纳米组分优化对陶瓷结合剂强度的影响研究

刘鑫鑫,刘世凯,张吉祥

纳米组分优化对陶瓷结合剂强度的影响研究

刘鑫鑫,刘世凯,张吉祥

(河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001)

以R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2为基础陶瓷结合剂,在不改变原有结合剂配方的组成前提下,用纳米Al2O3、纳米SiO2、纳米CaO部分取代原有配方中的Al2O3,SiO2,CaO成分,运用正交实验的实验方法,研究了纳米组分优化对陶瓷结合剂抗折强度的影响。试验结果表明：纳米组分优化对结合剂抗折强度影响显著,其中当部分替换纳米Al2O3含量为2%、纳米CaO含量为1%、纳米SiO2含量为4%时,优化配方抗折强度最大,其抗折强度达到104.24MPa。

组分优化；纳米材料；陶瓷结合剂；抗折强度

1 引言

随着现代磨削加工中高精、高效和高速的三高要求的提出,对陶瓷磨具的性能要求也越来越高[1]。陶瓷磨具具有磨损少、使用周期长、磨削比高和切削锋利等特点,在材料磨削加工方面具有重要应用前景[2]。为了适应现代加工磨削的需求,就必须要求磨具要有很好的强度,作为磨具的重要组成部分,陶瓷结合剂的强度对磨具的强度有着关键性的影响。目前,国内外学者主要研究了外加纳米氧化物、氮化物和其它物质对陶瓷结合剂抗折强度的影响。He等[3]研究不同WO3含量对SiO2-B2O3-Al2O3-CaO系陶瓷结合剂结构和性能的影响。结果表明: WO3的添加提高了结合剂的抗折强度,其最大值为114MPa。Hou等[4]研究了纳米Al N添加量对陶瓷结合剂结构和性能的影响。结果表明:纳米Al N添加量为6.0wt%时,结合剂抗折强度最大。赵志伟等[5]研究了加入不同含量纳米Ti(C,N)粉体的纳米陶瓷结合剂体系。结果表明:加入量为6wt%时,陶瓷结合剂的抗折强度有明显提高。以上大都是纳米外加对陶瓷结合剂抗折强度的影响,而对陶瓷结合剂纳米组分优化的研究还很少。

为了达到陶瓷结合剂高强度的要求,本实验采用R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2为基础陶瓷结合剂,运用正交实验的设计方法,用纳米Al2O3、纳米SiO2、纳米CaO部分取代原有配方中的Al2O3、SiO2、CaO成分,研究了其对陶瓷结合剂抗折强度的影响,以其得到高强度的纳米陶瓷结合剂配方。

2 试验

2.1 试验原料

所采用的基础陶瓷结合剂属于R2O-ROSiO2-Al2O3-B2O3体系,所用原料为Al2O3、氧化硅、氧化铝、氧化钙、硼酸、碳酸钠和碳酸钾。

2.2 正交试验设计

本论文选取纳米Al2O3、纳米SiO2和纳米CaO分别按一定比例替代基础陶瓷结合剂中的Al2O3、SiO2和CaO,每一种纳米组分选取三个水平,以抗折强度为考察指标,选用L9(34)型正交表,其中纳米Al2O3为第一列,纳米SiO2为第2列,第3列为空列,纳米CaO为第4列。

2.3 试样制备

把一定的原料按上述九组纳米优化配方再加上对照组(原始配方)共10组进行分别称量,分别经过球磨均匀、熔炼、水淬、干燥等工序,球磨至200目以细,得到10组陶瓷玻璃料,然后各加入一定量的润湿剂,经过焖料,压制成具有一定形状的陶瓷结合剂样条,再经干燥、烧结,最终得到10组陶瓷结合剂试样。

2.4 结构与性能检测

抗折强度的测试采用三点弯曲法,采用中国解放军六九一三厂的电子万能试验机(CMT4504);采用德国布鲁克AXS公司的X射线衍射仪(D8AA25)进行陶瓷结合剂的物相分析。

3 结果与讨论

3.1 结合剂的抗折强度

本试验共有9组正交试验加上基础陶瓷结合剂的对照组(编号0)共10组实验,分别在680℃、730℃、750℃、810℃、830℃、850℃、870℃七种温度下烧结并进行抗折强度的测定,单位为MPa。由于本试验的样品过多,且每种样品的配方不同,样品的烧结温度以及烧结范围都不尽相同,有的样品在较低温度下未烧结,没有测量出抗折强度的数据。每组强度选取最大值,具体如表1所示。

3.2 抗折强度的正交分析

根据正交试验设计,以抗折强度为指标通过极差法进行正交分析,具体结果如表2所示。

表1 抗折强度表Table 1 Bending strength

表2 抗折强度正交分析表Table 2 Orthogonal analysis of bending strength

续表2

通过极差分析法可知:(1)通过对比极差值可以得出三个因素对抗折强度的主次关系:纳米氧化铝＞纳米氧化钙＞纳米氧化硅。(2)其中空列的极差大于纳米氧化硅的,这表明不同因素之间存在较强的交互作用,进行相关研究时需进一步考虑。(3)结合因素主次顺序也可以推断最优方案为:纳米氧化铝含量为2%,纳米氧化钙含量为1%,纳米氧化硅为4%,即为试验表中第七组试验。

3.3 抗折强度的因素趋势图

图1(a)为纳米氧化铝因素趋势图,图中可见随着纳米氧化铝含量的提高,抗折强度也增大,在2%时达到最大;图1(b)图为纳米氧化钙趋势图,图中抗折强度随纳米氧化钙含量的提高呈先升后降的趋势,即在1%时最大;图1(c)图为纳米氧化硅因素趋势图,图中曲线呈先降后升的趋势,在纳米氧化硅含量为4%时达到最大。

图1 抗折强度因素趋势图Fig.1 Tendency chart of bending strength factors

3.4 陶瓷结合剂的XRD图谱分析

如图2所示,1#为基础陶瓷结合剂在850℃下烧结的X射线衍射图,2#为第7组在730℃下烧结的X射线衍射图。对于2#,在15°到20°之间出现一个弱峰,经分析可知此峰为β-SiO2;在20°到25°之间出现了CaSiO3的弱峰,强度与β-SiO2的相差不大,在30°左右出现Ca2Al2SiO7,Al2O3,CaSiO33种不同的峰。Ca2Al2SiO7峰的出现说明纳米材料的添加改变了原有组成结构,有利于新的晶相的形成[6]。

图2 XRD曲线图Fig.2 XRD graphs

4 结论

(1)结合剂配方纳米组分的优化有利于提高其抗折强度,纳米组分对抗折强度影响主次因素为纳米氧化铝大于纳米氧化钙大于纳米氧化硅。

(2)最优的结合剂配方组分优化方案为:纳米Al2O3含量2%,纳米CaO含量1%,纳米SiO2含量4%。其抗折强度达到104.24MPa。

[1] Biermann D,Weinert K,Jansen T,et al.High-technology grinding[J].Industrial Diamond Review,2008,4:24-29.

[2] 刘鑫鑫,刘世凯,邓士炜.超硬磨具纳米陶瓷结合剂研究进展[J].超硬材料工程,2016,28(6):46-49.

[3] Han J,He F,Wang L L,et al.Effect of WO3on the structure and properties of low sintering temperature and high strength vitrified bonds[J].Journal of Alloys&Compounds,2016,679: 54-58.

[4] Hou Y G,Qiao G Y,Shang Y,et al.Effects of nano-Al N and sintering atmosphere on microstructure and properties of vitrified bond[J].Composites Part B,2011,42(4):756-762.

[5] 陈飞晓,赵志伟,胡文萌.纳米Ti(C,N)对CBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2016,36(2):49-54.

[6] 周琪,何峰,谢峻林,张文涛.低温高强SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Na2O陶瓷结合剂的结构与性能研究[J].武汉理工大学学报,2014,36(9): 7-11.

CVD金刚石：切削复合材料的利刃

最近几个月,位于德国凯泽斯劳滕的专业复合材料生产商Cir Comp公司,使用HORN的CVD金刚石刀具,加工了多种回转对称类的复合材质工件,例如:管子、支柱、桅杆及高性能滑动轴承。

以前PCD是加工复合材料的首选,但现在,CVD金刚石刀具在加工复合材料时体现的一流性能,远远地超过了PCD刀具。

复合材料是一系列的纤维和基材的组合。从微观角度看,切削纤维可被视为在微秒的时间间隙内不断改变切削角度的断续切削——纵向、横向、斜向,每一层纤维的走向都不同。

Horn最新的CVD厚膜金刚石刀片,使用特殊工艺生产,在加工复合纤维材料时是PCD刀具寿命的5～6倍。主要原因如下:CVD金刚石刀片的材质是99.9%的纯净金刚石,由20μm～25μm的均质晶体构成。而PCD是由金刚石和粘结剂构成的金刚石,含量略高于80%的刀具材质。

这就意味着CVD金刚石的硬度相对PCD可以出现很大幅度的提高,甚至比天然钻石的硬度也稍高一些。CVD刀具使用精确的激光雕刻进行刃口倒圆,并可提供很高的刃口锋利度。在激光雕刻过程中,单个的金刚石晶体会被切割掉,而不会出现磨削时的晶体破碎情况。这就意味着CVD金刚石刀具的锋利程度是PCD刀具的10倍以上。使用激光还可以在CVD金刚石刀具上雕刻出多种断屑槽。 (机经网)

Study of the Influence of Nano Component Optimization on Strength of Ceramic Bond

LIU Xin-xin,LIU Shi-kai,ZHANG Ji-xiang
(School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou,China 450001)

Influence of nano component optimization on bending strength of ceramic bond has been studied by orthogonal experiment.In the experiment,the composition of the original formula remains the same,and R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2has been used as basic Ceramic bond as constituents of Al2O3,SiO2,CaO been partially substituted by nano -Al2O3,nano-SiO2and nano-CaO.Result shows that nano component optimization has significant influence on bending strength of ceramic bond.The bending strength of the optimized formula reaches its maximum value(104.24MPa)when the contents of nano-Al2O3,nano-Ca O and nano-SiO2are respectively 2%,1%and 4%.

component optimization;nanomaterial;ceramic bond;bending strength

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0044-04

2017-05-12

河南省科技厅自然科学项目(152102210271);河南省教育厅自然科学项目(14B430019)

刘鑫鑫(1990-),男,河南商水人,硕士研究生,主要从事纳米陶瓷结合剂的制备及应用研究。E-mail:18638764793@163.com。

刘世凯(1979-),男,河南登封人,博士,河南工业大学副教授,主要从事纳米技术在超硬材料和磨料磨具中的应用研究。E-mail:shikai _liu@haut.edu.cn。

刘鑫鑫,刘世凯,张吉祥.纳米组分优化对陶瓷结合剂强度的影响研究[J].超硬材料工程,2017,29(4):44-47.