氧化鈦對陶瓷結合劑金剛石磨具性能及結構的影響

肖 攀，張 松，劉旭輝

(珠海市巨?？萍加邢薰?，廣東珠海 519100)

1 前言

磨具的三要素是磨粒、結合劑和氣孔。磨粒是構成磨具的主要原料，起磨削作用的主要物質;結合劑是磨具中粘結磨粒的物質，使之具有一定的強度和形狀，并使磨粒在磨削中具有一定的自銳作用;氣孔在磨削過程中具有容屑、排屑和增強散熱的作用［1］。陶瓷結合劑金剛石磨具具有形狀保持性好、鋒利且穩定性好等特性，因此在石油復合片聚晶、PDC刀具、硬質合金諸多領域中被廣泛應用［2-4］。在磨具的磨削過程中，陶瓷結合劑對磨粒的把持力是影響陶瓷結合劑金剛石磨具性能的關鍵因素。

陶瓷結合劑金剛石磨具需要在較低的溫度下燒成，由于結合劑中往往引入大量堿性物質，導致與金剛石的潤濕性差，也會增大結合劑的熱膨脹系數，使結合劑與金剛石的熱膨脹系數相差較大，從而降低結合劑對磨粒的把持力［5］，因此有必要從陶瓷結合劑的性能改善入手，進而改善陶瓷結合劑金剛石磨具的性能。

陶瓷結合劑又可以稱為玻璃結合劑。而氧化鈦是微晶玻璃中應用最廣泛的晶核劑之一，在許多不同組分的微晶玻璃中都是行之有效的［6］。氧化鈦加入到微晶玻璃中形成微晶有助于降低玻璃的熱膨脹系數，提高玻璃本身的強度［7］。因此，在陶瓷結合劑中添加氧化鈦晶核劑有助于微晶的形成，進而改善陶瓷結合劑的性能從而使陶瓷結合劑金剛石磨具性能的改善具有一定的可行性。雖然氧化鈦對微晶玻璃的結構與性能影響的研究已經比較深入，但氧化鈦對陶瓷結合劑結構與性能的影響的研究還未見文獻報道，本實驗主要探討氧化鈦對陶瓷結合劑金剛石磨具性能及結構的影響規律，為氧化鈦在超硬材料磨具中的應用提供理論依據。

2 實驗

2.1 實驗方案

在Li－B－Al－Si系陶瓷結合劑中加入晶核劑氧化鈦，通過改變陶瓷結合劑中氧化鈦的含量，測試其對陶瓷結合劑金剛石磨具的完全燒結溫度的影響。在陶瓷結合劑金剛石磨具試樣完全燒結的情況下，分別測試金剛石磨具試樣的抗折強度、洛氏硬度、氣孔率，以及顯微結構等性能指標，分析氧化鈦的添加對陶瓷結合劑金剛石磨具結構與性能的影響規律，并從理論上查找原因。

2.2 試樣制備

本實驗采用自制的Li－B－Al－Si硅酸鹽系陶瓷結合劑，氧化鈦為分析純，購于西隴化工。在純結合劑(即不含氧化鈦的結合劑)的基礎上添加純結合劑質量的 0.5wt%、1wt%、1.5wt%、2wt%、2.5wt%的氧化鈦，先將結合劑與氧化鈦在行星球磨機中混合均勻，制備成新的結合劑，然后按照表1所示的配比，制成30mm×6mm×4mm和Φ20mm×6mm兩種金剛石磨具試樣，在馬弗爐中燒結。

表1 陶瓷金剛石磨具試樣組份配比Table 1 Sample component of vitrified bond diamond tools

3 結果與分析

3.1 氧化鈦對最佳燒結溫度的影響

本實驗以陶瓷結合劑磨具試樣能夠燒結并且不起泡變形的最高溫度為完全燒結溫度。在此溫度下燒結出來的陶瓷結合劑磨具的燒結狀態最好，其硬度及強度最好，最能反映陶瓷結合劑的性能，因此本實驗以完全燒結溫度下的陶瓷結合劑金剛石磨具為討論對象。由表2中可以看出，隨著氧化鈦含量的增加，陶瓷結合劑磨具的完全燒結溫度逐漸下降，當添加量為2.5wt%時，完全燒結溫度下降了60℃。當添加量為0.5wt%時，陶瓷結合劑磨具的完全燒結溫度下降了20℃，即陶瓷結合劑的耐火度下降了20℃。說明氧化鈦對陶瓷結合劑金剛石磨具的燒結溫度有著顯著影響。

表2 不同氧化鈦含量陶瓷結合劑磨具的完全燒結溫度Table 2 The best sintering temperature of different titanium oxide content(℃)

3.2 金剛石磨具硬度及抗彎強度的分析

圖1為完全燒結時不同氧化鈦含量的陶瓷磨具硬度變化圖。由圖中可以看出，氧化鈦的加入能夠提高陶瓷結合劑磨具的硬度，但是提高不明顯。隨著氧化鈦含量的增加，陶瓷結合劑磨具的硬度呈下降的趨勢。當加入量為0.5wt%時，硬度達到最大值，洛氏硬度為122HRE。

圖1 陶瓷金剛石磨具的硬度Fig.1 Rockwell hardness of vitrified bond diamond grinding tools

圖2為完全燒結時不同氧化鈦含量的陶瓷磨具抗彎強度變化圖。由圖中可以看出，氧化鈦的加入會降低陶瓷結合劑磨具的抗彎強度，且隨著加入量的增加呈快速降低的趨勢。因此從抗彎強度的角度看，陶瓷結合劑中氧化鈦的添加量不宜過多，否則其抗彎強度會降低太多，從而影響陶瓷結合劑磨具的安全性能及磨削性能。

圖2 陶瓷金剛石磨具的抗彎強度Fig.2 Bending strength of vitrified bond diamond grinding tools

綜上所述，氧化鈦作為晶核劑的加入有利于提高陶瓷結合劑金剛石磨具的硬度，但是提高不明顯。氧化鈦作為晶核劑的加入會降低陶瓷結合劑金剛石磨具的抗彎強度，且抗彎強度隨加入量的增加快速降低，因此氧化鈦的添加量應小于1wt%。

3.3 對金剛石磨具顯氣孔率及微觀結構的影響

圖3為完全燒結時不同氧化鈦含量的陶瓷結合劑金剛石磨具的顯氣孔率變化圖。由圖中可以看出，顯氣孔率隨氧化鈦的加入出現先減小后增大的趨勢。但是顯氣孔率變化不明顯，因此晶核劑氧化鈦對陶瓷結合劑金剛石磨具的顯氣孔率影響不大。

圖3 陶瓷結合劑金剛石磨具的顯氣孔率Fig.3 Porosity of vitrified bond diamond grinding tools

圖4為300倍的陶瓷結合劑金剛石磨具的二次電子圖像。從圖中可以看出，無論添加氧化鈦晶核劑與否，結合劑橋中都有許多封閉的小氣孔。添加氧化鈦含量 1.5wt%，2wt%，2.5wt%時較添加 0、0.5wt%、1wt%時，其貫通的大氣孔明顯增加，這也是其抗彎強度大幅下降的主要原因之一。從結合劑對金剛石的包裹狀態來看，結合劑都能對金剛石進行有效的包裹。從斷口的斷裂面來看，基本都是從結合劑橋斷裂，說明了金剛石－結合劑－金剛石的結合中，結合劑的強度較結合劑與金剛石的結合強度低，也從側面證明了結合劑對金剛石進行了有效的包裹與結合。

圖4 300倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的顯微結構圖Fig.4 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 300×

圖5為500倍的陶瓷結合劑金剛石磨具的背散射電子圖像。從圖中可以看出，不添加氧化鈦晶核劑的結合劑橋中沒有微晶的生成。而添加氧化鈦晶核劑的結合劑橋中都生成了數量較多的微晶，但是微晶的數量并沒有隨晶核劑的增加而增加，而是沒有明顯的變化。氧化鈦晶核在玻璃中的成核機理可能為氧化鈦先與其他RO類型的氧化物一起從硅氧網絡中分離出來(分液)，并以此為基礎，形成晶核，從而促使玻璃微晶化［8］。而結合劑中的RO類型的氧化物是形成陶瓷結合劑的關鍵組分，在陶瓷結合劑的網絡結構中起補網的作用?；诖丝梢耘卸ㄔ诒緦嶒灥慕Y合劑中，氧化鈦成核所需的RO氧化物不足或RO氧化物優先進入玻璃網絡，從而導致陶瓷結合劑的網絡強度下降，形成的微晶數量沒有繼續增加。因此，在Li－B－Al－Si硅酸鹽玻璃體系中加入氧化鈦時應同時加入一定量的RO氧化物。

圖5 500倍添加不同氧化鈦含量的金剛石磨具的BSE圖Fig.5 Micro structure of diamond grinding tools with different titanium oxide content at 500×

4 結論

(1)氧化鈦對陶瓷結合劑金剛石磨具的燒結溫度有著顯著影響。當氧化鈦含量為0.5wt%時，完全燒結溫度下降了20℃。

(2)氧化鈦作為晶核劑的加入有利于提高陶瓷結合劑金剛石磨具的硬度，同時會降低陶瓷結合劑金剛石磨具的抗彎強度。為減少陶瓷結合劑金剛石磨具的抗彎強度下降，氧化鈦的添加量應小于1wt%。

(3)從SEM二次電子圖可以看出，加入氧化鈦的陶瓷結合劑與金剛石的界面結合很好。從SEM背散射電子圖可以看出，結合劑中的微晶數量沒有隨氧化鈦的增加而增加，其數量沒有明顯變化，因此在加入晶核劑的同時應加入一定量的RO氧化物。