固体自润滑多层烧结CBN砂轮制造及磨削研究----毕业论文.doc

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计 开 题 报 告固体自润滑多层烧结CBN砂轮制造及磨削研究学 院：机械工程学院 班 级：材料学生姓名：李指导教师：霍 职 称：副教授2016年4月11日设计题目：固体自润滑多层烧结CBN砂轮 （一）技术领域 本设计涉及一种砂轮，特别涉及一种固体自润滑多层烧结CBN砂轮。（二）背景技术在高性能磨削、高效深磨中，采用极高的磨具线速度(100m/s-250m/s左右)进行深磨(切深5mm-20mm)，工件给进速度也非常的高，无论对机床或磨具都提出了很高的要求。对于磨具来说，必须具有很高的抗破碎强度、很好的形状精度保持性以及尽可能高的耐用度，以减少转动时离心力的影响和缩短更换磨具所需时间。传统的陶瓷、金属及树脂结合剂磨具己不能满足高性能磨削的需要，必须采用新型的结合剂砂轮以适应高速和大切深磨。本课题的难点在于，如何形成强度高、韧性好、又耐磨的磨具，满足口益对高速、高强磨具需求。（三）设计内容本设计的目的在于设计一种固体自润滑多层烧结CBN砂轮，以解决高性能磨削、高效深磨中出现的问题。本设计的技术方案：一种固体自润滑多层烧结CBN砂轮，主要由大量的微小晶体和少量的残余玻璃相组成的复合材料构成，其特征在于：机械强度很高，能满足陶瓷结合剂高强度要求。同时通过加入助溶剂可以改善它的熔点，在相对较低的温度下有良好的流动性和润湿性，以期能够与CBN磨粒形成结合良好。如上所述的固体自润滑多层烧结CBN砂轮不仅要求结合剂的结合强度要高，而且要求结合剂本身强度要高，这样才能保证砂轮整体强度。本设计的优越性：CBN的热导率和金刚石的接近，比普通的磨料高的多，这对磨削区磨削热的转移，降低工件表面温度和减少工件烧伤非常有利。利用它优异的性能所制成的CBN磨具，特别适合于各类铁族金属材料的磨加工。（四）附图说明 立方氮化硼（CBN）球棍模型图： 立方氮化硼（CBN）是经高温高压合成，晶体结构由层状转变为立方结构，密度由2. 25g/cm3增加到3. 48g/cm3，许多性能发生了突变，立方体的cBN属于闪锌矿结构，它的空间点群为F43m，晶格参数a=3. 615，它的球棍模型图如图1-1, N原子位于面心和顶点的位置，B原子位于(1/4, 1/4 , 1/4)处。 正是它的这种结够类似于金刚石结构，所以CBN的硬度是仅低于金刚石的一种超硬磨料，但具有比金刚石优越的耐热性和对铁族金属材料的化学惰性。金刚石在500一700发生氧化反应。由于反应产生了二氧化碳气体，所以金刚石的受热破环作用会一直持续下去，直到金刚石消耗完为止。而CBN与氧或空气作用会形成氧化硼，与金刚石不同的是生成的氧化硼(Bz03)会在CBN周围形成保护层，能防止CBN在1300以下发生进一步的氧化。金刚石在1000左右容易与Fe, Co, Ni, Al和B发生反应，CBN在1050下与Al能发生反应，在1250一1300能与含Al的Fe-Ni合金发生反应。在298K温度下，金刚石的热导率为20W/(cm/K), CBN的热导率为13 W/(cm/K),刚玉的为0.35 W/(cm/K)。 CBN的热导率和金刚石的接近，比普通的磨料高的多，这对磨削区磨削热的转移，降低工件表面温度和减少工件烧伤非常有利。利用它优异的性能所制成的CBN磨具，特别适合于各类铁族金属材料的磨加工。研究状况和发展方向: 目前CBN磨具主要用于磨削加工行业，CBN磨削工具主要有:CBN砂轮、CBN刀具、CBN布磨工具及CBN复合片等。其中CBN砂轮是使用最多的一种。CBN砂轮用的结合剂主要有金属结合剂、树脂结合剂、电镀结合剂和陶瓷结合剂四种。目前国外研究制造陶瓷结合剂CBN砂轮的国家有俄、口、美、德等国。国内有郑州磨料磨削研究所、郑州白鸽股份有限公司、燕山大学等少数企业和高校在进行研究。就磨具的发展来看，与磨床的发展密不可分。目前来看国外的磨床发展主要有传统的磨床向数控磨床转变，数控磨床可实现高效、高速磨削。国外像瑞士美盖勒(MAEGERLE)公司的平面和成型磨床，使用的砂轮最高线速度为63m/s。德国保宁(BLOHM)公司生产的PROFIMAT MT系列高效率生产型强力磨床，最高磨削速度达170m/s，用于汽车转向扇齿轮等的缓进给深切(CD)精密成型磨削。应用快速点磨法的勇克(JUNKER)数控磨床，其磨削速度也达到140m/s。 因此可以说，磨床的磨削速度己成为磨床性能的显著标志，它能够带来高的生产效率，己经被生产实践所证明要适应新磨床的发展，这就需要新型的磨具来适应，无疑陶瓷磨具被寄予厚望，因此国际知名的磨料磨具公司，如法国的圣戈班(sA工NT-GOBA工N)、奥地利的泰利莱(TYROLIT)、瑞士的温特苏尔(WINTHERTHUR)及口本的株式会社(MIZUHO)等都在致力于适应高强、高速、高效的磨具研究。其中超硬材料陶瓷磨具无疑是当今的研究热点，在国内如郑州磨料磨具磨削研究所研制的陶瓷结合剂CBN砂轮，使用速度高达120m/s。己在德国绍特(SCHAUDT M工KROSA)公司制造的数控磨床上，成功地应用于轿车凸轮轴凸轮的磨削生产中，磨削效率和磨削效果均达到国外同类产品水平。宁波万福磨料磨具厂研究了高效磨头，开发CBN磨料陶瓷结合剂各种磨头，成功地应用于国内机械、模具和铸造企业的生产。虽然国内的CBN砂轮研究取得了一定的进展，但是和国外的相比还存在着巨大差距，具体表现在:1.砂轮耐用度不高，在同等条件下，磨削同一部件的所消耗的砂片数比国外的多。2.国内生产的CBN砂轮强度低，使得砂轮的线速度受到限制。国外己经开发出磨削速度达300m/s的高速砂轮，而国内大部分仍在60m/s，只有少数几个企业单位开发出超过1 OOm/s的高速砂轮。3.国内研究CBN砂轮的企事业单位比较分散，没有形成规模。4.国内生产的砂轮均匀差，对加工工件的精度有较大影响。因此开发高速、高效、高精的磨削工具将成为现代机床加工的发展趋势，伴随着我国现代工业的发展，通过引进先进的机床，对磨削工具需求的提升，研究高速高效高精度的磨削工具迫在眉睫，而对于保证磨具这些要求的无异于对结合剂的研究。CBN砂轮结合剂 一般情况下，传统的CBN磨具(固结磨具)由磨料、结合剂、和气孔三部分组成。磨具中的磨料是磨具起磨削作用的主要物质。磨具中的结合剂是粘结磨料的物质，结合齐把磨料粘结在一起，使之成为具有一定形状和强度的磨具，并使磨料在磨削过程中具有一定得自锐性。砂轮的强度主要取决于磨料和结合剂，对于高强度的磨具来讲不仅要求结合剂的结合强度要高，而且要求结合剂本身强度要高，这样才能保证砂轮整体强度。用于CBN磨料的结合剂有陶瓷、树脂、金属(烧结金属和电镀金属)三种。1.树脂结合剂CBN砂轮 最早发现使用的CBN砂轮是树脂结合剂CBN砂轮，而且目前使用量也最大。树脂结合剂CBN砂轮，以树脂为结合剂，CBN为磨料，加入一些填料，通过热压或浇铸的方法制得。树脂结合剂一般以酚醛树脂、聚酞亚胺树脂、环氧树脂、脉醛树脂、聚胺树脂等高分子有机聚合物作为粘结剂。主要用于磨削钢球、工具钢、模钢、铸铁及轴承钢的布磨，树脂结合剂CBN砂轮制造工艺简单，适用于制造复杂形状的砂轮，具有一定的弹性、自锐性好等优点。但是树脂结合剂CBN砂轮也有很多缺点，如耐热性差，易老化，导致结合剂强度下降。在磨削过程中CBN磨粒没有充分发挥作用就过早的脱落，导致砂轮不耐磨，砂轮使用寿命短，加工成本高。对于高速、高效的精密加工，由于树脂结合剂砂轮有一定弹性，所以加工精度上很难满足技术要求。2.金属结合剂CBN砂轮 金属结合剂CBN砂轮又分为电镀CBN砂轮和烧结金属结合剂CBN砂轮，电镀CBN砂轮是由基体、CBN磨粒和金属镀层组成的。磨粒的把持强度主要是靠镀层来决定的，镀层的厚薄均匀性对磨粒的把持强度都有很大的影响。电镀CBN砂轮的尺寸设计灵活，磨削热导性好，形状精度保持性和尺寸稳定性好，磨粒分布密度和暴露成度大等特点。但是电镀层厚薄均匀成度难以掌握，磨削过程中镀层易脱落，磨粒破碎等使得砂轮失去工作能力。烧结金属结合剂CBN砂轮，就是利用各种金属粉通过热压烧结的方式来进行烧结，主要应用于磨沟槽、布磨等。它的特点是结合强度高，刚性大，耐久性大，制备温度低等。但是金属结合剂CBN砂轮的气孔率低，磨削过程中产生的热很难排除，易烧伤工件表面和导致砂轮变形等。陶瓷结合剂CBN砂轮1.普通陶瓷结合剂CBN砂轮 陶瓷结合剂CBN磨具的特点陶瓷结合剂CBN砂轮本身有大量的气孔，且气孔率可调，这些气孔起到容屑排屑的作用，从而减少由于砂轮堵塞引起的磨削热，因而具有磨削热低的特点;结合剂的耐热性好，对磨粒的把持力强，耐磨性好，加工精度高，适合高速高精密磨削;磨具寿命长，磨削效率高;结合剂硬而脆，易修整，生产和修整费用适中。陶瓷结合剂也就是在玻璃结合剂中添加一些填料，常用的结合剂又分为烧熔结合剂与烧结结合剂，一般而言，烧结结合剂用于SiC类磨具，而烧熔用于刚玉类磨。对于CBN而言，由于CBN在空气中加热900 0C时易于与氧发生反应生成Bz03，所以常用低熔结合剂。一些常见的低熔结合剂如表1_lfsl。可以看出，只有粘土一针瓶类结合剂配方才满足要求。 国内早期陶瓷结合剂是以粘土、长石、石英等矿物为主要的化学成分，其中含有A1203 , Si0:外加助剂BZO:和碱金属(RZO、碱土金属(RO)及氟化物等，烧结时以玻璃相为主的硼硅酸盐体系。由于矿物成分比较复杂难控，往往对烧结制品有一定的影响，所以国内有人开始采用化学成分进行配比研究。能够应用到CBN磨具的陶瓷结合剂种类有很多，下面就是对不同结合剂种类的讨论。2. CBN陶瓷结合剂种类 常用做CBN低熔结合剂的有铅玻璃、硼玻璃、铝硼硅酸盐玻璃体系等。近年来国内也有人开始研究微晶玻璃作为CBN结合剂并取得了一定的进展。（1铅玻璃 铅玻璃在欧洲的鸟克兰、前苏联研究的比较多，铅玻璃由于含有铅，它能够起到助熔作用，对CBN有很好的浸润性，同时有助于玻璃的析晶，形成微晶从而增强了结合剂的强度。铅在高温下容易挥发，它是一种有毒的物质，因而近年来很少在有用铅玻璃做结合剂。（2硼玻璃 以硼玻璃做结合剂近年来有了长足的发展，以NazO, BzO, Si0:为基础成份的硼硅酸盐玻璃，其膨胀系数小、良好的热稳定性及化学稳定性，能够较好的满足CBN结合剂的要求。瓦崇龙，邓国发用Si02, B203, A120:为主要玻璃体系，添加助熔剂8203.碱金属氧化物(R20)、碱土金属氧化(RO)，并通过调整氧化物的含量最终确定了低温高强陶瓷结合剂的组成范围:W(Si02)为40 -60，W(A1203)为5%一15%，W(Bz03)为10%w-25% , W(R20)为2w-12%，W (R0)为5 %-20%。其中碱金属或碱土氧化物的添加能够提供游离的氧从而使得B 03转变成B04，使硼的结构由层状变为于硅氧四面体相似的三度空间架状结构。当加入量超过一定的限度时，硼氧四面体又转变为硼氧三角体，结构和性质发生改变，这就是硼反常现象。3.铝硼硅酸盐玻璃为了提高结合剂的强度，常加入一些添加剂，侯永改，王改民f9l研究了在一定粘土、长石、硼玻璃配比的结合剂中，加入不同的添加剂如铝氧粉、石英粉及滑石等对结合剂的强度将产生不同的影响，A120:加入量在5%时能提高结合剂强度，过多时反而降低。魏征等人通过研究加入。_A1z03，结合剂的强度也出现先增加后下降，如图1-2所示，他们认为加入a -A120:可有效的防止陶瓷磨具在高温烧结过程中变形，a -A120:与陶瓷结合剂中的Li-Si-。相发生反应生成LiA工(Si0 3):晶相，该晶相在陶瓷结合剂中形成的微晶玻璃相起到钉扎裂纹的作用，防止其扩散、延伸，有助于增强陶瓷磨具强度。在铝硼硅玻璃体系中也存在“硼一铝反常”现象，当硅酸盐玻璃中不存在BZO:时，A120:可代替Si0:能使折射率、密度等增大，当玻璃中存在BZO:时，同样地A120:可代替Si02，当钠硼比为4: 1时折射率出现极大值，当钠硼比大于等于1时折射率与密度显著下降。当钠硼比大小于等于1时，折射率出现极小值。 为了充分利用硼硅酸盐玻璃体系中的“硼反常现象”和“硼一铝反常现象”，配制出低熔点高强度陶瓷结合剂，研究者们通常选择以碱硼铝硅玻璃为理论研究对象，通过调整玻璃中的化学成分或外加一定量的添加剂来研究结合剂的性能变化特征。表1-2是不同含量BZO:对结合剂温度特性的影响，可以看出随BZO:含量的增加，降温性能非常明显。如果加入碱金属或碱土金属的量多，也可以降低结合剂的耐火度。4微晶玻璃结合剂微晶玻璃结合剂CBN砂轮就是通过在玻璃组成中加入晶核剂，在一定的温度下烧制成立方氮化硼制品，然后通过程序控温对立方氮化硼制品进行热处理，在磨具中形成大量均匀的微小晶体，以此来提高磨具的强度、韧性、耐磨性。微晶玻璃的膨胀系数大小，可以通过调整微晶体的种类及晶相与玻璃相的相对含量。从而使微晶玻璃结合剂的膨胀系数与CBN的相匹配，从而提高结合剂强度。（1微晶玻璃微晶玻璃(glass-ceramic)又称玻璃陶瓷，是指将特定组成的基础玻璃，在加热熔炼后进行退火处理或者是加热过程中通过控制晶化而获得，含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料或称之为复合材料。微晶玻璃的组成很大程度上决定了其结构和性能。微晶玻璃的种类繁多，按化学组成有铝硅酸盐微晶玻璃、硅酸盐微晶玻璃、磷酸微晶玻璃、氟硅酸盐微晶玻璃等;按使用性能又有高强度、耐酸耐碱、耐热冲击、低膨胀、低介电消耗微晶玻璃等;按晶化原理又有热敏和光敏微晶玻璃。（1.1微晶玻璃的形成玻璃熔体在冷却过程中，勃度急剧增大，质点来不及作有规律排列，释放出的能量较结晶潜热小，因而玻璃态物质含有较大的能量。玻璃并非处于能量最低的稳定态，而是处于介稳态，玻璃有向晶态转变的倾向。当给玻璃加热到一定温度下保温时，自由烩高的熔体向自由能低的晶体转变，玻璃结构中的原子要经过重排即析晶。从熔体或玻璃体中析出晶体一般要经过两个步骤:1)晶核的形成;2)晶体的长大.晶核的形成表明新相的形成，而晶核的长大表明新相的进一步扩展。根据成核的机理不同可分为，均匀成核与非均匀成核。均匀成核是指在单一的玻璃体母相中与外来物参与，与相界，缺陷无关的成核过程;非均匀成核是指依靠相界、结构缺陷、液相中的夹杂物、容器壁等不均匀部位成核的过程。在实际的生产过程中纯粹的均匀成核几乎是不存在，实际的成核大多数为非均匀成核。（1.2均匀成核不考虑其它物质的影响，成核过程只是熔体内部的自由能(4G)的变化引起的。假定晶核(或晶坯)为球形的，其半径为r，则核坯的自由能变化有下式表示:式中4G。一为相变过程中单位体积的自由能变量(为负值);价新相与熔体之间的界面自由能。对1一1式两边求导得出： r即为临界半径，当晶核半径小于临界半径:时，4逐渐增大，晶核不稳定，新形成的晶核易消融于母相中;当晶核半径:大于临界半径:时，4逐渐减小，并趋于稳定成为晶核;当晶核半径:等于临界半径;时，4达到最大，此时4就是临界晶核势垒4G，晶核要形成就必须跨越此势垒。（1. 3非均匀成核非均匀成核是依靠晶界、相界、或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程，非均匀成核是依附于己有界面上形成的，高能量的晶核与液体的界面被低能晶核与成核基体之间的界面所取代，这种界面的取代比界面的创生所需要的能量少，成核基体的存在降低了成核势垒，使成核较易进行。因此，生产过程中常见的都是非均匀成核。在微晶玻璃的制备中经常要加入晶核剂，常见的晶核剂有金属晶核剂，如:Cu,Au, Ag等，这类晶核剂主要用于制造光敏微晶玻璃;氧化物晶核剂，如:Ti02, ZrO,PZO:等;氟化物晶核剂，有萤石(CaF2、冰晶石(Na3A1F6、氟硅酸钠(NaZSiF6)等。有报道指出当氟在玻璃中含量大于2%-4%时，氟化物就会从热处理(或冷却过程中)从熔体中析出，成为玻璃的形核中心。因此含有氟化物的微晶玻璃一般不需要另加晶核剂。（1. 4晶体长大当晶体中的晶核稳定后，在一定的温度下和过冷度下，晶体就在晶核的基础上长大，过冷度越大，控制在成核率较大处析晶，往往容易形成晶粒多而尺寸小的细晶。5微晶玻璃的制备工艺 微晶玻璃的制备方法主要有整体析晶法、烧结法、溶胶一凝胶法。1整体析晶法整体析晶法是在在原料中加入一定量的晶核剂并混合均匀于1400 0C -1450 0C高温下熔制，均化后将玻璃体成形，经过退火后在一定温度下进行核化和晶化。整体法制备微晶玻璃适用于制备形状复杂、尺寸精确、自动化要求高的微晶玻璃，用整体法制备的微晶玻璃结构致密、无气孔、强度大;缺点是成本高、对成型机械要求高2)烧结法烧结法是将一定组成的配合料，投入到窑炉中，在高温下使配合料熔化、澄清、均化，然后淬冷到冷水中获得一定颗粒的玻璃。烧结法制备微晶玻璃的特点:(1晶相和玻璃相的比例可以任意调节;(2基础玻璃的熔融温度比整体析晶法低，能耗低;(3)微晶玻璃的晶粒尺寸容易控制，从而可以很好的控制玻璃的结构和性能;(4)由于玻璃颗粒或粉末颗粒的比表面能高，即使析晶能力差的玻璃，也可以通过表面析晶而获得较高比例的微晶体。3)溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是利用金属有机化合物或无机化合物作为先驱体，经过水解形成凝胶，再在较低的温度下烧结获得微晶玻璃。通过溶胶一凝胶法制备的微晶玻璃比整体析晶法和烧结法的制备温度都低，可以避免某些组分在高温下的分解，破坏成分组成。但是溶胶一凝胶法的生产周期长、环境污染大、成本高。另外干燥过程容易开裂。6微晶玻璃的性能 微晶玻璃的一个显著特点就是拥有极细的晶粒尺寸和致密的结构，晶相是均匀分布且杂乱无章的趋向。微晶玻璃当中，晶相和玻璃相的比例可以有很大的不同，晶相和玻璃想的比例决定了微晶玻璃的物理化学性能。1光学性能 微晶玻璃具有透明，半透明或是透过红外辐射的特性，而这一性能主要受到晶体尺寸的影响，当晶体尺寸于可见光波长时，微晶玻璃材料就是透明的。2)化学性能 微晶玻璃的化学稳定性和耐久性受结晶相的组成的影响，也受到残余玻璃相的组分和数量及两相形貌的影响。碱金属在晶相中比在残余玻璃相中稳定，总体来讲微晶玻璃比普通玻璃的化学稳定要好。3)热学性能 微晶玻璃的膨胀系数在一定范围内可调。因为膨胀系数具有加和性，可以通过调节晶体的种类、含量和残余玻璃相的相对含量来调节微晶玻璃的整体热膨胀系数。而晶化制度是影响晶相种类和数量的一个重要因素，所以许多学者利用正交试验来研究热处理工艺对微晶玻璃热膨胀性能的影响。通过实验他们发现各因子对膨胀系数的影响重要顺序为晶化温度晶化时间核化时间核化温度5一“。微晶玻璃的热学性质决定了它比普通的非晶玻璃的封接更有效，再加上它有更高的强度和良好的热震性。这使它在微电子学、电气工程等领域有广泛的应用。4)电学性能 微晶玻璃具有很高的电阻系数，是一种良好的电绝缘材料，对于微晶玻璃来说，是主要依靠离子移动导电的，而微晶玻璃具有细致致密的晶相结构阻碍了离子运动，所以微晶玻璃比普通的玻璃电阻率大，电绝缘性好。7微晶玻璃的应用 微晶玻璃具有高强度、高硬度、高耐磨;高膨胀系数、低介电消耗;高化学稳定性、绝缘性、良好的生物活性等。使得微晶玻璃具有广泛的应用。 工程领域的应用 微晶玻璃结构致密、晶体均匀、纹理清晰、具有玉质般的感观，外观平滑光亮、色泽柔和典雅、无色差、不退色;具有坚硬、耐磨的力学特性、优异的耐腐蚀性;并且不吸水、抗冻性及低的热膨胀系数和独特的耐污染性等。使得微晶玻璃在建筑装饰领域有广泛的应用。被认为是21世纪最理想的高级内、外墙及地面装饰材料。而且利用矿渣制备微晶玻璃可以减少污染、资源利用、节约成本i 9-zoo。目前，可切削的氟硅酸盐云母基微晶玻璃成为了人们研究的方向，这种玻璃可以用金属加工方法进行切削z y。同时它也有一定的强度，它的切削性是它不仅局限于工程材料，而是向着更广阔的领域发展。电子领域 微晶玻璃广泛的应用在于金属的封接上，这主要是因为可以通过控制玻璃的原始组成和热处理条件，使其膨胀系数在极其广阔的范围内变化，从而可以与各种金属的热膨胀系数匹配。其中Li20- Zn0-Si0:系微晶玻璃是研究最多的一种，这种玻璃具有组成广泛、封接温度适中、电阻高、化学稳定等特点是它广泛应用于封接zz-z3微晶玻璃具有良好的电绝缘性，优异的力学性能，因此相对于Al合金基板来说，受到冲击和弯曲压力不易变形，加上可调的热膨胀系数使它可以用作硬板基板。而且微晶玻璃基板具有更平整合光滑的表面，相对陶瓷更适合于平板薄膜技术。生物医药领域 生物微晶玻璃具有良好的生物相容性、生物活性和高的机械强度等。使得它在医药领域受到广泛关注，因为磷具有人体骨骼相容性特点，生物微晶玻璃有一个共同的特点，就是组成里含有磷元素。另外单一的生物微晶玻璃是不能够满足人骨的力学性能，要与其它材料形成复合材料才能应用z4-z8微晶玻璃结合剂研究状况 为了提高陶瓷结合剂本身的强度及结合强度，张红霞，张小福等zs研究了微晶玻璃用CBN结合剂，发现用微晶玻璃做结合剂制造的磨具与传统的玻璃结合剂相比，对CBN磨粒有更高的把持力，但是纯粹的微晶玻璃的熔化温度较高，需要在高温下才能熔融流动，而在高温时结合剂中的碱金属与CBN表面上BZO:保护层发生化学反应，会使CBN磨具的磨粒显露出来，在高温下裸露的CBN磨粒进一步氧化，从而使磨具受到腐蚀破坏z9。因此需要低熔点的微晶玻璃结合，一般要求结合剂的耐火度小于1000 0C，而微晶玻璃的熔点一般都高于1000 0C，因而如何选择低熔点的微晶玻璃体系是非常关键的。 Daniela Herman, Jan Krzos3o研究了Ca0一Mg0一1123-82o3-51:系陶瓷结合剂，从中检测到一个XYSi206型单斜辉石晶相生成。这个晶相能够提高CBN的断裂韧性和弹性模量，与商业的陶瓷结合剂相比生成细小的晶相进一步阻止了砂轮裂纹的扩展，从而提高了磨具的强度，见图1-3 0 万隆，周武艺等31用石英、长石、硼砂、铿云母等矿物为原料，萤石、硝酸钾等为晶核剂，制备了微晶玻璃粉体研究结果在等量的结合剂下，用该结合剂制作的磨具比目前使用的高速砂轮结合剂的强度高40%左右。 陶瓷结合剂CBN砂轮的研究向着低熔高强度方面发展，其中硼玻璃系结合剂能够很好的满足这些条件，所以过去国内研究者大多集中在硼玻璃的改性来达到低熔高强的目的;而近来国内外研究者大多集中在陶瓷结合剂中形成玻璃陶瓷(微晶玻璃)来提高其强度。其中的难点在于如何选择合适的微晶玻璃体系及降低它的熔点。同时还要考虑它的耐火度、高温润湿性、流动性等。9耐火度的影响 耐火度对陶瓷结合剂CBN的影响是非常重要的，我们知道如果结合剂的耐火度过高，而陶瓷CBN轮要求较低的温度下烧成(高温下结合剂中的碱金属或碱土金属易和CBN颗粒发生反应)，此时如果在低温下烧成，结合剂没有熔融流动，这样CBN磨粒就和结合剂结合的不牢固。最终影响了CBN陶瓷磨具的强度，达不到磨削和精加工的目的。除此之外耐火度过高不利于结合剂的流动性，然而如果结合剂的耐火度过低，在低温下结合剂就流动，会导致磨具变形。所以要选择合理的耐火温度，既能保证结合剂能够有良好的流动性，同时又不至于磨具的变形，因此国内大多学者对结合剂的耐火度进行了研究。程利霞、李志宏等研究了加金属AI对结合剂耐火度的影响，发现随着AI粉的增加，耐火度是升高的，当达到1 %ri101结合剂的耐火度最大，流动性最小。陈口月，刘小磐研究了氧化钠含量对结合剂的影响，发现结合剂的耐火度随Na20含量的增加而降低，氧化钠能够改善结合剂与CBN磨粒的润湿性;王鹏飞，李志宏等研究了K20对钠硅硼铝系陶瓷结合剂的性能影响，发现基础结合剂的玻璃转化温度和耐火度降低，并显著改善了结合剂的流动性。 陶瓷磨具的强度很大程度上取决于结合剂对磨粒的把持能力，在磨削过程中如果结合剂对磨粒把持力不强，磨粒脱落，这样磨具就失去了磨削的作用。因此需要提高结合剂对磨粒的润湿性，从而能够很好的提高结合剂对磨粒的把持能力。刘心宇，放敏等添加F一到R20-MO-B203-A1203-Si0:系陶瓷结合剂中，在添加5%左右时，可提高结合剂对磨料的润湿性。刘心宇等认为生成的玻璃相Na3 A1F6能够降低熔体的勃度和表面张力，从而提高结合剂的润湿性。马文阂，万隆等添加L120到硼玻璃结合剂中，能够降低结合剂的耐火度及高温下的粘度，提高结合剂和CBN磨粒之间的润湿性。10膨胀系数的影响 膨胀系数对结合剂与磨粒之间的结合好坏有直接的关系，如果结合剂的膨胀系数和CBN磨粒膨胀系数相差较大时，可能在冷却过程中发生胀裂而导致结合强度下降，磨粒脱落而起不到磨削作用，见图1-4, 1-5所示。为了改善磨粒膨胀系数，Aiju Zhang，Zhihong Li等用凝胶一溶胶的方法制备了Si02-A1203-Na20玻璃覆层，覆盖在CBN磨粒表面的玻璃层能够使得磨粒与结合剂有良好的匹配性，而且玻璃层还能起到防止磨粒进一步氧化的危害，从而增强了结合剂桥与磨粒的粘结强度。然而，M. J. JACKSON和B. M工LLS3g研究了CBN磨粒与结合剂键的微观剪切行为，发现陶瓷结合CBN砂轮的断裂原因在于结合剂桥而不是内部的结合剂桥与CBN磨粒之间的断裂。结合剂的耐火度和膨胀系数是影响陶瓷结合剂CBN砂轮的重要因素，结合剂的膨胀系数越接近于CBN磨粒的膨胀系数，这样可以避免由于比配性不好导致磨具过早受到破坏。同时如果能够控制结合剂桥的尺寸对提高结合剂的强度无疑是有利的。11烧成工艺对强度的影响 在磨具的烧成过程中，烧成工艺对其影响非常大，磨具烧成分为升温、保温和冷却。在升温过程(0-300 0C，排除干燥后剩余水，在此过程中由于温度大于120 0C，坯体产生较大的蒸汽压，易导致坯体龟裂，因此此阶段要升温慢些。高温阶段(3000C一烧成)，该阶段是结合剂本身及结合剂与磨粒之间发生一系列的物理化学变化，新生成的物相对强度影响较大。由于在480 0C -600 0C间，残余的石英发生晶形转变会产生体积膨胀，含硼类结合剂磨具在5500C-6000C度之间有一突然的膨胀峰，若升温过快会导致磨具产生裂纹，程宝珠等39认为此阶段的升温应比低温时的低。侯永改，栗正新，等研究了烧成制度对低温陶瓷结合剂的影响，在725 0C时结合主要为玻璃和少量的晶相，这种状态容易在磨粒周围均匀分布，对磨粒结合能力强。（五）具体实施方式磨具配方的确定 配方是磨具制造的必要技术条件，通过它能保证制出满足用户要求和具有良好重要性的磨具;为磨具制造规定了结合剂、磨料、润湿剂等原材料的用量及成型密度、成型压力等有关参数。磨具配方的主要内容有结合剂的用量、润湿剂用量，成型压强及成型密度磨具组织号等。 结合剂用量:结合剂的用量是在确定了磨料种类(包括混合磨料)、粒度(包括混合粒度)、结合剂种类、磨具硬度等基础上决定的。结合剂用量有两种表示方法:一种是磨料加结合剂质量总共为100份;另一种是磨料定为100份，结合剂作为外加。磨具配方中结合剂用量主要从以下几个方面考虑: 1磨具硬度:磨具硬度是确定结合剂的主要依据。通常情况下，磨具硬度越高，结合剂用量越多，这是因为，提高结合剂用量，磨粒间的结合桥变粗，相对地增大了对磨粒的固结强度，磨具硬度就高。反之，磨具硬度就小; 2)磨料的种类和粒度:不同种磨料，由于磨料本身的性质，结合剂与磨料的反应能力不同。与结合剂反应能力强的磨料，在相同硬度要求下，结合剂用量就少，反之就多些;当磨料种类一定时，不同磨料粒度在相同硬度下其结合剂用量不同，细粒度磨料的结合剂用量多于粗粒度的。因为细粒度的磨料比表面较大，需要较多的结合剂分不到各个磨料表面而达到与粗粒度相同的固结程度。 3)结合剂的种类:其它条件相同下，烧熔结合剂比烧结结合剂用量少，烧熔结合剂由于在烧成温度下几乎是玻璃相，分布均匀，结合剂对磨料润湿性好。 4)磨具成型:同一结合剂，水浇注成型比干压成型所用结合剂量多。水浇注是靠泥浆本身重力沉积而形成的。干压成型时靠压力作用压实的，组织紧密。润湿剂用量:由于磨料和结合剂都是粉体或颗粒状的物料，它们之间作用力很小，不能满足磨具成型工艺要求。因此，在磨具成型中要加入润湿剂，目的是提高成型料的成型性及压制坯体的干坯强度和润湿磨料与结合剂便于成型。常用的润湿剂是水玻璃。 成型密度:成型密度是指磨具坯体(湿、干坯)单位体积质量。常用的密度形式有模具腔体密度和成型密度，模腔体密度是成型质量除以成型模具腔体体积;成型密度是指成型湿砂轮坯的质量除以湿砂轮坯的体积。当结合剂用量一定时，适当的提高成型密度，可以使磨粒与结合剂接触面增多，颗粒间距缩短，结合剂桥相对缩短，结合剂桥的强度及结合剂结合磨料的强度增大;能够提高磨料表面与结合剂的反应能力;成型密度越高，组织结构越紧密，磨具硬度就高。 成型压强:在定压成型的磨具配方中，成型压强是预定值，用以调整配方硬度的高低。成型压强越大，成型密度就大，获得组织较致密，硬度就大;反之硬度就小。在定密度成型配方中，成型密度是按照磨具组织号来确定的。成型压强是个参考值，往往不予考虑。 磨具组成:一般情况下，磨具(固结磨具)由磨料、结合剂和气孔组成。磨料是构成磨具的主要原料，是磨具起磨削作用的主要物质。结合剂是磨具中粘结磨料的物质，它把磨料粘结在一起，使之成为具有一定形状和强度的磨具，并使磨粒在磨削过程中具有一定的自锐性。气孔率对于磨具来讲是必不可缺的组成部分，高的气孔率，可以起到容屑排屑的作用，从而减少由于砂轮堵塞引起的磨削热，因而具有磨削热低的特点。但如果气孔率高的话，其强度势必会低，然而国外己经研制出高气孔率、高强度的磨具。在我国，是以磨粒率来划分磨具组织的。超硬材料磨具是以浓度表示的，即磨具超硬材料层中单位体积内超硬磨料的含量。 磨料是在磨具内其主要磨削作用的，因而磨料的疏密程度决定了磨具的性能，磨粒在磨具中所占体积百分比称为磨粒率。磨粒率的高低，决定着磨削区间内单位体面积磨具上参与磨削的磨粒数，因而很大程度上影响着磨具的磨削性能和质量。 本实验中按图5-1进行磨具式样的制备，磨料采用A ( F150)和CBN( F140/170润湿剂用水玻璃，粘结剂用糊精粉，采用定密度成型。磨具试样的结构和性能分析 图5-2，为不同温度3#结合剂加WA烧结试样的物理性能，从图中可以看出体积密度先升高后下降，收缩率与气孔率则先下降后升高，与体积密度保持一致。图5-3为800 0C下不同配方加WA(白刚玉)与cBN(立方氮化硼)烧结试样的强度曲线，从中可以看出WA的试样在8500C出现了最大值25.9MPa。而含cBN的式样强度整体上是升高的趋势，然而它的最高强度在900 0C时只有20MPa左右，因而强度较低。图5-4为含cBN的磨具式样T视显微图，图5-5为含WA的T视显微图。从图5-4和5-5中可以看到微晶玻璃与cBN和WA的结合润湿性比较差，而且结构较疏松，结合齐对磨料的包裹性差，这些都导致磨具试样整体强度不高。在500 0C时达到最大，可能是由于石英晶形转变引起的，随着温度升高，其膨胀系数迅速下降。因而在强度上也表现为升高，如图5-3所示。但是膨胀系数总体上变化较大，导致结合剂与磨粒由于热膨胀系数不匹配而导致强度下降，因而强度还远远达不到要求。为了改善结合剂强度，我们采取措施是加入低熔点的物质。加入填料 为了改善微晶玻璃的性能，我们尝试加入填料，期望在微晶玻璃与磨料之间有一过渡层，靠填料与磨料之间形成物理化学结合，从而具有良好的润湿性，最终提高结合剂强度，用微晶玻璃的强度来提高结合剂的强度。加入硼酸 在3#配方的基础上适当的增加硼酸，进一步降低温度，期望提高磨具的强度。在3#配方的基础上分别添加0% (3#), 5% (B1), 11%(B2), 15%(B3)(质量分数)的硼酸。在原有3#配方的的基础上改变硼酸和石英的含量来进一步改善结合剂性能，按图5-1的方法制作试样。磨料采用WA(F150)，磨料与结合剂的配比为65:35质量分数比)，糊精为粘结剂，水玻璃为润湿剂。 图5-7是在8500C下不同配方加WA烧结试样的抗折强度，从中可以明显看到B2配方的抗折强度有了明显的提高。6.4.2加入低熔点的硼玻璃，图5-8是3#结合剂的基础上添加低熔点的硼玻璃后，在不同的温度下烧结后，测得的强度曲线图，未添加前，强最高度值不到26MPa，见图5-3。再添加后发现结合强度，有了明显的提高最高达到53.61MPa。这说明3#微晶玻璃结合剂与磨料的润湿性差，膨胀系数差别大，经过加入低熔点、低膨胀系的硼玻璃后，改善了结合剂的润湿性及膨胀系数。所以结合强度提高的非常明显。