低熔结合剂的熔炼.doc

金刚石和CBN磨具低熔陶瓷结合剂的熔炼
李印江
金刚石和CBN磨具的陶瓷结合剂与刚玉、碳化硅磨具的陶瓷结合剂不同，其主要区别在于刚玉、碳化硅磨具的陶瓷结合剂耐火度大多在1000℃以上，制品的烧成温度在1300℃左右；而金刚石和CBN磨具陶瓷结合剂的耐火度一般在600℃～900℃，制品的烧成温度在1000℃以下。其主要原因在于CBN磨料在1000℃左右开始氧化而金刚石在空气中加热到700℃以上时也就开始氧化。所以人造金刚石用的陶瓷结合剂耐火度约在600-700℃，CBN用的陶瓷结合剂的耐火度约800-900℃。相对于刚玉、碳化硅磨具陶瓷结合剂的高耐火度而称低熔结合剂。
刚玉、碳化硅磨具的陶瓷结合剂多是配制而成，只有少数一两种原料像硼砂玻璃、硼硅玻璃等是经过熔炼的，其他如粘土、长石、石英、滑石等矿物原料都是直接配入结合剂中，它们在1300℃左右的高温烧成时能很好的熔合或烧结；而金刚石和CBN磨具的低熔陶瓷结合剂都是经过熔炼的，其主要原因是组成结合剂的原料熔点差别比较大，低温烧成时不能很好的熔合，如SiO2 熔点1710℃、Al2O3 熔点2050℃、ZnO熔点1975℃、Fe2O3 熔点1560℃、MgO熔点2800℃、TiO2 熔点1640℃，这些原料的熔点都在1500℃以上；而低熔点原料，如Na2CO3 熔点852℃、K2CO3熔点891℃、Li2CO3 熔点618℃、H3BO3 熔点185℃、PbO 熔点888℃，这些原料的熔点都在900℃以下；这些高熔点原料与低熔点原料的混合在1000℃ 以下的烧成温度下是很难充分融合的，同时这些原料的比重也有很大差别，机械混合容易偏析，如PbO的比重9.5， Fe2O3 的比重5.1， TiO2 的比重4.26， Al2O3 的比重4；而K2CO3的比重是2.29、Na2CO3 的比重是2.5，Li2CO3 的比重是2.1、H3BO3 的比重是1.45；同时K2O、Na2O、 Li2O等是以碳酸盐形式引入的，B2O3是以H3BO3或Na2B4O7·10H2O 形式引入的，它们在加热过程中或者分解出气体，或者分解脱水，这些过程的存在对烧成是有严重影响的，容易引起发泡或破坏制品的结构，但是分解、脱水的过程可以放在结合剂熔炼中解决，这也是低熔陶瓷结合剂需要事先经过熔炼的必要性。
金刚石和CBN磨具低熔陶瓷结合剂的熔炼可以使用坩锅炉，坩埚炉的一般结构见图1 ，但现在熔炼低熔陶瓷结合剂的坩埚炉多大使用硅钼棒元件电加热，容量也比较小，一般1～2Kg, 其结构视图见图2 ，某厂生产的坩埚炉外形图见图3。熔炼低熔陶瓷结合剂的坩埚材质可以是刚玉的，也可以用石英的或高铝的，底部有一个20mm左右的小孔，装料前用塞子堵住，熔炼后捅开塞子熔化的结合剂流入下面的水槽中水淬，水淬后的原料便于粉碎。
图1 大型坩埚炉

图2 单埚坩埚炉

图3 坩埚炉外形图
低熔陶瓷结合剂的配合料事先在球磨机中混合1～2 h, 过筛后装入坩埚熔炼，加热后大约300～400℃就有气体放出，700～800℃原料激烈分解，防止熔化后的结合剂溢出应保温20～30 min, 待熔液平静后再继续升温，最终温度约1200～1400℃再保温20～30 min即可出炉。
低熔陶瓷结合剂的另一种熔炼方法是用无孔坩埚装料后放入烧成用的普通高温炉中（图4）按曲线熔炼，熔炼后夹出坩埚将熔化的结合剂倒入水槽中水淬。这种方法因为不易观察炉内情况，所以要注意熔炼过程，不要让熔化的结合剂溢出，损坏高温炉。
图4 高温烧结炉
也有一种习惯的方法是低熔陶瓷结合剂熔炼后不经过水淬而将熔块直接粉碎，当然这样粉碎过程稍微繁杂一些。
以下给出几个可以参考的金刚石和CBN磨具低熔陶瓷结合剂的配方，以供参考：

1， SiO2 50.60%+Al2O3 20.80%+B2O3 13.64%+(K2O+Na2O) 9.15%
+Li2O 2.21%+(CaO+MgO) 3.54%
2， SiO2 66.2% +Al2O3 8.8% +B2O3 12.04% +Na2O 9.4%
+Li20 3.53%
3， PbO 45%+ ZnO 12.5%+ B2O3 30%+ SiO2 12.5%
参考文献
1, 吕智等 CBN磨具用玻璃结合剂的结构与性能研究 金刚石与磨料磨具工程 2007(1)
2, 马文閔等 Li2O对CBN砂轮结合剂性能的影响 金刚石与磨料磨具工程 2006(5)

摘要：人造金刚石用的陶瓷结合剂耐火度约在600-700℃，CBN用的陶瓷结合剂的耐火度约800-900℃。金刚石和CBN磨具的低熔陶瓷结合剂都是经过熔炼的，其主要原因是组成结合剂的原料熔点差别比较大，比重也有很大差别，它们在加热过程中或者分解出气体，或者分解脱水，容易引起制品发泡或破坏制品的结构，但是分解、脱水的过程可以放在结合剂熔炼中解决。
作者简介：
李印江 长期从事固结磨具的研究和生产，目前主要作金刚石和CBN磨具低熔陶瓷结合剂制品的研究。 E—mail au588@