刚玉砂轮用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃结合剂的研究

董晓烽，肖卓豪，易维民，李秀英，罗民华，汪永清，汪建斌

刚玉砂轮用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃结合剂的研究

董晓烽1,2，肖卓豪1，易维民2，李秀英1，罗民华1，汪永清1，汪建斌3

（1． 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333001；2． 江西冠亿研磨股份有限公司，江西 奉新 330700；3．武汉钢铁有限公司炼铁厂，湖北 武汉 430005）

采用传统熔体冷却法制备了K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃，探讨了组成中B2O3替代Al2O3对玻璃热膨胀性能、抗弯强度及析晶稳定性的影响。并优选该体系玻璃为刚玉砂轮结合剂，通过分析结合剂材料的特征温度确定了砂轮的烧成温度。研究结果表明，随B2O3逐渐取代Al2O3，玻璃的热膨胀系数呈降低趋势，强度先升高后降低。当B2O3含量为12wt．%时，可获得膨胀系数与刚玉相匹配、强度为117．8 MPa的玻璃材料。该体系玻璃具有较低的软化温度与流动温度，以所制备玻璃为结合剂，在1000 ℃保温2 h的烧结条件下可制备出性能优良的刚玉砂轮产品。

结合剂；玻璃；刚玉砂轮；热膨胀系数

0 引 言

刚玉砂轮是一种常用的磨具，通常由结合剂和刚玉磨料固结而成，常见的种类有陶瓷结合剂砂轮、玻璃结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮以及橡胶结合剂砂轮等[1]。当前国内刚玉砂轮所用结合剂普遍采用陶瓷结合剂，结合剂所用主要原料为高岭土、钾长石、石英粉以及硼玻璃等[2]。该类陶瓷结合剂的优点在于原料来源广泛、加工方便、使用成本低，因而广受中低端刚玉砂轮厂家的青睐[3]；然而陶瓷结合剂的缺点也很明显，主要体现在两个方面，第一是烧成温度高、烧成周期长，因而能耗大。当前国内生产刚玉砂轮的主要厂家的陶瓷结合剂砂轮烧成温度均在1200 ℃以上，烧成周期长达60 h甚至90 h以上，随着我国节能环保要求逐渐严格，这种高能耗的生产方式已明显不符当前的实际要求[4]。第二是陶瓷结合剂各原料在混料中很难做到充分均质化，各种不同成分的结合剂颗粒难以均匀地附着在磨料颗粒周围，以致于砂轮烧成过程中容易形成应力致使砂轮开裂，尤其是在生产400#细砂轮时该情况特别明显。针对以上情况，本课题提出采用玻璃结合剂制备刚玉砂轮的思路，由于玻璃结合剂成分稳定、均质、很容易获得各种尺寸的颗粒、且软化温度低，因而可以在相对较低的烧成温度条件下实现对磨料颗粒的均质“包裹”，从而解决当前刚玉砂轮尤其是400#细刚玉砂轮生产中遇到的产品合格率低、性能不稳定的难题。

1 实 验

1.1 玻璃制备

结合剂采用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2体系玻璃，其具体组成如表1所示。为探讨氧化硼含量对玻璃结合剂性能影响，组成中以B2O3逐渐替代Al2O3。原料中B2O3以H3BO3形式引入，K2O、Na2O 及CaO以K2CO3、Na2CO3及CaCO3形式引入，所有原料均采用化学纯试剂。

将配方表中原料按比例称量后进行混料然后过100目标准筛，装入150 ml的刚玉坩埚，置于硅钼棒电炉中熔制。熔制温度为1560 ℃，保温时间为2 h，得到均匀无明显气泡的玻璃液，然后浇筑在650 ℃预热的铸铁模具中进行退火，退火温度为650 ℃、保温1 h后关闭电源，待冷却至室温后取样切割分析。

1.2 结合剂性能测试

用金刚石切割片将玻璃切成5 mm×5 mm× 40 mm长方体，以测试其室温至800 ℃的平均热膨胀系数；切割成5 mm×5 mm×30 mm长方体，以测试其抗弯强度；另取部分玻璃磨细过200目标准筛后利用模具压制成φ3 mm×5 mm的柱状进行高温软化性能测试，为玻璃结合剂砂轮的烧成提供温度参考。考虑到玻璃经高温处理后有可能析晶，因此将玻璃试样经1000 ℃热处理2 h后磨碎过200目标准筛进行xRD测试。剩余玻璃破碎碾磨后过500目标准筛作为磨料结合剂用。

1.3 砂轮样品制备

取过500目标准筛的玻璃结合剂40 g、过120目标准筛的黄糊精粉1．0 g，两者混合、搅拌过程中加水20 ml，待混合均匀后再加400#刚玉磨料200 g，继续混合均匀后倒入直径100 mm模具中于20 MPa压力下成型。将成型后的砂轮坯体置于硅碳棒电炉中以5 ℃/min速度升温至1000 ℃并保温2 h，随炉冷却后获得玻璃结合剂砂轮样品。

2 结果与讨论

2.1 玻璃结合剂热膨胀性能分析

图1是不同组成玻璃试样从室温至800 ℃的平均热膨胀曲线，为便于与刚玉的热膨胀曲线对比，同时将刚玉的热膨胀曲线也做于图1中。从图1中可以看出，不同组成玻璃的热膨胀均随温度升高逐渐增加，玻璃的转变温度(Tg)在700 ℃左右，软化温度(Ts)在760 ℃附近。所制备的5个玻璃试样中A2与A3的热膨胀曲线与Al2O3的热膨胀曲线相近。为了便于对比，取该组曲线中各试样室温至600 ℃的平均热膨胀系数，其与组成中Al2O3及B2O3含量的关系见图2。

表1 玻璃试样的化学组成(wt.%)Tab.1 Chemical composition of the glass samples (wt.%)

图1 不同组成玻璃样品与刚玉的热膨胀曲线Fig.1 The thermal expansion curve of glass and Al2O3samples

从图2中可以看出，随着三价氧化物中B2O3的增加，玻璃的热膨胀系数呈现显著降低的走势。这是因为玻璃中含有较多的对玻璃网络起破坏作用的碱金属氧化物，适量的B2O3能够通过[BO3]向[BO4]转变来减弱碱金属对玻璃网络结构的破坏[5-6]，从而修复玻璃网络结构，使得玻璃的热膨胀系数降低。当玻璃中B2O3含量为8wt．%时，样品的膨胀系数为8．41×10-6℃-1，当B2O3含量逐增加至16wt．%时，样品的热膨胀系数相应减少至6．97×10-6℃-1。其中，当A3试样中B2O3含量为12wt．%时，所获得的玻璃的热膨胀系数为7．59×10-6℃-1，与刚玉的热膨胀系数(7．69×10-6℃-1)最相近。在高温烧结后的降温过程中，若刚玉磨料颗粒与结合剂的热膨胀系数不匹配，则会在冷却中形成热应力。当热应力超过两者的结合强度时，磨料颗粒与结合剂就会脱离，从而导致砂轮强度低。所以一般要求砂轮生产过程中磨料与结合剂的热膨胀系数相匹配。

2.2 玻璃结合剂抗弯强度分析

图3是不同组成玻璃试样的三点抗弯强度值。从图3中可以看出，随着组成中B2O3替代Al2O3，玻璃的抗弯强度值先升高后降低。当B2O3含量占B2O3与Al2O3之和的一半左右时玻璃样品的抗弯强度达到最大值124．2 MPa，再进一步增加B2O3的含量，试样的强度值迅速降低。很明显，这是由于B2O3在玻璃结构中的“硼反常效应”引起的。由于B2O3在玻璃中存在[BO3]及[BO4]两种结构类型，当玻璃中存在一定量的碱金属氧化物时，玻璃中过量的氧可以促使[BO3]向[BO4]转变，从而修补玻璃的网络结构使得玻璃强度增加。然而当B2O3在玻璃中过量时，没有足够多的“游离氧”促使[BO3]向[BO4]转变，此时过量的B2O3在玻璃结构中只能以[BO3]形式存在，而[BO3]形式的结构单元无法形成空间架状的网络结构，因而玻璃的三维网络结构被破坏，从而强度显著降低[7-8]。对于砂轮结合剂用玻璃材料来说，显然高的强度值对于提高砂轮的性能是有益的。

2.3 玻璃结合剂特征温度分析

玻璃结合剂相比陶瓷结合剂一个重要的优点在于其成分更加均匀稳定，这无疑有利于砂轮产品质量的稳定。此外，对于同样组成的玻璃和陶瓷结合剂，在砂轮烧结过程中玻璃的软化温度和流动温度要显著低于陶瓷的低共熔温度，因而以玻璃为砂轮结合剂更有利于实现砂轮的低温烧结。为探索砂轮的最佳烧结温度，有必要研究玻璃结合剂的软化温度、球化温度及流动温度。根据对不同组成玻璃结合剂样品的热膨胀分析和强度分析，可知A3样品的膨胀系数与刚玉最为接近，尽管A3和A4样品的抗弯强度值都较高，但A4的强度(124．2 MPa)明显要高于A3(117．8 MPa)。综合考虑膨胀系数的匹配性及结合剂的强度值，本实验选取A3作为刚玉砂轮结合剂开展下一步实验。

图2 玻璃样品与刚玉热膨胀系数对比 (RT-600 ℃)Fig.2 The thermal expansion coeff i cients of glass and Al2O3samples at RT-600 °C

图3 不同组成玻璃样品的抗弯强度值Fig.3 The bending strength of glass samples with different B2O3and Al2O3content

图4是A3试样的特征温度测试图片，图4(a)是室温下所测试圆柱形样品的侧面投影。图4(b)是746 ℃时的侧面投影，此时样品已开始发生明显的软化现象，样品的边角开始变圆，这与热膨胀曲线中所获得的软化温度基本是一致的。图4(c)是823 ℃时样品的侧面投影，该图中圆柱样品已形成球状，再进一步升温至867℃时玻璃形成流动液体(如图4(d))，表明其流动温度为867 ℃。考虑到砂轮烧制过程中温度的传递及温度场的不均匀性，本实验中砂轮的烧结温度暂定为1000 ℃，保温时间为2 h。

2.4 玻璃结合剂XRD分析

玻璃是一种热力学不稳定的物质，在一定热处理条件下具有自动析晶的可能。而玻璃析晶后，随着析出晶体种类及含量的变化，玻璃本身的性能也随之变化。因此，同样组成但不同热处理温度及时间的玻璃样品可能具有完全不一样的性能。这就是为什么有砂轮厂在砂轮烧结过程中，一旦烧成温度制度稍有波动，砂轮的性能就会出现显著不稳定的主要原因。为此，有必要对玻璃的热稳定性进行研究分析。图5是本实验所制备的不同玻璃样品经1000 ℃保温2 h后的xRD图谱。从图5中可以看出，所有实验样品经1000 ℃热处理2 h后均没有明显衍射峰出现，表明玻璃样品中依然没有晶体析出，说明该体系玻璃的热稳定性较高，在一定温度范围及时间的热处理条件下不会改变玻璃结合剂的性能。

图4 玻璃样品特征温度点测试Fig.4 Characteristic temperature point test of glass sample

图5 不同组成玻璃样品的XRD图谱Fig.5 The XRD patterns of glass samples

图6 以A3玻璃为结合剂制备的刚玉砂轮样品Fig.6 The corundum grinding wheel prepared with A3glass as adhesive

2.5 玻璃结合剂刚玉砂轮的制备

以A3玻璃为结合剂，400#刚玉砂为磨料，按照实验部分2．3节制备出的刚玉砂轮样品如图6所示。所制备的砂轮表面没有明显的裂纹、孔洞、黑心及色差等缺陷。经测试，其性能已达到厂家1270 ℃烧结72 h所制备的陶瓷结合剂刚玉砂轮产品的优等品指标。这说明该玻璃结合剂可以在确保砂轮品质的前提下实现刚玉砂轮的低温快烧，这对提高产品质量稳定及节能减排无疑具有显著意义。

3 结 论

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃中随B2O3逐渐取代Al2O3，玻璃的热膨胀系数呈降低趋势，强度先升高后降低。当B2O3含量为12wt．%时，可获得膨胀系数与刚玉相匹配、强度为117．8 MPa的刚玉砂轮结合剂用玻璃材料。

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃材料具有较好的热稳定性，在1000 ℃条件下热处理后没有晶体析出。以该体系玻璃为结合剂，在1000 ℃保温2 h的烧结条件下所制备砂轮产品的性能与传统陶瓷结合剂1270 ℃烧结条件下所制备砂轮的性能一致。

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K2O-B2O3-Al2O3-SiO2Glass Binder for Corundum Grinding Wheel

DONG Xiaofeng1,2, XIAO Zhuohao1, YI Weimin2, LI Xiuying1, LUO Minhua1, WANG Yongqing1, WANG Jianbin3
(1. School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 3334031,Jiangxi, China; 2. Jiangxi Guanyi Abrasives Co., Ltd., Fengxin 330700, Jiangxi, China; 3. Ironworks of Wuhan Iron and Steel Limited Company, Wuhan 430005, Hubei, China)

K2O-B2O3-Al2O3-SiO2glass was prepared by traditional melt cooling method, and the effect of B2O3instead of Al2O3on thermal expansion, bending strength and crystallization stability of glasses was investigated. The system glass was selected as the binder for corundum grinding wheel, and the fi ring temperature of the grinding wheel was determined by analyzing the characteristic temperature of the binder material. The results show that, with B2O3gradually replacing Al2O3, glass thermal expansion coeff i cient decreased and the bending strength increased fi rst and then decreased. When the B2O3content was 12wt.%, the glass with the bending strength of 117.8 MPa and the expansion coeff i cient matching corundum could be obtained. With the prepared glass as binder, the corundum grinding wheel products with excellent properties could be prepared when the sintering temperature was 1000°C and the holding time was 2h.

binder; glass; corundum grinding wheel; coeff i cient of thermal expansion

date:2017-02-26. Revised date: 2017-02-28.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0001-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.001

2017-02-26。

2017-02-28。

科技部国际合作项目(2015DFI52960)；国家自然科学基

Correspondent author:XIAO Zhuohao, male, PH.D., Associate professor.金(51362013)；江西省对外科技合作计划(20143BDH80003)；江西

E-mail:xiaozhuohao@126.com省自然科学基金(20142BAB206006)；江西省杰出青年人才资助计划(20171BCB23070)；大学生创新创业训练项目。

肖卓豪，男，博士，副教授。