BaO对CBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响 毕业论文.doc
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1、I 摘 要 陶瓷结合剂 CBN 磨具是用陶瓷结合剂(玻璃相)作为桥相将 CBN 磨料结合起来的一类磨 具。本毕业设计主要研究 BaO 对 CBN 磨具用陶瓷结合剂性能的影响,通过在结合剂中添 加不同含量 BaO,研究碱性金属氧化物 BaO 对低温烧成陶瓷结合剂性能的影响,主要包括 结合剂耐火度,流动性,膨胀系数和强度等的计算和估算,然后进行陶瓷结合剂的制备 和性能检测,实验主要包括平面流淌法测定结合剂的流动性和估算结合剂的耐火度,为 节约原料本次毕业设计通过制造普通磨具确定结合剂的最佳结合剂配方和最佳烧成温度 后再制造 CBN 磨具,通过对 CBN 磨具强度,磨具外观,断口显微结构和气孔率等的
2、检测 和分析,以及结合剂热膨胀系数与 CBN 磨具热膨胀系数的匹配性等来分析 BaO 对 CBN 磨 具用陶瓷结合剂性能的影响。BaO 的加入可以降低结合剂的耐火度,提高结合剂的流动 性。同时,BaO 的加入可提高结合剂的热膨胀系数,使磨具的抗折强度降低。 关键词:BaO 陶瓷结合剂 CBN 磨具 性能检测 II Title the influence of the CBN abrasive tools with vitrified bond when add BaO in different levels Abstract Vitrified bond CBN grinding tool i
3、s made of ceramic binder phase (glass phase) as a bridge to combine the CBN abrasive and abrasive. This graduation design is mainly research on the properties of CBN abrasive tools with ceramic bond, through adding different content of BaO in the bond, the alkaline metal oxides BaO effect on the pro
4、perties of low temperature sintering ceramic bond, including binder, refractoriness of liquidity, expansion coefficient and strength calculation and estimation, and then for the preparation of ceramic bond and performance testing, experiment flow mainly includes plane method for determining the liqu
5、idity of bond and estimate the refractoriness of binder, to save raw material of this graduation design by making ordinary grinding tool to determine the best binder formula and the optimum sintering temperature after remanufacturing CBN grinding tools, through the strength of CBN abrasive tools, ab
6、rasive appearance, fracture microstructure and porosity of detection and analysis, and thermal expansion coefficient of bond and CBN abrasive tools of matching of thermal expansion coefficient to analyze BaO effect on the properties of CBN abrasive with ceramic bond. It can reduce refractoriness of
7、bond, bond liquidity and improve the thermal expansion ,lower the flexural strength of abrasive when add BaO. Keywords : BaO vitrified bond CBN abrasive tools property testing III 目 次 1 引言 1 1.1 陶瓷结合剂 CBN 磨具的发展现状 .1 1.2 陶瓷结合剂 CBN 磨具的发展优势 .1 1.3 本课题的研究方法及意义 .2 1.3.1 本课题的研究方法 2 1.3.2 本课题的研究意义 2 2 实验 3
8、 2.1 实验仪器和药品及相关仪器的操作规程 .3 2.1.1 实验仪器及实验药品 .3 2.1.2 AL810 表操作规程: .3 2.2 结合剂的制备和相关性能的检测 4 2.2.1 结合剂的制备 4 2.3 结合剂性能的检测 6 2.3.1 结合剂耐火度及流动性的确定 .6 2.3.2 结合剂热膨胀系数的测定 9 2.3.3 抗折强度的测定 12 2.4.白刚玉磨具的制备及相关性能的检测及分析 13 2.4.1 白刚玉磨具的制备 .13 2.4.2 烧成曲线的确定 14 2.5 CBN 磨具的制造及其性能检测 .18 2.5.1 CBN 磨具的制造 18 2.5.2 CBN 磨具性能的检
9、测及其结果的分析: 20 结 论 .23 致 谢 .24 参 考 文 献 25 1 1 引言 1.1 陶瓷结合剂 CBN磨具的发展现状 立方氮化硼(CBN)和金刚石磨料作为超硬材料,以其优异的性能在磨削、切削领域 得到广泛的应用。而立方氮化硼(CBN)磨料和金刚石相比,其良好的导热性和耐热性以 及对铁族金属的化学惰性,使其应用领域得到大大的拓展 2。在立方氮化硼(CBN)的各 种超硬制品中, 陶瓷结合剂 CBN 砂轮不仅具有磨削锋利,切削力小,生产效率高,使 用寿命长,易于整形和修锐,磨削精度高等优点,而且还具有磨削时工件温度低,能 消除残余拉应力而产生残余压应力,使工件耐用度大大提高 22。
10、由于陶瓷结合剂 CBN 磨具磨削时工件表面温度低,表面产生残余压应力,可延长工件的使用寿命。因此,其 被普遍认为是高速、高效、高精、低成本、环境污染低的理想工具,也是世界各国竞 相开发的热点 1。 1.2 陶瓷结合剂 CBN磨具的发展优势 CBN是一种类似于金刚石的物质,具有较高的硬度和热稳定性,显微硬度仅次 于人造金刚石;其热稳定性要优于人造金刚石,在高温下仍能保持其足够高的力学 性能和硬度。CBN在氧气或空气的作用下会生成氧化硼:4BN+3O 2 2B 2O3 +2N2 , 在CBN表面形成保护层,能够阻止CBN在1300以下进一步氧化 2。 CBN化学稳定性好,与金刚石相比尤其好,在高达
11、11001300的温度下也不 会与铁族元素发生化学反应,因此特别适合用于加工黑色金属材料;导热系数低于 金刚石,但比硬质合金高,具有优良的导热性能;抗折强度高;作为磨具材料,使 用寿命长、耐磨性好。但是,单晶立方氮化硼具有一定的缺点,主要表现为:晶粒 尺寸小,各向异性,存在容易劈裂的解理面,脆性大,极容易发生解理破损。 CBN磨具是借助于结合剂的作用将CBN磨粒粘结成具有一定几何形状的制品。作 为一种超硬材料磨具,CBN磨具用于磨削加工,属于新兴的先进制造技术,既能用 于铁基材料的加工(具有惰铁性),也可以用于非铁金属材料的加工,在金属材料 加工领域的应用范围比金刚石磨具更为广泛。立方氮化硼磨
12、具对于黑色金属,特别 是硬度高、韧性大、高温时强度高和热传导率低的材料,具有比较好的磨削性能, 其金属磨除率是金刚石的10倍,解决了硬而韧难磨材料的加工问题。 CBN磨具用于珩磨加工和高速高效磨削,可大大提高其磨削效率,其磨削精度高, 砂轮寿命长,可减少砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。 2 由于硼硅酸盐玻璃具有热膨胀系数小,具有良好的热稳定性和化学稳定性,这 些特点与CBN优异性能相匹配,故硼硅酸盐玻璃是CBN磨具的首选结合剂。在传统的 高温型陶瓷结合剂CBN砂轮的烧结过程中,CBN磨粒极易遭受侵蚀,磨粒变成钝圆形 而降低其磨削性能,因此,虽然CBN磨具的热稳定性温度在1200
13、,但CBN磨具的实 际烧结温度在1000左右。 从微观结构来看,陶瓷结合剂CBN砂轮主要由CBN磨料、辅助磨料(也称为填充料)、 陶瓷结合剂、气孔等构成。磨粒间依靠陶瓷结合剂作为桥梁而连接,同时也依靠陶 瓷结合剂的包镶作用来保证磨粒在磨削过程中不会轻易的脱落而丧失磨削能力。目 前,国内的陶瓷结合剂CBN砂轮与国外相比,在使用性能上还存在较大的差距,一个主 要原因就在于结合剂的选择以及制备工艺。因此,在陶瓷结合剂CBN砂轮的制备中, 陶瓷结合剂的研究对于砂轮的性能具有及其重要的意义 17. 1.3 本课题的研究方法及意义 1.3.1 本课题的研究方法 本课题所要研究的问题是BaO对CBN磨具用陶
14、瓷结合剂性能的影响。可以通过配 方设计研究碱性金属氧化物BaO对CBN磨具用低温烧成陶瓷结合剂性能的影响,主要 包括耐火度、流动性、膨胀系数和强度等的计算或估算,然后进行陶瓷结合剂的制 备和性能检测,通过对其性能的检测、分析,初步了解CBN磨具用陶瓷结合剂性能 与组成之间的关系 1.3.2 本课题的研究意义 超硬材料陶瓷磨具对结合剂的性能要求主要有以下几个方面:(1)较低的耐火 度和烧成温度,以减少高温作用对超硬磨料的损害;(2)具有较高的强度,目前国内 外的磨削加工一直在向高速高效磨削方向发展,这就要求砂轮具有足够的强度,而这 则主要依靠结合剂的强度来保证,而超硬磨料的超硬性也要求结合剂具有
15、很高的强 度;(3)热膨胀系数和磨粒匹配,为了使磨料和结合剂在制造过程中受热作用时的 变化较为一致,从而保证磨料等组成和结合剂之间获得较牢固的结合,而不出现裂纹; (4)高温润湿性好,高温润湿性的好坏,直接影响结合剂和磨粒的结合状况,同时也 3 影响着对磨粒的把持强度;(5)结合剂与磨料间无明显的化学反应,为了避免化学 反应对磨粒表面的结构和性能的破坏,要求结合剂与磨粒间不存在明显的化学反应; (6)较好的导热性,结合剂具有良好的导热性,可以提高砂轮整体的导热性,从而在 磨削时可以将磨削热较快地转移,避免工件的烧伤;(7)具有良好的工艺性能,良好 的工艺性能包括具有良好的成型性能,较高的干、湿
16、坯强度,较小的收缩率,较好的 高温稳定性,较宽的烧结温度,不容易出现变形、开裂、发泡等现象 9。碱性氧化物 对CBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响,从目前国内外CBN陶瓷结合剂的研究现状来看,高 性能结合剂需满足以下条件:有较高的本征强度;结合剂耐火度控制在700800;结 合剂热膨胀系数略高于CBN磨粒的热膨胀系数,且需抑制降温过程中的相变;高温下 结合剂要有较好的流动性和对CBN磨粒有较好的润湿性 10。CBN陶瓷结合剂的耐火 度随R 2O含量的增加而降低;磨具的最佳烧结温度应根据结合剂中R 2O含量来确定,结 合剂中R 2O含量对结合剂强度有很大影响,当R 2O/(B2O3+Al2O3)的摩
17、尔比为1时,结合剂 强度最高。同时R 2O含量对结合剂热膨胀系数也有影响,结合剂的平均膨胀系数随 R2O含量的提高增加,结合剂中R 2O含量较高时,可以抑制结合剂析晶,在整个烧结过 程中结合剂的膨胀系数均匀变化 4。本课题主要是根据碱性氧化物BaO加入量的不 同,结合剂及磨具性能的变化来研究的。 2 实验 2.1 实验仪器和药品及相关仪器的操作规程 2.1.1 实验仪器及实验药品 电阻炉 万能材料实验机 热膨胀仪 电子显微镜 长方条磨具 (2866mm) 圆柱体磨具( 88mm) 研钵 药匙若干 球磨机 游标卡 尺 电子天平 刷子 筛网(40 目,20 目各一个)WA F150 糊精粉 水玻璃
18、 (水玻璃:水=1.5:1) CBN(I 型,黑色,粒度 170/200,产地:三磨所) BaCO3 硼砂 钾长石 显微镜 4 2.1.2 AL810表操作规程: 1 打开电源RAMP(自动指示灯),如果亮,关闭(按 PAR3 秒PROG 或按 ,IdlePAR6 次) 2.参数设置(所有指示灯均不亮) 先按 PAR(1 秒)后同时按LC,设 1,PARv1,第一段升温速率,/min, PARL1,第一段目标温度,PAR重复设置其他段参数最后一段设为 END,PARPL1,第一段功率(50) ,PAR其他段功率HB2000,PAR完毕。 3.启动 A/MMAN 灯亮,SV 调至 0.0按启动键
19、按,SV 中显示 20按 PAR3 秒,PV 中 显示 PROG,SV 中调(按或)为 run,按 PAR 按 A/M,关闭 MAN 灯按 PAR6 次 自动运行自动关闭 4.非正常开关机 按 PAR3 秒,PV 中显示 prog,按 SV 调至 IDLEPAR 5.其他参数设置 按 PAR3 秒prog/不管,PARSP/不管, PARTurn/Off,PARprop/5080,PARINT.T /5080,PARDER,T PARLOC/777 注:如果功率不够(升温慢) ,可按 A/M 调整。 400时可以将炉门打开一条缝,200时半开炉门,100以下时炉门全开。 80一下时方可取出试样
20、。 2.2结合剂的制备和相关性能的检测 2.2.1结合剂的制备 结合剂按烧成温度可以分为高温结合剂和低温结合剂。烧成温度低于1000的 结合剂称为低温结合剂。低温结合剂主要用于超硬磨具制造和珩磨磨石,超精磨石 等特种磨具制造。因为本课题为CBN磨具,故采用低温结合剂。磨具低温烧成的特 点为:(1)可以节能,降低烧成燃料成本。 (2)缩短了烧成周期,加快了窑的周 5 转率,提高了生产效率。 (3)可以改善磨具的质量,减少其废品率。 (3)可以减少 耐火物厚度,增加窑炉有效容积,并可延长窑炉使用寿命,或可使用低标准耐火材 料的,降低窑炉建筑费用;同时,低温烧成还可以使用质量较低的燃料进行,降低 燃
21、烧成本。 (5)可防止磨料性能因高温作用而产生的性能劣化。硼玻璃具有催融作 用,能显著降低结合剂耐火度,使结合剂桥大部分形成玻璃体。硼玻璃能增加结合 剂的流动性,润湿性,使结合剂在磨粒间分布均匀,改善了结合剂桥和磨粒间的结 合状况。含硼结合剂能溶解刚玉中更多的氧化铝进入结合剂桥内,使刚玉与结合剂 的热膨胀系数趋于一致,使结合剂桥内不易产生微裂纹,提高磨具的强度。为尽量 减少结合剂中其他成分的影响,本课题选用硼玻璃作为结合剂,硼玻璃组成为:硼 砂(59%);钾长石(41%) 18。 由于本课题所研究的是BaO对CBN磨具用陶瓷结合剂性能的影响,故选取结合剂配方 为: 表1:结合剂配方表 外加物B
22、aCO 3含 量 K2O Al2O3 SiO2 Na2O B2O3 理论耐火 度 理论抗折强 度 0# 0(0) 6.93 7.52 26.55 18.11 40.89 749 58.55Mpa 1# 5%(19.31) 6.60 7.16 25.29 17.25 38.94 747 58.13Mpa 2# 10%(38.63) 6.30 6.84 24.14 16.46 37.17 745 57.77Mpa 3# 15%(57.94) 6.03 6.54 23.08 15.75 35.56 744 57.43Mpa 本课题采用玻化法制备结合剂,玻化法制备结合剂即将干混合的结合剂加热熔 融,冷
23、却后为均匀的玻璃体,再经过粉碎成为新的结合剂的过程。其工艺流程是: 长石配料过筛熔炉急冷干燥粉碎玻化结合剂 其他结合剂原料 玻化法制备结合剂的特点是把组成结合剂的各种物料加热熔融,形成硅酸盐玻 璃相,它使各组分物料比较均匀地混合,使各种物料结构水的排除、分解氧化反应 等在熔融阶段完成。但玻化法制备的结合剂属于瘠性原料,所以配料时需加入适量 的临时粘结剂,保证成型料的成型性及坯体的湿、干强度 2。 结合剂粉碎应先研磨过40目筛后在球磨机中进行球磨,其球磨操作要求如下: % 6 0#,1#,2#,3#结合剂均采用500g球磨,料:球=1:1.5,按最多的一份料计算,每 份料磨1h,分四次,每次15
24、min(每次之间停止,打开冷却515min,防止过热炸裂) 根据罐温度确定间隔知道冷却到低温,整个过程一定不可以沾水。 2.3结合剂性能的检测 2.3.1 结合剂耐火度及流动性的确定 结合剂抵抗高温作用而不熔融的性质指结合剂的耐火性,耐火性用耐火度表示,耐火 度系指结合剂在高温作用下软化时的温度. 耐火度是陶瓷结合剂的主要性能之一,直接影响着磨具的烧成温度.在一定烧成 温度下,若结合剂的耐火度偏高,磨具烧成时烧成程度较差,结合剂与磨料粘结不牢, 磨具的硬度和强度较低,且对烧成温度波动比较敏感;若是结合剂的耐火度偏低,烧 成时液相量增多,液相粘度变小,导致磨具的硬度增加,且容易使磨具产生发泡,变
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