纳米碳化钒/铬复合粉末对cBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响*

邱文星，赵志伟，陈飞晓，袁永帅，李 静，刘晓慧

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

纳米碳化钒/铬复合粉末对cBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响*

邱文星，赵志伟，陈飞晓，袁永帅，李 静，刘晓慧

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

为了探索在不同烧结温度下纳米碳化钒/铬复合粉末对cBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响，实验选用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系统作为基础陶瓷结合剂体系，向陶瓷玻璃料中加入6%质量分数的纳米碳化钒/铬复合粉末并分别在微波烧结炉中以不同温度烧结制得纳米陶瓷结合剂。实验采用LCP-1差热膨胀仪、CMT4504型电子拉伸试验机、Stemi2000-C金相显微镜等测试分析仪器，分别对所得结合剂进行差热分析、抗折强度、显微结构分析等性能检测。实验结果表明：纳米碳化钒/铬复合粉末对结合剂性能有很大影响；加入6%纳米碳化钒/铬复合粉末能使陶瓷结合剂最大抗折强度从18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃);纳米碳化钒/铬可以减小陶瓷结合剂的密度，以700℃的温度烧结时,结合剂密度从2.165g/cm3减小到1.256 g/cm3；以600℃烧结时,6%纳米碳化钒/铬复合粉末能使结合剂的流动性从145.8%增大为154.8%。

纳米碳化钒/铬粉末；cBN用陶瓷结合剂；不同温度

0 引言

磨削作为零件加工的最后一道工序，其所用磨具是决定产品质量的重要因素。陶瓷结合剂cBN磨具具有磨削锋利、磨具容易修整的特点，但由于陶瓷结合剂cBN磨具韧性差，脆性较大，这就使其在高速、超高速磨削领域的应用受到一定的限制[1]。陶瓷结合剂自身的性质对cBN磨具的性能和结构有着非常重要的影响。在适当的情况下，少量的添加物可以明显改善结合剂的微观结构[2]。将异质纳米颗粒均匀分散在陶瓷基体中，并将其进行充分地复合、分散，可使纳米陶瓷复合材料的耐磨性、韧性、高温力学性能得到很大提高[3]。纳米碳化钒和碳化铬具有高熔点、高硬度、优良的热导性等性能[4]。本实验采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系统作为基础陶瓷结合剂，通过加入一定量纳米碳化钒/铬改性剂，制备了性能较为优异的纳米陶瓷结合剂,并深入研究了纳米碳化钒/铬对cBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响。

1 实验

1.1 原材料及实验设备

本实验采用SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO系统作为基础陶瓷结合剂体系进行研究，基础陶瓷结合剂各物质纯度及比例如表1所示。表2为结合剂中纳米碳化钒/铬复合粉末用量。

表1基础陶瓷结合剂中各物质纯度及比例

Table 1 The purity and proportion of all materials in the basic ceramic bond

原料纯度(%)质量分数(%)SiO299.8%56Al(OH)399.020HBO399.813Na2CO399.56CaCO399.05

表2 结合剂中纳米碳化钒/铬复合粉末含量

实验主要设备如下：

QM-3SP2行星式球磨机；101-1A电热鼓风干燥箱； HY-1600℃ 高温节能精密熔块炉；Y41-25B2单柱校正型压装液压机；RWS微波多功能实验炉；LCP-1差热膨胀仪；CMT4504型电子万能材料拉伸试验机；Stemi2000-C金相显微镜。

1.2 实验步骤

实验以SiO2、Al(OH)3、HBO3、CaCO3、Na2CO3为原料，按一定配比混合球磨至200目左右，压制成块后用高温熔块炉熔块，对熔融玻璃料进行急冷烘干制得玻璃料，将制得的玻璃料干燥，球磨至200目，按6%比例加入纳米碳化钒/铬复合粉末，压块干燥后用微波多功能实验炉进行烧结,得到纳米碳化钒/铬陶瓷结合剂样品。

1.3 样品检测

采用CMT4504电子多功能试验机对cBN磨具用陶瓷结合剂试样条进行抗折强度测试。用LCP-1差热膨胀仪对试样进行差热分析。采用ED-300A数显固体密度计测量磨具试样条的致密度。采用Stemi2000-C金相显微镜对产物的微观形貌进行观察和分析。

2 结果与讨论

2.1 样品的抗折强度

基础陶瓷结合剂与添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的纳米陶瓷结合剂在不同烧结温度下得到的试验样品的抗折曲线如图1所示。从图中可以看出：基础陶瓷结合剂的抗折强度随温度增加而减小，添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的纳米陶瓷结合剂的抗折强度随温度变化规律为先增大后减小。在不同的烧成温度下制得的纳米陶瓷结合剂的抗折强度均比基础陶瓷结合剂的抗折强度高。添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的陶瓷结合剂在600℃时抗折强度达最大值44.44MPa，基础陶瓷结合剂在550℃时有最大值18.32MPa。

图1 烧结样品的抗折强度Fig.1 Bending strength of the sintered samples

2.2 样品的差热分析

图2为空气氛围中添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的陶瓷结合剂的差热分析图。由图2可知，整个升温的过程中有两个峰，峰的方向向下，说明反应是吸热反应，反应温度分别在134℃、307℃。此外，在134℃时峰的面积大于307℃时峰的面积，表明135℃的热效应大。出现了吸热峰的原因是基础结合剂中的硼酸与氢氧化铝等物质发生反应，反应是吸热的，而且由于分解反应过程中放出气体导致了玻璃料失重29.14%。当温度慢慢达到900℃时，原材料的重量变化很慢，基本趋于稳定。

图2 纳米陶瓷结合剂差热曲线图Fig.2 Differential thermal curve of nano ceramic bond

2.3 样品的体积密度

不同温度下样品的体积密度如图3所示。基础陶瓷结合剂的体积密度随温度的变化趋势为先增大后减小，在700℃时出现最大密度为2.224 g/cm3，在600℃时出现最小密度为1.592 g/cm3。添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的结合剂在600℃之后其体积密度随着温度的增加而逐渐减小,且基本上其密度比未添加纳米碳化钒/铬粉末的结合剂小，在700℃时，其体积密度达到最小值0.997g/cm3。

图3 烧结样品的密度Fig.3 The density of yrh sintered samples

2.4 样品流动性检测

用600℃的温度烧结时，基础陶瓷结合剂与添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的陶瓷结合剂的抗折强度均较高，故实验选用600℃温度烧结的两种结合剂检测流动性，具体数据如表3所示。

表3 600℃时烧结样品流动性

由表3可知，在未添加纳米碳化钒/铬粉末复合时，结合剂的流动性为145.8%，而添加6%纳米碳化钒/铬复合粉末后，其流动性提升到154.8%，由此可见纳米碳化钒/铬复合粉末能够提升陶瓷结合剂的流动性。

2.5 样品的显微结构

用600℃的温度烧结时，添加了6%纳米碳化钒/铬复合粉末的陶瓷结合剂的流动性较好，实验选用微波法以600℃的温度烧结的两种结合剂作为扫描电镜实验样品。观察的局部图像为陶瓷结合剂试样条在做抗折强度时的断面。图4为扫描电镜具体图像。

图4 600℃时烧结样品的扫描电镜Fig.4 The SEM images of sintered samples at 600℃

从图4可以看出,在 600 ℃烧成时,添加6%纳米碳化钒/铬复合粉末的结合剂呈现比较均匀的玻璃相,气孔数量多，气孔圆滑 。比较基础陶瓷结合剂的微观结构可以看出, 基础陶瓷结合剂气孔数量明显较少，且分布不均匀, 同时气孔的形状不规则。

3 结论

实验以二氧化硅、氢氧化铝、硼酸、碳酸钙、碳酸钠为原材料，加入6%纳米碳化钒/铬复合粉末，用微波烧结法制备了纳米碳化钒/铬陶瓷结合剂。对不同烧结温度下所得的结合剂进行了差热分析、抗折强度、显微结构分析等性能检测，得出以下结论：

(1)加入6%纳米碳化钒/铬复合粉末使陶瓷结合剂最大的抗折强度从18.32MPa(550℃)增大到44.44MPa(600℃)。

(2)纳米碳化钒/铬的添加，可以减小陶瓷结合剂的密度，增大气孔率。当使用700℃的温度烧结时,结合剂密度从2.165g/cm3减小到1.256g/cm3。

(3)使用600℃烧结时,加入6%纳米碳化钒/铬复合粉末使结合剂的流动性从145.8%增大为154.8%。

[1] 程利霞，李志宏，朱玉梅，等.金属Al粉对cBN磨具陶瓷结合剂性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2008(05):44-47.

[2] Hyeong J k，Sung S R，Seongwon K，et al.Mechanical properties of new vitrified bonds for CBN grinding wheel [J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009,10(3):13-17.

[3] 陈飞晓，赵志伟，胡文萌. 纳米氮化钒对陶瓷结合剂cBN磨具的性能影响[J]. 科技视界，2016(18):133+147.

[4] 郭文珺. 纳米碳化钒和碳化铬粉末的制备工艺及机理研究[D].南昌大学,2013.

InfluenceofNanoVC/Cr2C3onCompositePowderonPerformanceofCeramicBondforcBNGrindingTool

QIU Wen-xing, ZHAO Zhi-wei, CHEN Fei-xiao, YUAN Yong-shuai, LI Jing, LIU Xiao-hui

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001,China)

In order to study the influence of nano VC/Cr2C3on composite powder on performance of ceramic bond for cBN grinding tool at different sintering temperature, ceramic bond was prepared in the experiment with SiO2-Na2O-Al2O3-B2O3-CaO system as the basic ceramic bond system, and nanoVC/Cr2C3on composite powder of 6% mass fraction was added into the ceramic frit and then sintered respectively in the microwave sintering furnace under different temperature. Performance tests of the prepared bond such as differential thermal analysis, bending strenth and microstructure analysis were carried out respectively by analytical instruments such as LCP-1 differential dilatometer, CMT4504 electron-tensile tester and Stemi2000-C metallurgical microscope. Result shows that nanoVC/Cr2C3on composite powder has significant influence on performance of ceramic bond; adding 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the maximum bending strenth of ceramic bond from 18.32MPa(550℃)to 44.44MPa(600℃); nanoVC/Cr2C3on can reduce the density of ceramic bond from 2.165g/cm3to 1.256 g/cm3under the sintering temperature of 700℃; 6% of nano VC/Cr2C3on composite powder failed to increase the flowability of the bond from 145.8% to 154.8%.

nano VC/Cr2C3composite powder; ceramic bond for cBN grinding tool; different temperature

2017-03-24

邱文星(1997-)，E-mail：1275601142@qq.com; 赵 志 伟(1979-)，男，博士，副教授。

邱文星，赵志伟，陈飞晓,等.纳米碳化钒/铬复合粉末对cBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响[J].超硬材料工程，2017，29(5)：34-37.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0034-04