纳米AlN对低温陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响

纳米AlN对低温陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响第21卷第4期2009年8月超硬材料工程SUPERHARDMATERIALENGINEERINGVoL21Aug.2009纳米A1N对低温陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响侯永改,张颂,邹文俊(河南工业大学,河南郑州450007)摘要:文章探讨了纳米AIN对Na0一B0.一S10.硼硅酸盐玻璃体系陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响.在不同气氛条件下烧结的陶瓷结合剂金刚石磨具试样,利用万能压力试验机,洛氏硬度计,扫描电子显微镜等仪器,测试磨具试样的抗折强度,洛氏硬度,耐磨性,以及显微结构等.结果表明:纳米AlN含量为6wt时,结合剂的开始熔融温度为670C,比纯结合剂低1O,且烧结温度范围增大;在氩气气氛下烧成,金刚石磨具试样的抗折强度,洛氏硬度,耐磨性等,比在大气气氛下烧成磨具的均有所提高,其中折强度为60.46MPa,洛氏硬度为88;由SEM图谱可以看出,加入纳米AlN后,结合剂与磨粒间结合良好,且组织均匀.关键词:纳米AlN;低温陶瓷结合剂;金刚石磨具;结构中图分类号:TQ164文献标识码:A文章编号:16731433(2OO9)O4一O032一O4Effectsofnano-AINonstructureandperformanceoflowtemperaturevitrifiedbonddiamondtoolsHoUYonggai,ZHANGSong,ZOUWenjun(HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)Abstract:Thispaperfocusesontheeffectsofnano-A1NonstructureandperformanceoflowtemperaturevitrifiedbonddiamondtoolswithNa20一B203一SiO2borosilicateglasssystern.Byusingpressmachine,RockwellhardnesstesterandSEMetc,wetestedthebendingstrength,Rockwellhardness,wearresistantandmicrostructureofsampleswhichweresinteredatdifferentconditions.TheresultsshowthatwhenthecontentsofnanoA1Nis6wt,thebeginningmeltingtemperatureofvitrifiedbondis670C,whichisIOCdecreaseofthatofpurebond,andthesinteringrangewaswidened.Thebendingstrength,Rockwellhardness,wearresistantofthesamplesintheargonatmospherehasimprovedthanthatintheairatmosphere,thebendingstrengthandRockwellhardnessis6O.46MPaand88respectively.WefindthegoodbondingbetweenthevitrifiedbondandabrasivegrainsanduniformstructurefromSEMspectraafteraddingnanoAlNinthediamondtools.Keywords:nanoAlN;lowtemperaturevitrifiedbond;diamondgrindingtools;structure收稿日期;2009一o3一o5作者简介:侯永改(1964一),女,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.基金项目:河南省重点科技攻关项目321前言与普通磨料磨具相比,陶瓷结合剂金刚石磨具的磨削能力强,磨削温度低,磨具耐用度高;磨削时磨具的形状保持性好,加工零件的尺寸精度高;磨具自锐性好,修整间隔的时间长,修整也比较容易;磨削时不易堵塞,不易烧伤工件,可以用各种冷却液冷却.因此,在材料的磨削加工领域,陶瓷结合剂金刚石磨具具有越来越明显的优势1.由于金刚石的热稳定性较差,金刚石磨具需要在较低的温度下烧成,由于使用的低温陶瓷结合剂中往往引入大量碱性物质,在熔炼过程中容易挥发,引起制备的结合剂性能不稳定,且烧结温度范围窄,与金刚石的润湿性差,也会增大结合剂的热膨胀系数,使结合剂与金刚石的热膨胀系数相差较大,从而降低了结合剂对磨粒的把持力因此,有必要改善低温陶瓷结合剂的综合性能,从而提高金刚石磨具的应用效率.纳米AlN粉末作为一种新兴的陶瓷粉体具有下列特点E.:良好的高温强度,高断裂强度,高硬度,热膨胀系数小,在有冲击载荷的摩擦条件下,具有优良的耐摩擦磨损性能,耐热冲击性能好,界面相容性好,耐化学腐蚀性能好.因此,现在已广泛应用于电子封装材料,集成电路基板,散热器,制备高分子,金属,陶瓷基复合材料,以及电绝缘材料等领域.AlN粉末可以作为添加剂加入到各种金属或非金属中来改善这些材料的性能,可使物质的热导率提高10-50倍,此外它还具有优良的耐磨性能,可用作研磨材料和耐磨损零件.据文献报道6,将纳米AIN添加到铜基复合材料中,可以提高复合材料的致密化程度和强度,并能抑制晶粒的长大.因此,在陶瓷结合剂中添加纳米AlN,进一步改善结合剂以及金刚石磨具性能,具有一定的可行性.利用纳米AIN改善低温陶瓷结合剂的性能已进行研究,本实验主要通过试验探讨纳米AlN对陶瓷结合剂金刚石磨具性能及结构的影响规律,为纳米AlN在超硬材料陶瓷磨具中的应用提供理论依据.2实验2.1实验方案在Na.oB.o.一Sio.硼硅酸盐玻璃体系中加入纳米AlN,通过改变陶瓷结合剂中纳米AlN的含量及烧成温度,分别测试金刚石磨具试样的抗折强度,洛氏硬度,耐磨性,以及显微结构等性能指标,分析纳米AlN的添加对陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响规律,并从理论上查找原因.2.2试样制备本实验中采用自制的硼硅酸盐系低温陶瓷结合剂,添加剂纳米AIN购于安徽合肥某公司,纯度99,平均粒度为40nm.在纯结合剂(即不含纳米A1N的结合剂)的基础上添加2wt,4wt,6wt,8wt,10wt%的纳米AlN,按照表1所示的配比,制备成25mmX6mmX6mm和6mmX6mm两种金刚石磨具试样,分别在SXT型梯度炉及气氛管式电阻炉中烧成.表1陶瓷金刚石磨具试样组份配比Table1Samplecomponentofvitrifiedbonddiamondtools3结果及分析3.1纳米AlN对结合剂耐火度的影响表2所示为不同结合剂试样的温度特性.由表可以看出,随着纳米AlN含量的不同,结合剂开始熔融温度,完全熔融温度,变化温度范围明显不同,纳米AlN含量越多,完全熔融温度越高.纳米A1N的加入量为6wt时,结合剂开始熔融时的温度为670,比纯结合剂下降了10C.33耐一涨一mm性一一寺一一一一一一一一蛐蚰加娶专瑚一一一一咖m硐一一一.n一一.m纳米A1N含量不同,结合剂耐火度也有很大的差异,试样在相同的烧成温度下,烧成状态(密度,气孔率)也就不同(不同状态下的试样的性能不具有可比性,因此,下文采用完全烧结状态下的试样进行性能比较).于是,在制备金刚石磨具试样时,随着结合剂中纳米AlN在ooAlOwt间变化,金刚石磨具试样的烧成温度分别为710,720,720,720,740,750.3.2金刚石磨具的强度及硬度分析S蕊纳米AIN含量(砒%)图1大气和氩气气氛下陶瓷金刚石磨具的抗折强度Fig.1Bendingstrengthofvitrifiedbonddiamondgrindingtoolsintheairandargonatmosphere重图2大气和氩气气氛下陶瓷金刚石磨具的洛氏硬度(HRB)Fig.2Rockwellhardnessofvitrifiedbonddiamondgrindingtoolsintheairandargonatmosphere图1为大气和氩气气氛下烧成的陶瓷金刚石磨具的抗折强度变化示意图.由图可以看出,氩气气氛下烧成,金刚石磨具试样的抗折强度整体较高.对于纯结合剂金刚石磨具试样,在大气和氩气两种气氛下,其抗折强度分别为24.51MPa和24.62MPa,随着纳米A1N含量的增加,金刚石磨具的抗折强度也随34着增加,纳米A1N含量为6wt时,在两种气氛下金刚石磨具试样的抗折强度均达到最大值,分别为32.45MPa和38.77MPa,超过该含量范围时抗折强度明显下降.图2为大气和氩气气氛下陶瓷金刚石磨具的硬度变化示意图.由图可以看出,在大气和氩气气氛下烧成,纯结合剂金刚石磨具试样的洛氏硬度值分别为68和69,二者相差不大.但纳米AlN的含量对金刚石磨具的洛氏硬度影响明显,纳米AlN含量为6wt时,在两种气氛下烧成,金刚石磨具试样的洛氏硬度均达到最大值,分别为76和81,超过该含量范围时,硬度值下降.由图1和图2的分析结果可知,纳米AlN含量及烧成气氛对金刚石磨具的抗折强度与硬度有着重要影响.影响金刚石磨具机械强度的主要因素有:气孔的大小和数量,组织结构是否均匀一致,颗粒间结合是否牢固等.大量的纳米A1N易于团聚的特性及纳米颗粒的长大对磨具结构都会造成不利,且在大气气氛下纳米A1N易于氧化,生成A1.O.,提高了耐火度.适当的纳米A1N含量对磨具性能的提高是有利的,从其显微结构的变化也可以说明这一点.3.3金刚石磨具的耐磨性分析S整奎图3大气和氩气气氛下陶瓷结合剂金刚石磨具的耐磨性图Fig.3Wearresistantofvitrifiedbonddiamondgrindingtoolsintheairandargonatmosphere图3所示为大气和氩气气氛下陶瓷结合剂金刚石磨具的耐磨性图谱,由图可以看出,在氩气气氛下,随着纳米A1N含量的增加,金刚石磨具试样的耐磨性呈明显的上升趋势.在纳米A1N含量为10wt时,金刚石磨具试样的耐磨性为52.51,较纯结合剂金刚石磨具试样的耐磨性提高23.3.而在大气气氛下,纳米A1N含量在6wt时,金刚石磨具试样的耐磨性达到最大值46.27,但超过该含量后金刚石磨融&毋$为位具试样的耐磨性明显下降.在氩气气氛条件下,纳米AIN在高温下不易发生反应,当纳米AlN弥散在陶瓷结合剂与金刚石的界面上时,纳米颗粒的高表面活性,使陶瓷结合剂熔体的表面张力降低,增大对金刚石的粘结能力.而在大气气氛下,随着纳米A1N含量的变化,其氧化后颗粒状态也发生了变化,陶瓷结合剂熔体的表面张力随之发生改变,纳米AlN含量达到一定值时,金刚石磨具的耐磨性最好.3.4对金刚石磨具显微结构的分析图4所示为不同条件下金刚石磨具的SEM图.由图5(a)可以看出,纯结合剂在7o0c时已经完全玻化,且完全包裹了金刚石磨粒,但颗粒之间的空隙较大,由此,颗粒间的结合力较小.由图5(b)可以看出,虽然结合剂中添加了纳米AlN,但由于结合剂的耐火度升高,在700时还未完全玻化,结合剂的流动性差,使得磨粒周围结合剂包裹性不好,且气孔尺寸不均.由图5(c)可以看出,磨粒间基本由结合剂连为一体,且结合桥上没有明显的气孔,内部的气孔率分布均匀.由于在720时结合剂的流动性及润湿性最好,使磨粒间的接触紧密,没有明显缺陷,为金刚石磨具机械强度,耐磨性的提高提供了可能.而图5(d)中,试样内的气孔分布不均,且尺寸大小相差较大.图4不同条件下的陶瓷金刚石磨具SEM图Fig.4SEMimageofvitrifiedbonddiamondgrindingtoolsatthedifferentconditions注:(a)氩气气氛下纯陶瓷金刚石磨具700烧成;(b)氩气气氛下添116wt纳米AIN的陶瓷金刚石磨具700C烧成;(c)氩气气氛下添加6wt纳米AIN的陶瓷金刚石磨具720(2烧成;(d)大气气氛下720添加6wt纳米A1N的陶瓷金刚石磨具烧成.4结论(1)纳米AIN对陶瓷结合剂的温度特性有着重要影响.纳米A1N含量为6wt时,结合剂的开始熔融温度为670C,比纯结合剂低10C,且烧结温度范围增大;(2)在氩气气氛下烧成,金刚石磨具试样的抗折强度,洛氏硬度,耐磨性等,比在大气气氛下烧成的磨具均有所提高.在氩气气氛下,纳米A1N含量为6wt时,金刚石磨具试样的抗折强度为60.46MPa,洛氏硬度为88;(3)从SEM图分析可知,加入纳米A1N且金刚石磨具在完全烧结状态下,结合剂与磨粒间结合良好.参考文献:13侯永改,朱贺,栗政新,等.烧结温度对低温陶瓷结合剂性能的影响EJ.超硬材料工程,2008(4):14-17.2侯永改,彭进,邹文俊,等.磨PCD刀具陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究J.金刚石与磨料磨具工程,2007(6):,5154.33曾俊,瓦崇龙.陶瓷结合剂金刚石砂轮在加工PCD刀具中的优越性J.超硬材料工程,2005(4);1820.4张玉龙主编.纳米复合材料手册M.北京:中国石化出版社,2005.53曹立宏,等.氮化铝纳米粉末的氧化特性研究J.硅酸盐,1997(2):5054.6王涂根,吴玉程,等.纳米A1N颗粒增强铜基复合材料的组织与性能研究J.粉末冶金工业,2005(8):2124.35