空心玻璃微珠对陶瓷结合剂金刚石砂轮微观结构和力学性能的影响

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随着科学技术的不断进步，各种新型陶瓷、复合材料、晶体材料、磁性材料在工业领域的应用越来越广泛，但其难加工的特性制约着这些材料的推广。这些难加工材料的精密加工离不开金刚石砂轮。与树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮相比，陶瓷结合剂金刚石砂轮具有自锐性强、易于修整，磨削时不易堵塞和不易烧伤工件等特点，因此陶瓷结合剂金刚石砂轮被广泛应用于各种硬脆材料的精密加工。

气孔是陶瓷结合剂金刚石砂轮的重要组成部分，其大小和气孔率的高低对砂轮加工性能有重要的影响。砂轮的气孔孔径和气孔率可以通过添加不同种类和含量的造孔剂控制，常用的造孔方法主要有两种:一种方法是在磨具中引入造孔剂，如精萘、苯酚树脂、碳粉或铵盐等，这些物质在高温下分解并产生气体，进而在磨具中留下气孔；另一种方法则是添加空心球，如空心玻璃微珠或氧化铝空心球。由于这些空心球熔点相对较高，烧结时不会被分解，进而在砂轮节块中留下封闭可控的气孔。第一种造孔方法难以控制孔径大小，第二种方法的气孔率和孔径大小均可控。

陈卫东等研究了不同造孔剂对陶瓷结合剂CBN砂轮性能的影响，发现造孔剂含量越高，结合剂强度的下降幅度越大，但氧化铝空心球和空心玻璃微珠造孔剂对结合剂强度影响较小。刘一波等采用不同无机铵盐作为陶瓷结合剂CBN砂轮的造孔剂，发现NH4HCO3造孔剂造孔性能最佳，气孔可调性好，大气孔数多。本课题组的Mao J.B.等使用砂糖作为陶瓷结合剂立方氮化硼磨削砂轮的造孔剂，研究发现砂糖对砂轮的气孔率、气孔形状、气孔大小以及气孔的分布都有影响。Lv X.F.等研究了聚甲基丙烯酸酯(PMMA)对陶瓷结合剂CBN砂轮性能的影响，发现可以通过添加聚甲基丙烯酸酯控制砂轮的孔径和微观结构。

为了进一步掌握使用空心玻璃微珠对陶瓷结合剂金刚石砂轮的微观结构和力学性能的影响，在一种陶瓷结合剂中添加不同含量和粒径的空心玻璃微珠，研究空心玻璃微珠的含量和粒径对砂轮的总气孔率、抗弯强度、硬度和微观结构等性能的影响。

1试验材料与方法

采用金刚石微粉、陶瓷结合剂、空心玻璃微珠、粘结剂等为原材料制备陶瓷结合剂金刚石砂轮。金刚石微粉(HFD-A，柘城惠丰钻石科技有限公司)的粒径为325/400目，陶瓷结合剂粒径20μm，其成分组成如表1所示。空心玻璃微珠(K46，3M中国有限公司)的平均粒径分别为40μm和80μm。金刚石微粉经硝酸和盐酸清洗后，在装有去离子水的超声波容器中清洗，通过制备50mm×5mm×6mm的抗弯强度试样研究空心玻璃微珠含量和粒径(40μm和80μm)对砂轮性能的影响。砂轮烧结温度700℃，保温时间2h，成型密度2.4g/cm³，详细参数见表2。

表1 陶瓷结合剂的组成(mol%)

表2 不同空心玻璃微珠含量的砂轮配方(wt%)

本试验采用万能材料试验机(QT-1166，压头的加载速度为0.5mm/min)和电动洛氏硬度计(HR-150DT，标准为HRF，初始载荷10kg，最终载荷60kg，加载时间5s)分别对砂轮的抗弯强度和硬度进行了测试。砂轮在6MPa压力下冷压成型，在干燥炉中干燥12h后放入人工智能箱式电阻炉(SGM)里进行烧结。在Zeiss Merlin高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)下观测到的空心玻璃微珠微观形貌和断面形貌见图1。图2为部分砂轮样条烧结前和烧结后的形状。

(a)微观形貌

(b)断面形貌

图1 空心玻璃微珠微观形貌和断面形貌

(a)烧结前

(b)烧结后

图2 陶瓷结合剂砂轮样条

2试验结果分析

(1)气孔率

图3为空心玻璃微珠对砂轮总气孔率的影响曲线。由图3可知，随着空心玻璃微珠质量分数的增加，两种粒径空心玻璃微珠砂轮的总气孔率均有明显升高。其原因在于空心玻璃微珠本身就是一种空心球体，才使得它能成为砂轮的造孔剂，所以空心玻璃微珠质量分数越高，砂轮中空心球体的体积和数量就越大，总气孔率自然就越高。

在空心玻璃微珠质量分数相同的情况下，细粒径空心玻璃微珠砂轮的总气孔率略高于粗粒径空心玻璃微珠砂轮的总气孔率。这是因为空心玻璃微珠质量一定，砂轮中细粒径空心玻璃微珠的总体积和数量均大于粗粒径的砂轮，所以其气孔率更高。

图3 空心玻璃微珠对砂轮总气孔率的影响

(2)抗弯强度

图4所示为添加不同含量和粒径的空心玻璃微珠对砂轮抗弯强度的影响。由图4可知，砂轮的抗弯强度与总气孔率变化趋势相反，随着空心玻璃微珠质量分数的增加，含有两种粒径空心玻璃微珠砂轮的抗弯强度均有明显降低。其原因主要有以下两点：第一，空心玻璃微珠在高温下软化呈半熔融状态，形成许多形状不规则、尺寸大小不一的微气孔，这些不规则的微气孔在砂轮中等同于微裂纹，使砂轮的抗弯强度变低；第二，随着空心玻璃微珠质量分数的增加，总气孔率也随之增高，而砂轮的抗弯强度与总气孔率本身是一对矛盾体，故抗弯强度也必然会随空心玻璃微珠含量的增加而降低。由图4还可知，在空心玻璃微珠含量不变的情况下，粗粒径空心玻璃微珠砂轮的抗弯强度略高于细粒径的砂轮。其原因主要是由于细粒径空心玻璃微珠砂轮的总气孔率高于粗粒径的砂轮的总气孔率。

图4 空心玻璃微珠对砂轮抗弯强度的影响

(3)硬度

图5为不同含量和粒径的空心玻璃微珠对砂轮硬度的影响。由图可知，硬度变化曲线规律与总气孔率变化曲线相反，与抗弯强度变化曲线一致。随着空心玻璃微珠质量分数的增加，两种粒径的空心玻璃微珠砂轮的硬度均明显下降，其原因是随着空心玻璃微珠质量分数增加，砂轮中气孔数量就越多，结合剂对金刚石颗粒的结合力和结合强度变低，砂轮硬度也就随之下降。由图5还可知，粗粒径空心玻璃微珠砂轮的硬度略高于细粒径空心玻璃微珠砂轮的硬度，其原因是由于含细粒径空心玻璃微珠砂轮的总气孔率高于粗粒径砂轮的总气孔率，其硬度就低于含粗粒径空心玻璃微珠砂轮的硬度。

(4)微观结构

图6为添加空心玻璃微珠烧结制成陶瓷结合剂金刚石砂轮的断面微观结构。由图6a可知，砂轮的微观结构中气孔分布不规律，孔径大小相差很大。其原因是在砂轮烧结过程中少量粘结剂分解以气体形式逸出，从而在砂轮中留下了形状不规则、分布不均匀的气孔。气孔主要以微小气孔居多，分布于金刚石磨粒之间的结合剂桥，在砂轮磨削过程中会起到有利作用。由图6b可知，砂轮气孔分布较为均匀，孔径大小基本相同，其原因是空心玻璃微珠造孔剂占气孔的多数，并且空心玻璃微珠的形状较规则，粒径大小大体一致，因此后者的气孔分布更均匀更有规律，气孔大小也大致相同。40μm空心玻璃微珠砂轮的金刚石磨粒出露的数量比未添加空心玻璃微珠的砂轮多，这是因为添加40μm空心玻璃微珠后，砂轮气孔数量相应增加，位于磨粒之间或磨粒与结合剂之间的气孔数量也随之增加，使包裹在金刚石磨粒周围的结合剂减少，金刚石磨粒出露数量增加。

图5 空心玻璃微珠对砂轮硬度的影响

(a)未添加空心玻璃微珠的结合剂

(b)添加8wt%、粒径40μm空心玻璃微珠的结合剂

图6 金刚石砂轮的断面微观结构

图7为添加不同含量和粒径的空心玻璃微珠砂轮的微观结构。由图可知，在空心玻璃微珠粒径相同的情况下，质量分数为8%的空心玻璃微珠砂轮的孔隙率比质量分数为4%的空心玻璃微珠砂轮的孔隙率更高。分别对比图7a、7c和7b、 7d可以看出，在空心玻璃微珠质量分数相同的条件下，细粒径空心玻璃微珠砂轮比粗粒径砂轮的孔隙率要高，这与图3所示的趋势一致。同时，四种砂轮的微观结构中均存在少量尺寸较大且形状不规则的连通性气孔，这是由于在烧结过程中部分空心玻璃微珠高温软化，使部分聚集在一起的空心球壁融合在一起，从而形成较大且形状不规则的连通性气孔。