高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料浸润性研究

高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料浸润性研究 高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料浸润 性研究 2007年1月 总第157期第1期 金刚石与磨料磨具工程 Diamond&AbrasivesEngineering Jan.2O0r7 Seria1.157No.1 文章编号:1006—852X(2007)01一OO44—03 高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料浸润性研究 张小福.卢安贤.张红霞 (1.中南大学材料科学与工程学院,长沙410083) (2.河南工业大学,郑州450052) 摘要本文研究用":O—znO—si02系微晶玻璃代替普通玻璃用作金刚石砂轮结合剂以克服普通玻璃结合剂对金刚石 浸润性差,热膨胀系数与金刚石相差大的缺点.研究了温度,结合剂组成及金刚石面镀钛对":().一zn().一siO:微晶玻 璃结合剂对金刚石浸润角的影响,研究发现:当温度从963K升至993K时,微晶玻璃结合剂对金刚石的浸润角从129.6. 降至34.5.;结合剂中的[BO]团的存在能降低玻璃结合剂对金刚石的浸润角,Na20对改善玻璃结合剂对金刚石浸润性 无明显作用;并且金刚石表面镀钛也能明显降低微晶玻璃结合剂对金刚石的浸润角. 关键词金刚石;镀钛;浸润性 中图分类号TF1253+7文献标识码A Researchonsoakagebetweenceramicglass bondanddiamondathightemperature ZhangXiaofu.LuAnxian.ZhangHongxia (1.SchoolofMaterialScienceAndTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China) (2.SchoolofChemistryAndChemicalTechnology,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450052,China) AbstractLi2O—Zn()-一 SiO2systemglassceramicwasusedtoreplaceconventionalglassastheb0ndofvitrifiedbonddiamond grindingwheels,inhopeofovercomingthedisadvantagesofconventionalglassbondsuchasbadsoakageandhiglIthermal expansioncoefficientgapbetweenvitrifiedb0ndanddiamonds.Theeffectoftemperature.thecompositionofceramicglassand platingtitaniumoutsidediamondcrystalonthesoakagebetweenceramicglassbondanddiamondWasdiscussedintheexperiment. Itwasfoundthatthecontactangledecreasesfrom129.6.to34.5.whenthetemperatureincreasesfrom963Kto993K:the existenceof[BO3]groupinthemeltingglassCandecreasethecontactanglebetweenglassbondanddiamond,Na20inceramic glasscabnotimprovethesoakagebetweenceramicglassanddiamond;TitaniumfilmoutsidediamondcrystalCallnotonlyprotect diamondfromoxidation.butalsoimprovethesoakagebetweenceramicglassbondanddiamond. Keywordsdiamond;titaniumplating;soakage 1前言 陶瓷结合剂金刚石砂轮具有加工效率高,形状保 持性好,加工产品精度高,刚性好等优点,在金刚石复 合片的外圆及平面磨削,PCD刀具韧磨,磁性材料,工 程陶瓷材料及硬质合金材料的加工中得到日益广泛的 应用?,2J.但由于金刚石磨料的热稳定性差(在空气 中高于923K就会被氧化),使得陶瓷结合剂金刚石砂 轮只能在低温下烧成(一般烧成温度?1023K),造成 陶瓷结合剂金刚石砂轮的优势未能充分发挥,制约了 陶瓷金刚石砂轮的推广应用J.目前常用的陶瓷结合 剂存在的问题有:结合剂对金刚石磨料的浸润不好,无 化学结合,结合剂只是对磨料进行机械把持_5;另外结 合剂与金刚石的热膨胀系数相差较大,在烧成过程中 结合剂与磨料间的结合剂桥易断裂L6j.这些都造成陶 瓷结合剂对金刚石磨料的把持强度降低,加大了用陶 瓷结合剂金刚石砂轮的加工成本.为提高陶瓷结合剂 金刚石砂轮的性能,目前开展的主要研究工作有以下 两方面:一是研究低温烧成热膨胀系数低并且与金刚 石磨料结合强度高的陶瓷结合剂,另一方面是在金刚 第l期张小福等:高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料浸润性研究 石晶体表面镀一层保护膜,既保护金刚石在烧成温度 不被氧化又能改善金刚石的表面性能,增加结合剂对 金刚石的结合强度….. 玻璃对金刚石良蜒够润性能保证玻璃结合剂高 刚石的浸润性越好.本文研究高温下玻璃结合剂对 金刚石的浸润及玻璃结合剂与金刚石的界面结合情况. 2试验_一l ? t : |' ' 试验:测定温度变化玻璃结合剂对金刚石浸 润角的影响;玻璃结合剂组成变化结合剂对金刚石浸 润角的影响及金刚石表面镀钛对玻璃结合剂对金刚石 浸润角的影响. 2.1陶瓷结合剂的选用 试验中的陶瓷结合剂是基于Li2O—ZnO—A1203 - SiO:系微晶玻璃经改进而制成.微晶玻璃是经控制 晶化而制得的含有一定量微晶体的固体材料.微晶体 是从均匀的玻璃相中通过成核与晶体生长而产生的. 它集中了陶瓷与玻璃两者的特点,具有热膨胀系数范 围大,机械强度高,抗热震性好,耐腐蚀等诸多优点. 在Li2O—ZnO-AI2O3一SiO2微晶玻璃中,主晶相根据 组成和热处理不同而有所不同,通常有B一锂霞 石,p一锂辉石,p一石英固溶体,堇青石,硅酸镁,硅酸 钙,钡长石等,其中p一锂霞石和B一锂辉石热膨胀系 数很低,通过调整体系中p一锂霞石,B一锂辉石与玻 璃相的含量可以使热膨胀系数有很大幅度的变化,例 如含碱的ZnO—AI2O3一SiO2和以P2O为晶核剂的 Li:O—ZnO—SiO:系统微晶玻璃,当主晶相为锂锌硅 酸盐时,微晶玻璃的热膨胀系数在73.6—97.4× l0?(20,450oc)变化;若主晶相为金红石,锂霞 石或锂辉石,热膨胀系数就可能低到3.6× l0I6??.试验中为满足金刚石磨料低温烧成的 要求,同时提高玻璃的流动性加入适量的RO,AI0, 和BO.,成核剂为ZrO与TiO组成的复合成核剂,玻 璃结合剂的化学组成如表1所示: 表1b2O-ZnO—AI2O一Si02玻璃结合剂的化学组成(too1%) 2.2.金刚石的选jf} 试验中选用CVD法生产的金删西薄膜作_为试验曩 用金刚石材料,金刚石薄膜的规格为5m(长'): 5mm宽)'津0.8mm('厚),金刚石薄膜表面的钛膜是 用善空;,cVlcl法在金雕磊薄膜表厢越壹盼,搏度约D. 3m._i,: 2.3测试方法_:.0'|_,, 取玻璃结合剂小球置于金刚石薄膜上,放马弗 炉中升温,升温曲线为:室温_三饕480? 3结果与分析_一...群0ir?,t"'薯 963K……1296.983K……44.5.993K……39.5. 图i不同温度下玻璃结合剂对金刚石的浸润角 高温下玻璃结合剂软化成熔体,从而在金刚石表 面产生浸润现象,如图2所示: 金刚石 图2玻璃结合剂高温下对金刚石的浸润示意图. 玻璃结合剂对金刚石的浸润能力是由金刚石与 玻璃两相的表面自由能所决定的,也可以用表面张力 来表示,当玻璃液滴处于平衡状态时,有下面的公式: orsg【,1g×cos0+or.1(1) cos0=(orE—or1)/or1g(2) 式中:盯表示金刚石与空气界面的表面张力,or 表示玻璃结合剂与金刚石界面上的表面张力,or表示 玻璃结合剂与空气界面上的表面张力,0为浸润角(接 触角).当温度升高时,玻璃熔体中质点热运动增加. 质点间的相互作用力松弛,玻璃熔体的黏度降低;另外 根据玻璃熔体的表面张力 or1=or1gO×(1一b×T)?引(3) 金刚石与磨料磨具工程总第157期 式中Or"..为初始温度时的玻璃表面张力,b为与 玻璃结合剂组成有关的常数,T为试验温度,由公式 (3)可以看出,当温度升高时,玻璃熔体的表面张力Or". 变小,导致CO80变大,浸润角变小,浸润性好. 3.2玻璃组成变化对微晶玻璃对金刚石浸润 角的影响 图3为三种结合剂在983K下对金刚石的浸润角 测试结果 - 图3983K时三种结合剂对金刚石浸润角的测试结果 由图3可以看出,结合剂成分变化结合剂对金刚 石浸润角的影响非常显着,与1结合剂相比,2结合剂 减少了BO,的量,而增加了SiO2的量,BO,为链状 或层状的[BO]三角体,在硅酸盐熔体中易吸收体系 中的自由氧,形成[BO]四面体,当熔体中的BO,含 量相对较高时,熔体中就会有多余的[BO,]团富集于 熔体表面,降低了玻璃熔体的表面张力.面Si02没 有表面活性,会提高玻璃熔体的表面张力,因而1结 合剂比2结合剂对金刚石的浸润角较小;3结合剂与 1结合剂相比,以一半的NaO代替BO,,虽然R:O能 为体系提供自由氧,使体系的黏度降低,但由于Na:O 没有表面活性,它的加入不但不能降低玻璃熔体的表 面张力反而提高了熔体的表面张力故3结合 剂对金刚石的浸润角变大,即3结合剂对金刚石的浸 润性变差?. 3.3金刚石表面镀钛对玻璃结合剂对金刚石 浸润角的影响 图4为玻璃结合剂在不同温度下玻璃结合剂对表 面镀钛与表面不镀钛金刚石的浸润角的测试结果: 当金刚石表面镀有钛膜时,钛与金刚石表面的碳 原子发生如下化学反应: 5C+8TiTi8C5(4) 反应产物Tic使钛层与金刚石有牢固的结合强 度,由经1173K的高温并保温2小时的镀钛金刚石在 RigakuD/max2500型转靶x射线衍射仪的衍射图谱 可以看出,经1173K的高温烧成镀钛金刚石中仍有反 应产物Tic存在,这表明金刚石表面的镀钛层在 1173K时仍能保护金刚石不被氧化. 镀钛金刚石在加热过程中,表层的钛在高于993 K时发生氧化,表层的钛原子在高温下会发生如下的 化学反应: 6Ti+5O2Ti3O5(5) 一一 l#—-993K..,.39. 5.1#—-993K—Ti—_34.5. 图4l玻璃结合剂对镀钛和不镀钛 金刚石的浸润角变化 反应产物Ti,0是致密的,惰性的保护膜,包围在 金刚石晶体的外周能阻止钛层和金刚石的氧化,而生 成的产物Ti,0与玻璃结合剂中的A12O3?TiO2有相 似的结构ll,因此能进入结合剂中,使结合剂与金刚 石表层的钛产生化学结合,因此表面镀钛金刚石与陶 瓷结合剂的浸润角小于表面不镀钛金刚石与陶瓷结合 剂的浸润角. 8 一 :2 翌 ? 量 爱 . 1020304O5O6O7O80 2(.) 图51173K烧成后镀钛金刚石的XRD图 4结论 根据以上试验,可得到如下结论: (1)随温度升高玻璃结合剂对金刚石磨料的浸润 角而减小,玻璃结合剂对金刚石浸润充分.. (2)玻璃结合剂中较多的BO,有助于玻璃结合 剂对金刚石的浸润,而NaO的加入虽然能够降低玻 璃熔体的黏度,却不能改善玻璃结合剂对金刚石的 浸润. (下转第59页) 第1期江新洪等:三种卵砾石地层钻进用钻头的野外试验对比研究59 图3孕镶金刚石一针状合金复合胎体钻头实物图 因,主要是:钻进压力不足,钻头底唇面积较大,钻机压 力不能使钻头切削刃压人岩石,造成钻头在孔底"打 滑"磨损钻头,所以影响钻头切削效率.另外,合金条 排列靠里,胎体磨损快,另胚体硬度也不够,所用胚体 不是DZ50钢,保径补强作用低,过快磨损钻头内外 刃,造成钻头底部变形,带不上岩心,也影响到钻进效 率.武胜驿大桥z一5号孔,在孔深20,25In段采用 9lmm复合钻头,纯钻效率较普通钻头高得多,其原 因是单位钻压达到破岩压力. 综上所述,由两组实验可以得出金刚石一硬质合 金复合球齿钻头与孕镶金刚石一针状合金复合胎体钻 头都比普通合金钻头更高的寿命,有更好的耐磨性和 抗冲击韧性,效率大大提高,降低了成本,增加了经济 效益.孕镶金刚石一针状合金复合式钻头有时纯钻效 率不好是由于钻进设备的限制,钻进工艺无法调至最 佳造成的. 参考文献 1汤凤林.金刚石复合材料斯拉乌季契及其钻头[J].国外探矿工程情 报,1986,(3—4) 2马保松.钻井工程用超硬材料及钻头的发展[J].地质与勘探,1998, 34(2):50,55 3马保松,张祖培.提高金刚石工具性能的方法[J].西部探矿工程, 1998(4) 4马保松,张祖培,孙友宏.金刚石一CBN一硬质合金复合柱齿的理论 分析[J].地球科学,2000(3) 5杨凯华,段隆臣,胡国荣等.提高人造金刚石钻头的有效途径[J].探 矿工程,1999(1) 6屠厚泽.球状合金钻头在卵砾石层钻进中的应用研究[J].地质与勘 探,2000(2) 第一作者简介 江新洪(1977年一),男,江西都昌人,博士研究生,主要从事金 刚石制品方面的研究和勘察相关技术,管理工作. E—mail:jxhcug@163.com 收稿日期:2006一0—17 (编辑:张慧) (接第46页) (3)金刚石表面镀钛能促进玻璃结合剂对金刚石 的浸润,而且金刚石表面镀钛能使玻璃结合剂表面与 金刚石产生化学结合,加强玻璃结合剂与金刚石的结 合强度. 参考文献 lKuroshimaYasuyuki,,KondoYashito,OkadaShojiro.Developmentof vitrifieddiamondgrindingwheelforengineeringceramics[J].Journalof theceramicsocietyofJapan,1985,93(9):587,589 2ZhouYiyang,MarkAwoed,DonaldGolini,eta1.Wearandself—sharp— eningofvitrifiedbonddiamondwheelsduringsapphiregrinding[J]. Wear,1998,219:42—45 3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):18—2O 4张小福,卢安贤,肖卓豪等.金刚石的高温化学稳定性研究[J].金 刚石与磨料磨具工程,2006(4):8—11 5TanakaT,EsakiS,Nashidak,eta1.DevelopmentandApplicationof P0IonsVitrified—BondedWheelwithUltra—FineDiamondAbrasives [J].KeyEngineeringMaterials,AdvancesinAbrasiveTechnology, 2004(257—258):25l一256 6TanakaTakeshi,HamuroYoshimitsu.Analysisoftangentialgrinding forceontheconstant—loadgrindingofZrO2一Y2O3一grindingactionof theporedtypediamondwheelwithvitrifiedbond[J].JournaloftheJa— panSocietyforPrecisionEngineering,1993,59(11):1821—1826 7王艳辉.金剐石磨料表面镀钛层的制备结构性能及应用H,].燕山 大学工学博士学位论文.2000 8武汉钢铁学院编.硅酸盐物理化学[M].北京:冶金工业出版 社.1990 9Blndrajit,Sharma.Studuyonsomethermo—physicalpropertiesinI,i20一 ZnO—SiO,glass—ceramics[J].MaterialLetters,2004,58:2423—2428 10OmarAA.El—ShennawiAWA,E1一GhannamAR.Crystallization ofsomespodumene—lithiumzincorthosilicategla~s[J].-I.Maler. 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