CBN研磨盘用陶瓷结合剂的研究

2009年2月

第1期　总第169期

金刚石与磨料磨具工程

D iamond&Abrasives Engineering

Feb.2009

No.1　Serial.169

文章编号:1006-852X(2009)01-0075-04

C BN研磨盘用陶瓷结合剂的研究3

侯永改1　彭　进1　乔桂英2　丁春生3　邹文俊1　廖　波2

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,河南郑州450007)

(2.燕山大学材料科学与工程学院,河北秦皇岛066004)

(3.郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013)

摘　要　本文对三种低温陶瓷结合剂的性能进行综合研究,结果发现:耐火度为775℃,流动性为110%～130%,线膨胀系数为5.79×10-6℃-1的低温陶瓷结合剂V2的综合性能优异。通过差热分析发现,在测定温度范围内结合剂V2没有明显的晶相产生。用结合剂V2制备的陶瓷结合剂CBN磨具试样在800℃烧成后,磨具试样的抗弯强度达到最佳值67.5MPa。制备的磨盘在磨削时锋利性好,磨削中间修整次数少,磨盘的耐用度高。运用扫描电子显微镜(SE M)对磨削后CBN磨片的磨削面形貌进行观察,表明结合剂对磨粒黏结牢固,断面组织均匀。

关键词　CBN研磨盘;陶瓷结合剂;强度

中图分类号　TG74 文献标识码　A　

Study on v itr i f i ed bond for CBN face gr i n d i n g wheel

Hou Y ongga i1　Peng J i ng1　Q i ao Gui yi ng2　D i ng Chunsheng3　Zou W enj un1　L i ao Bo1

(1.College of M a teria ls S cience and Eng ineering,Henan U n iversity of Technology,

Zhengzhou450007,Ch ina)

(2.College of M a teria ls S cience and Eng ineering,Yanshan U n iversity,

Q inhuangdao066004,Ch ina)

(3.Zhengzhou R esea rch Institu te for A brasives and Grind ing,Zhengzhou450013,Ch ina)

Abstract　Pr operties of three different kinds of l ow2te mperature vitrified bonds were studied.It was found that vitrified bond V2,of which refract ory was775℃,fluidity was110%～130%,ther mal expansi on was

5.79×10-6℃-1,had good colligati on p r operties.TG and TG A analysis results showed that no crystals were

observed in bond in the testing te mperature.The flexural strength of CBN t ools made with vitrified bond V2 were67.5MPa when sintered under te mperature800℃.V itrified bond CBN t ools were tested and showed good shar pness,l ong life and no need of dressing during the machining.The gr ound surface of vitrified bond CBN t ool was investigated by means of scanning electr on m icr oscope(SE M),and it was f ound that CBN grits were bonded fir m ly by vitrified bond and with unif or m m icr ostructure.

Keywords　CBN face grinding wheel;vitrified bond;strength

3河南省重点科技攻关项目072102230005

金刚石与磨料磨具工程总第169期

0　前言

陶瓷结合剂CBN研磨盘,由于其磨削能力强,形

状保持性好,磨具自锐性好,在磨削过程中修整次数

少[1-4],磨出工件的尺寸精度高、表面粗糙度低,适合

数控磨床的自动化磨削加工,在空调压缩机的活塞、叶

片等加工中有突出的优越性。

陶瓷结合剂CBN研磨盘在使用过程中,其陶瓷结

合剂CBN磨片的自锐性、锋利性和耐磨性是影响其使

用的关键因素,这些性能主要决定于所使用的陶瓷结

合剂及磨片的性能,以及制备磨片的烧结温度制度。

通过试验,对陶瓷结合剂的耐火度、流动性、热膨

胀系数、强度等性能进行研究,制备磨盘进行不同烧成

温度时磨具强度测定,磨削应用试验及微观结构分析,

总结规律,确定出性能最优的结合剂,有利于促进陶瓷

结合剂CBN研磨盘的生产制备及应用。

1　实验

1.1　陶瓷结合剂的选择

依据陶瓷结合剂CBN研磨盘用CBN磨粒的性

能、粒度和研磨盘的磨削加工特点,选择含硼结合剂做

为基准,以Na

2

O、B2O3、Si O2为基本成分,形成Na2O2B2

O32Si O2三元系基本组元。同时引入A l2O3、ZnO中间

化合物以及L i

2

O、Mg O等碱金属和碱土金属氧化物,

形成R

2

O(RO)2B2O32Si O22A l2O3多元系结合剂,最终

确定三组不同类型的结合剂进行试验。结合剂的化学

成分如表1所示。

表1　三种结合剂的化学成分(wt%)

结合剂的

化学成分

Si O2A l2O3B2O3Na2O+K2O L i2O ZnO Mg O

结合剂1 /wt%64.5

4.0～

8.5

14.5～

19.5

6.5～

10.5

2.5～

6.5

2.0～

4.5

—

结合剂2 /wt%66.5

4.0～

10.5

12.5～

19.5

6.5～

10.5

2.5～

6.5

2.0～

4.5

3.5～

5.5

结合剂3 /wt%64.5

7.5～

13.5

14.5～

19.5

6.5～

13.5

—— 2.4

1.2　试验用的仪器设备

在C MT4504型微机控制电子式万能实验机采用三点弯曲法测定抗弯强度,试样尺寸为26.5mm×6 mm×5mm,跨距为22mm,加载速度为0.5mm/m in;结合剂的线膨胀系数采用WCP-2型差热膨胀仪测定,升温速度10℃/m in;结合剂的耐火度测试采用三角锥法,以锥倒温度为所测定耐火度温度;用WVCT -2C微型差热天平对结合剂进行差热分析,升温速度10℃/m in;用扫描电镜(Quanta600,美国)观察磨具断面形貌及磨削应用后磨具磨削面的形貌。

试验采用韩国生产的ADL-700研磨床。磨盘的尺寸为:700mm×50mm×300mm×3mm

2　结果及讨论

2.1　陶瓷结合剂的性能分析

2.1.1　

结合剂的热膨胀系数

图1　结合剂V1,V2,V3热膨胀变化情况

图1为结合剂V1、V2、V3的热膨胀变化曲线。从图1可以看出,在测定的温度范围内结合剂V1的热膨胀系数最大,结合剂V3的最小。这是由于结合剂V1中含有较多的碱性助熔物(Na

2

O+K2O),而结合剂V3

中含碱金属助熔物较少。Na

2

O和K2O热膨胀系数都比较大,因此在结合剂内加入量较多时,会增大结合剂的热膨胀系数。从图1还可以看出在500～600℃之间,三种结合剂的热膨胀系数都有突出的增大现象,主

要是由于结合剂中含有B

2

O3的原因。

2.1.2　结合剂的差热分析

如图2和图3分别为结合剂V1、V2、V3的DT A 和TG图。从图2可以看出,在测定温度范围内,结合剂V1、V3在约350℃时,有一处小的放热峰,说明结合剂在此温度时有晶型转变发生,而结合剂V2没有明显的吸放热峰和热失重、增重现象。说明,在测定温度范围内,结合剂V2中均没有明显的晶相产生,以液相为主体。这有利于烧成温度下提高结合剂对磨粒的润湿性,促进结合剂在磨粒周围均匀分布,提高结合剂对磨粒的黏结强度。

67

　第1期候永改等:C BN

研磨盘用陶瓷结合剂的研究2.1.3　结合剂的综合性能测定与分析

表2结合剂的主要性能

结合剂的性能V 1V 2V 3耐火度/℃690775850烧结范围/℃25～4030～5025～40流动性/%145～165110～130110～130

线膨胀系数/℃

-1

7.28×10-6

5.79×10-6

5.45×10-6

抗弯曲强度/MPa

50.7

67.5

65.4

表2为测定的三种结合剂的综合性能。从表2看出:

(1)V2结合剂的烧结温度范围宽,强度达到67.5MPa;

(2)V1结合剂线膨胀系数为7.28×10-6℃-1

,与CBN 的热膨胀系数(3.2×10-6℃-1

)相差比较大,且

在磨具烧成温度下,V1结合剂有较大流动性,磨具在烧成温度下容易产生变形、发泡现象;

(3)V3结合剂由于耐火度较高,磨具烧成温度高,容易导致微粉级CBN 的热损伤,且结合剂对磨粒的润湿性不好,黏结不牢固。

综合分析可以看出结合剂V2的各项性能比较优

良,更适合于作为CBN 磨盘的结合剂。因此,选用V2

为结合剂制作CBN 磨具试样,进行不同温度的强度测定及磨削试验。2.2　

烧成温度对磨具强度的影响

图4　三种结合剂在不同温度下弯曲强度

图4为三种结合剂在不同温度下弯曲强度。从图4可以看V1结合剂的在710℃强度最大,为50.7MPa;V2结合剂的在800℃强度最大,为67.5MPa;V3结合剂的在875℃强度最大,为65.4MPa 。比较三种结合剂可以看出V2结合剂的抗弯曲强度最高。3.3　磨具试样耐磨性测定

分别用三种陶瓷结合剂与粒度为12～22μm 的CBN 磨粒,按要求的配比制备成相应的磨具试样。在ADL -700研磨床上进行磨削试验,磨削参数为:上、下

磨盘转速为45～50r/m in;主压0.40～0.45MPa;工件转速为25～30r/m in,加工余量双面≤0.08mm 。磨削结果如表3所示。

表3　磨削对比结果

Table .3　The result of gr i n d i n g

性能指标结合剂V1的研磨盘结合剂V2的研磨盘结合剂V3的研磨盘加工余量/mm

≤0.08

≤0.08

≤0.08

修整次数

(次/d )

9～10

3～4

11～15

修整一次磨削量(盘)152610～15

磨盘损耗

(mm /周?片)

0.5～0.90.070.05～0.08工件粗糙度R Z /

μm 0.6～0.8(合格)

0.6～0.8(合格)

0.7～0.9(工件

易烧伤、划伤)

由表3可以看出,V1结合剂研磨盘磨削时修整次数多,磨盘耐用度低;V3结合剂研磨盘磨削时,修整次

7

7

金刚石与磨料磨具工程总第169期

数多,且容易烧伤工件;用V2结合剂制备的研磨盘,其磨削时自锐性好,修整次数少,磨削效率高。2.5　结构分析

图5为三种结合剂制备磨盘,磨削后的断面SE M 图。从图5中可以看出,由于V1结合剂的耐火度低,在烧成温度下结合剂的黏度小,因此,烧成温度下结合剂的流动性好,对磨粒的润湿性好,磨片的致密性好,磨片中看不到气孔的存在,这会影响到磨盘研磨过程中的自锐性。V2结合剂制备的磨片结合剂对磨粒黏结牢固,且磨片中有气孔存在,使磨盘在磨削过程中的自锐性好,锋利性好,修整次数少。V3

结合剂由于其

图5　三种陶瓷结合剂CBN 磨片的断面SE M 图

耐火度较高,从SE M 图上看出,烧成温度下结合剂对磨粒的润湿性差,影响结合剂对磨粒的黏结强度,使磨盘在使用过程中,磨粒容易脱落;CBN 磨粒脱落后,由于结合剂的摩擦导致工件容易烧伤。

3　结论

(1)比较三种结合剂,结合剂V2的流动性为110%～130%,耐火度为约775℃,比较合适于CBN

磨盘用结合剂。

(2)从差热分析可以看出结合剂V2在测定温度范围内没有明显的晶相产生,以液相为主,有利于提高结合剂对磨粒的润湿和黏结能力。

(3)结合剂V2制备陶瓷结合剂CBN 磨片的最佳烧成温度为800℃。

(4)在烧成温度下,V2结合剂对CBN 磨粒有很好的润湿性,结合剂对磨粒黏结牢固,黏结强度高,磨具的抗弯曲强度达到最佳值为67.5MPa 。

参考文献

[1]　侯永改,彭　进,邹文俊.合金粉对低温陶瓷结合剂及CBN 磨具

性能的影响[J ].金刚石与磨料磨具工程,2005,(1):61-64

[2]　吕　智,陈国华,徐西鹏.CBN 砂轮陶瓷结合剂研究中的若干关

键问题[J ].矿冶,2006,3(1):33-36

[3]　H inlW ,Hottek H ,Roth M I .Econom ic Centreless Grinding of Ca m 2

shafts with CBN [J ].I ndustrial D ia mond Revie w ,2000,2:20-26[4]　Jacks onM J.Sintering and vitrificati on heat treat m ent of CBN grinding

wheels[J ].Journal of Materials Pr ocessing Technol ogy,2007,191:232?234

作者简介

侯永改,女,1964年生,河南工业大学材料科学与工程学院副教授,燕山大学材料科学与工程学院在读博士,主要从事低温陶瓷结合剂及超硬材料陶瓷磨具的研究。

E -mail:yonggai_hou@haut .edu .cn

收稿日期:2008-09-15

(编辑:张慧)

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