纳米氮化钒对陶瓷结合剂CBN磨具的性能影响

陈飞晓　赵志伟　胡文萌

【摘 要】纳米碳化钒具有耐磨、高硬度、高熔点等优异特性，可将其添加到微米级陶瓷基体中，以便在较低温度下制备具有较高力学性能的陶瓷结合剂CBN磨具。本课题选用的玻璃料体系是Na2O-Al2O3-SiO2-B2O，通过将不同含量的纳米氮化钒加入到陶瓷结合剂，制得磨具。并对其进行抗折强度、显微结构以及体积密度进行检测分析。得出不同含量纳米VN对CBN陶瓷磨具的影响。通过实验得到：加入纳米氮化钒后，陶瓷结合剂CBN磨具的体积密度逐渐减小。当纳米氮化钒的加入量为6%时，CBN陶瓷磨具的抗折强度达到最大，为12.36MPa，且其结构致密，性能最优。

【关键词】CBN磨具；陶瓷结合剂；纳米氮化钒；CBN陶瓷磨具

Effects of Nanometer Vanadium on the Microstructures and Properties of Vitrified bonded CBN Abrasive Tools

CHEN Fei-xiao ZHAO Zhi-wei HU Wen-meng

（Colleage of Material Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou Henan 450001， China）

【Abstract】As nano-vanadium carbide has the advantage of high wear resistance， high hardness， high melting point and other outstanding features， it can be added to the micron ceramic matrix to prepare vitrified CBN grinding tools with higher mechanical properties at lower temperatures. The foundational system of vitrified bond is Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3. Different levels of nano-vanadium nitride was added to vitrified bond to obtain the sample of vitrified bond CBN abrasives. The flexural detection， microscopic structure and the bulk density of the sample was detected. The effects of different levels of nano-VN on vitrified bond CBN abrasives was obtained. The experimental conclusions are as follows： After adding nano vanadium nitride， the volume density of the ceramic bonded CBN tool was gradually reduced. When the amount of nano vanadium nitride in the vitrified bond was 6%， the flexural strength of CBN abrasives reached maximum， which was 12.36MPa， and its structure was compact and the performance was best.

【Key words】Vitrified bond； CBN； Nanometer VN； Strength

0 引言

随着时代的快速的发展，磨料磨具发展的方向正在朝向高精度、低成本、高效率的方向不断发展[1]。陶瓷结合剂超硬磨具具有硬度高、磨削热小、磨削比高等优点[2]。纳米陶瓷材料具有不同于传统的陶瓷材料的性能[3]。例如，烧结温度较低，强度韧性较高[4]。因此在用纳米粉进行烧结时，致密化速度较快，且能在较低温度下获得致密度比较高的产品。

在陶瓷基体中将异质纳米颗粒均匀分散在其中，使其进行充分的复合、分散，可使纳米陶瓷复合材料的韧性、耐磨性、高温力学性能得到很大提高[5-7]。并且不会对超硬磨料CBN造成腐蚀损伤。由于纳米氮化钒具有耐高温、耐腐蚀、高强度的特性[8]，因此本课题尝试通过向微米级陶瓷结合剂基体中添加纳米氮化钒，制得力学性能较高的陶瓷结合剂CBN磨具。

1 实验

1.1 陶瓷结合剂CBN磨具的制备

陶瓷结合剂CBN磨具的制备流程如下所示（图1）：

图1

混料时采用干法混料工艺把成型料混匀。然后将试样闷料约2h，再在压机上压制成陶瓷结合剂试样条，干燥10-12h。然后放入马弗炉中在800℃下进行烧成。

1.2 测试方法

采用SUNS微机控制电子万能试验机对陶瓷磨具试样条进行抗折强度测试。采用Stemi2000-C金相显微镜对产物的微观形貌进行观察和分析。采用ED-300A数显固体密度计测量磨具试样条的体积密度。

2 结果与讨论

2.1 抗折强度测试及分析

添加不同含量的纳米氮化钒后，陶瓷结合剂CBN磨具的抗折强度如表1所示。由表可知，在800度进行烧结时，随着纳米氮化钒含量的增加，CBN陶瓷磨具的抗折强度先增加后减小，在含量为6%时达到最大。

2.2 纳米氮化钒含量对CBN磨具微观结构的影响

加入不同含量纳米氮化钒的陶瓷结合剂CBN磨具在800℃下进行烧成的显微结构如图2。

（1）加入0%质量分数纳米VN （2）加入2%质量分数纳米VN

（3）加入4%质量分数纳米VN （4）加入6%质量分数纳米VN

（5）加入8%质量分数纳米VN

从图2中可以看出，随着添加纳米氮化钒含量的增加，磨具的气孔数量变大，但是其结合剂均匀的分布在磨料的周围，且润湿性和黏结性比较好，对磨粒有较强的把持能力。当纳米氮化钒含量为6%时，磨具性能最好。

2.3 不同含量纳米氮化钒陶瓷结合剂CBN磨具体积密度的分析

在添加不同含量的纳米氮化钒时，陶瓷结合剂CBN磨具的的体积密度如表2所示：

表2 不同含量纳米氮化钒CBN磨具的体积密度

由图可知，纳米氮化钒加入，会使陶瓷磨具的体积密度减小，在6%时体积密度为2.343g/cm3，磨具结构均匀。此时磨具的气孔分布最均匀，可以满足磨具磨削过程中容屑排屑的要求。

3 结论

1）加入纳米氮化钒后，陶瓷结合剂CBN磨具的体积密度逐渐减小。

2）当纳米氮化钒含量为6%时，CBN陶瓷磨具的抗折强度达到最大，为12.36MPa，且其结构致密。

【参考文献】

[1]王秦生，侯永改.超硬材料陶瓷磨具[M].北京：中国标准出版社，2000.

[2]陈敢新，吕智.CBN砂轮陶瓷结合剂研究进展[J].金刚石与磨料磨具，2003（5）： 35-40.

[3]张向红，王艳辉，臧建兵，成晓哲，张金辉.具有可控气孔的低熔高强纳米陶瓷结合剂[J].金刚石与磨料磨具工程，2010（4）：17-20.

[4]江炎兰，王杰.纳米陶瓷材料的性能、制备及其在军事领域的应用前景[J].海军航空工程学院学报，2006，21（1）：183-186.

[5]张志飞，万隆，张珍蓉，等.低温砂轮陶瓷结合剂的研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2004（6）：31-33.

[6]王艳辉，张向红，葛恩报，张金辉，臧建兵.纳米陶瓷结合剂超硬磨具的制造工艺[J].金刚石与磨料磨具工程，2008（6）：9-16.

[7]张景强，王宛山，于天彪，张松.高速陶瓷cBN砂轮纳米陶瓷结合剂性能实验研究[J].中国机械工程，2014（1）：82-87.

[8]王艳辉，臧建兵.纳米陶瓷结合剂的特点和应用[J].超硬材料工程，2013（1）：20-24.

[责任编辑：杨玉洁]