而电镀是经化学镀覆导电层后,为加厚或续镀其他金属层,被镀金属离子在电场力作用下撞击金刚石表面后吸附还原结晶,在金刚石表面沉积金属层的方法。刘宏、郭荣新、宗云等[8]研究分析了W的共沉积对Ni-P基合金镀层热处理晶化程度、晶粒尺寸的影响,并通过镀层硬度测试、干摩擦条件下的磨损试验以及SEM形貌观察研究了镀层的磨损行为。李太宗[9]通过分析两种不同含磷量Ni-W-P合金沉积层热处理晶化前后的显微结构特征,揭示了化学沉积高磷含量Ni-W-P合金沉积层纳米化及影响沉积层硬度的本质,进而研究高磷含量的Ni-W-P合金沉积层耐磨性及耐腐蚀性的影响机理。

真空镀是指将强碳化物形成元素(如W、Ti、Cr、V、Mo、Nb等)通过真空镀覆的方法沉积于金刚石表面,此方法需要真空设备,工艺复杂。目前常用的真空镀覆技术主要有:真空物理气相沉积镀(PVD)、真空化学气相镀(CVD)、粉末覆盖烧结。程文胜、刘一波、刘伟等[20]通过真空蒸汽法镀钛、化学镀镍、化学铜研究金刚石表面镀覆不同金属层对磨具的影响。处理过的金刚石和未处理的金刚石分别于陶瓷结合剂按一定比例冷压烧结后,经测试发现,镀钛、镀铜、镀镍都没有显著提高磨具的性能。

盐浴镀是在氯化物的盐浴中加入钛、铬等金属粉末,再将金刚石投入盐浴中,在850℃～1100℃,盐浴处理1～2h有熔融金属的高粘着性和毛细管力的作用而获得镀覆层。该方法的镀覆温度高,镀后从盐浴中分离金刚石工艺复杂,镀覆成本较高,但也有一些人认为此方法比较经济适用,且镀覆成本较低(小于0.1元)等。项东[21]通过分别采用化学镀、化学镀十复合镀、盐浴镀铬、盐浴镀钛等分析比较金刚石表面镀覆金属的方法,并优化镀覆方案。

溶胶凝胶法即采用合适的有机或无机盐配制成溶液,然后加入能使之成核、凝胶化的溶液,控制其凝胶化过程得到具有球形颗粒的凝胶体,将经过洗涤处理的金刚石放入凝胶中,利用提拉的方法进行镀膜,镀覆一次后在一定温度下烘干冷却,并且反复浸渍涂膜两次。刘小磐等[22]分别研究了金刚石表面涂覆铝-硅-硼氧化物涂层;金刚石表面涂覆TiO2/Al2O3薄膜;溶胶-凝胶法制备TiO2溶胶,并采用浸渍的方法在工业金刚石表面涂覆TiO2薄膜。

3 界面结合情况及对把持力的影响的检测

3.1 界面结合情况的检测

陶瓷结合剂、金刚石的界面结合一般由陶瓷结合剂对金刚石的润湿性、金刚石表面形貌、陶瓷结合剂的成分、添加剂等决定。对陶瓷结合剂、金刚石表面结合情况的检测,主要方法有界面成分分析、界面形貌分析,以及断口扫描等。通常利用以下分析方法进行检测分析。

扫描电镜 利用扫描电镜(SEM)可以分析镀覆前后、不同镀层、不同方法镀覆的金刚石表面是否镀覆上了金属;可以检测镀层的形貌、疏松致密程度、界面成分分布;判断分析不同高温下的热损伤特征;检测分析金刚石与陶瓷结合剂的界面成分及界面形貌。张小福等[4]通过SEM图分析金刚石与陶瓷结合剂的界面结合情况。

X射线衍射 X射线衍射(XRD)分析利用特征峰来判别生成的金属是晶型还是非晶型,镀覆金属与金刚石之间有无界面生成物,从而判断金属与金刚石之间是否发生化学反应、是否生成所需相;分析金刚石与陶瓷结合剂界面成分。张小福等[4]通过XRD分析了金刚石与陶瓷结合剂的界面结构。

3.2 界面结合情况对把持力的影响

陶瓷结合剂、金刚石的界面结合直接影响着陶瓷结合剂对金刚石的把持力。可以通过在调整好陶瓷结合剂的基础上,利用正交试验系统的分析研究陶瓷结合剂、金刚石的共同作用下,它们的界面结合对把持力的影响。

杨雪峰[23]研究探讨了提高把持力的两种方法,即提高结合剂的硬度和金刚石表面涂覆氧化铝,并提出基于抗拉强度试验的把持力检测办法。

4 小结

陶瓷结合剂对金刚石的把持力决定着金刚石磨具使用时的性能,以及金刚石工具的使用寿命。但是,目前对金刚石、陶瓷结合剂界面结合对把持力影响的研究还很少,需要进一步深化,从而可以从理论上分析控制,使得陶瓷结合剂对金刚石有合适的把持力,从而让金刚石陶瓷结合剂磨具具有良好的使用性能。

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Influence of interface bonding of diamond and ceramic bond on the holding force

LI Xu-yan,LI Zheng-xin
(School of Materials,Henan University of Science and Technology,Henan 450001,China)

The holding force of ceramic bond to diamond is the key to the quality of vitrified diamond grinding wheel.In the paper,the influencing factors of the interface between ceramic bond and diamond,and also the influence of interface bonding on the holding force were analyzed.

diamond;ceramic bond;interface bonding;holding force

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0043-05

2013-03-12

李旭燕(1985-),女,硕士研究生,主要研究陶瓷金刚石磨具磨粒表面处理对把持力的影响。