CN103395996A - Cbn 磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法 - Google Patents

Cbn 磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法 Download PDF

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杨兴化
白建光
刘艳
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Abstract

一种CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，采用SiO255-70%,Al2O35-20%,B2O35-15%,Na2O3-7.5%,K2O0.1-2%,Li2O1-6%，ZnO1-3%,CaO0.5-2%,MgO0.5-2%等氧化物作为玻璃陶瓷结合剂熔制原料，采用高温熔融，水淬的方法得到组成均一的玻璃陶瓷结合剂。通过在原料中加入氧化硼和氧化钠以降低结合剂软化温度，同时加入适量氧化锂，以保证结合剂烧结过程中析出低膨胀锂辉石晶体，使得玻璃陶瓷结合剂热膨胀系数降低，机械强度和化学稳定性提高。本发明的结合剂相比较传统的磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，具有熔制温度低，软化温度低，析晶控制方便，而且制得的玻璃陶瓷结合剂具有较低的热膨胀系数，较高的化学稳定性和机械强度。

Description

CBN 磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法
技术领域
本发明磨料结合剂的制造技术，特别涉及一种用于CBN磨粒（制备CBN磨具）结合剂的制备方法。
背景技术
CBN（立方氮化硼）磨粒显著的特点是高硬度，仅次于金刚石，具有优越的铁族材料加工性能，在磨削领域有着广泛的应用。各种CBN磨具广泛应用于机械加工，金属材料成型磨削和精密加工等领域。以CBN磨粒制备的磨具具有如下优势：高的金属磨削效率，大的磨削比，耐磨性好，自锐性好，精磨时工件表面加工精度高，成型磨削时具有较高的磨削效率，表面加工质量好。
虽然CBN磨料具有许多优点，但由于CBN磨料在高温下（850℃以上时）容易与空气中的氧气发生反应，生成三氧化二硼和氮气，磨粒表面因为氧化损耗而钝化，严重时甚至丧失加工性能。
通常满足CBN磨粒用的低温玻璃陶瓷结合剂由于引入大量的碱金属和碱土金属氧化物而使其线膨胀系数大幅度上升，与CBN磨粒的膨胀系数相差过大。这使得CBN磨具在制备和使用过程中，在磨料和结合剂之间产生热应力而出现裂纹，大裂纹的出现，降低了结合剂对CBN磨粒的结合强度，磨粒容易在高速磨削过程中脱落，增加成本，砂轮使用寿命下降。
铝硼硅玻璃体系中含有硅氧四面体、硼氧三角体和硼氧四面体网络，硼氧网络中硼元素为+3价，因此如果没有额外多余的碱金属离子存在则只会以硼氧三角体形式存在，无法与硅氧四面体相互连接成连续网络，因而大幅度降低玻璃稳定性，并提高玻璃线膨胀系数。
但如果利用玻璃中的硼反常理论，通过调整铝硼硅玻璃成分中Na2O、K2O、Li2O与B2O3氧化物的摩尔比，可以将硼氧三角体转变为硼氧四面体，因而使得其与硅氧四面体连接成连续的玻璃网络，提高玻璃的化学稳定性并降低玻璃热膨胀系数，同时因为大量的硼氧四面体和碱金属离子的存在可以大幅度降低玻璃的软化温度，实现玻璃的低软化点、低膨胀与高强度。
低碱铝硼硅系玻璃在含有少量的锂离子的条件下，因为Li+半径较小，在玻璃网络中较为容易迁移，可以与Al3+一起取代部分Si4+，于软化温度之上析出锂辉石晶体；由于基础玻璃是低熔点铝硼硅玻璃，因此析晶温度较一般锂铝硅玻璃析晶温度低，析出的晶体具有极小的晶粒尺寸（1-10μm），因此赋予了铝硼硅玻璃极其优越的性能，锂辉石晶体具有低膨胀、高强度、高硬度以及高耐磨性等优越的物理性能，因此可以进一步降低铝硼硅系玻璃的热膨胀系数，并提高其强度；通过调整原始玻璃组成和热处理制度则可以调节低熔点铝硼硅系玻璃的具体热膨胀系数，使其达到预期所希望得到的物理化学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备低熔点、高强度和低膨胀系数的铝硼硅系玻璃结合剂的方法，同时将微晶相的优势应用到玻璃陶瓷结合剂中，这种玻璃陶瓷结合剂对CBN磨粒具有良好润湿性，在空气炉中即可制备，可显著提高CBN磨具的加工性能。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）按重量百分比：55-70%SiO2、5-20%Al2O3、5～15%B2O3、3-7.5%Na2O、0.1-2%K2O、1-6%Li2O、1-3%ZnO、0.5-2%CaO、0.5-2%MgO配料，混合均匀；
（2）混合料于600-850℃预烧；
（3）预烧后的粉料于1250-1400℃熔制，水淬；
（4）干燥后粉碎成玻璃粉；
（5）玻璃粉于680-780℃烧结析晶，冷却后得到含锂辉石微晶的玻璃陶瓷结合剂。
上述方法中，按重量百分比，优选原料配比为：60%SiO2、15%Al2O3、12%B2O3、4.8%Na2O、1%K2O、2.2%Li2O、3%ZnO、1%CaO、1%MgO。
所述混合采用湿法球磨，采用转速为400r/min的QM-ISP2行星式球磨机，料球质量比为1:3，球磨时间为1-3小时。
所述的预烧保温1-2h。熔制保温1-3h。
所述的熔制中使用的坩埚为刚玉坩埚。
相比较传统的磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，本发明方法所得结合剂的优点是：
1、采用高温熔制水淬法制得低熔点玻璃陶瓷结合剂，其熔制温度为1250-1400℃，烧结析晶温度为680-780℃，热膨胀系数为3.5-5.8×10-6/℃，CBN磨具弯曲强度达到60-100MPa。
2、为CBN磨具提供了一种软化温度低（低于800），强度高，热膨胀系数低，析晶控制方便，低温烧结时有锂辉石晶相析出的玻璃陶瓷结合剂，满足CBN磨具低温烧结要求且具有与CBN磨粒有相匹配的热膨胀系数。采用该结合剂得到的玻璃陶瓷结合剂CBN磨具强度高，可以满足CBN磨具高速磨削的要求。
具体实施方式
本发明采用常规的化学原料和常规的熔融水淬法进行制备，在保证熔制出的玻璃具有较低的软化温度的前提下，通过调整玻璃成分中B2O3和Na2O，K2O，Li2O等氧化物的质量百分比含量及B2O3与碱金属氧化物的摩尔比，从而使锂铝硅玻璃具有低软化温度的同时还具有低热膨胀系数和较高的机械强度等优越性能；同时作为CBN磨具用玻璃陶瓷结合剂时，通过在软化温度之上烧结保温能够析出细小的锂辉石微晶，进一步降低玻璃的热膨胀系数并同时提高玻璃机械强度，实现提高CBN磨具加工性能的目的。
以SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、Li2O为玻璃的基础成分，同时在玻璃成分中引入CaO，MgO，ZnO等氧化物，其中Al2O3摩尔百分比含量高于氧化硼含量，以保证玻璃具有较低的软化温度同时具有良好的化学稳定性。原料混合采用湿法球磨，采用转速为400r/min的QM-ISP2行星式球磨机，料球质量比为1:3，球磨时间为1-3小时，使玻璃原料充分混合，减少高温玻璃熔制时的离子扩散时间，提高玻璃液均匀程度。在1250-1400℃下熔融成玻璃溶液，水淬，干燥，粉碎，即可得到结合剂玻璃粉。采用粉末烧结的方法即可使玻璃粉析出细小的锂辉石微晶，其烧结析晶温度为680-780℃。
本发明铝硼硅玻璃结合剂组成配方详见表1。主要制备工艺详见表2。析晶处理温度其性能测试结果详见表3。
表1
SiO2 Al2O3 B2O3 Na2O K2O Li2O ZnO CaO MgO
实施例1 55 15 14 7.5 1 3.5 2 1 1
实施例2 58 15 12 6 2 3 2 1 1
实施例3 60 15 12 4.8 1 2.2 3 1 1
实施例4 65 10 8 7 1 3.5 3 1 1.5
实施例5 70 8 6 6 0.5 4 3 1 1.5
实施例6 70 10 8 5 0.5 3 1 1 1.5
表2
Figure BDA00003600710400041
表3
Figure BDA00003600710400042
以优选实施例3为例，本发明的CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的具体制备过程为：
按照配方称取铝硼硅玻璃各组分，经过球磨均匀混合后，首先在735℃预烧1.5h使碳酸盐充分分解，随后在1320℃的高温炉中熔融1.5h，经过水淬，干燥，研磨，过1000目筛，可制得软化温度为680℃的玻璃粉，该玻璃粉作为CBN磨具用结合剂时，经过720度析晶烧结即可良好的润湿CBN磨粒，并与此温度下析出锂辉石微晶体，从而成为一种低熔点，低热膨胀，高强度的玻璃陶瓷结合剂。其热膨胀系数为4.45×10-6/℃，与CBN磨粒的热膨胀系数3.5×10-6/℃相匹配。由该玻璃陶瓷结合剂制得的CBN磨具其抗弯强度为76.4MPa，满足CBN磨具高速磨削要求。

Claims (5)

1.一种CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）按重量百分比：55-70%SiO2、5-20%Al2O3、5～15%B2O3、3-7.5%Na2O、0.1-2%K2O、1-6%Li2O、1-3%ZnO、0.5-2%CaO、0.5-2%MgO配料，混合均匀；
（2）混合料于600-850℃预烧；
（3）预烧后的粉料于1250-1400℃熔制，水淬；
（4）干燥后粉碎成玻璃粉；
（5）玻璃粉于680-780℃烧结析晶，冷却后得到含锂辉石微晶的玻璃陶瓷结合剂。
2.如权利要求1所述的CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，按重量百分比，优选原料配比为：60%SiO2、15%Al2O3、12%B2O3、4.8%Na2O、1%K2O、2.2%Li2O、3%ZnO、1%CaO、1%MgO。
3.如权利要求1所述的CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述混合采用湿法球磨，采用转速为400r/min的QM-ISP2行星式球磨机，料球质量比为1:3，球磨时间为1-3小时。
4.如权利要求1所述的CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述的预烧保温时间1-2h。
5.如权利要求1所述的CBN磨具用铝硼硅系低熔点玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述的熔制中使用的坩埚为刚玉坩埚，熔制保温时间1-3h。
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