CBN砂轮陶瓷结合剂的研究

ｍ２０３
ｉｎ ｔｈｅ ａｌｋａｌｉ ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＢＮ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ；ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ
ｂｏｎｄ；ｂｏｒａｘ
ｇｌａｓｓ ｂｏｎｄ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉｒｅ
２
桂林工学院硕士学位论文
附１
独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下（或我个人……）进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名
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ｃＢＮ的需求与日俱增，每年不得不花费大量外汇购买国外产品．因此，为了加 快国产化步伐，尽快取代进『：］产品，必须加快对陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮的开发。 陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮作为一种加工工具，其使用性能不仅与ＣＢＮ的结构、 性质紧密相连，而且与粘结ＣＢＮ的陶瓷结合剂息息相关。陶瓷结合剂性能的 好坏直接关系到ＣＢＮ的优良性能能否得到充分的发挥，从而最终影响到ＣＢＮ
研制成功的一种新型超硬材料——ＣＢＮ，恰好可以弥补金刚石的一些缺陷。
ＣＢＮ的问世，促进了磨削技术的第二次飞跃，在汽车、工具、轴承、航 空工业领域中得到了广泛的应用。但是，与国外的蓬勃发展相比较，我国ＣＢＮ 的发展则显得极其缓慢，其中一个主要的原因是在应用方面。 目前，ＣＢＮ主要应用于磨削加工业。ＣＢＮ磨削加工工具主要包括：ＣＢＮ 砂轮、ＣＢＮ珩磨工具、ＣＢＮ复合片。在这些工具中，ＣＢＮ砂轮是最重要、使 用最多的工具。因此发展ＣＢＮ砂轮已成为当前ＣＢＮ磨具中发展最具有诱惑 力的一种产品。ＣＢＮ砂轮包括树脂结合剂ＣＢＮ砂轮、电镀ＣＢＮ砂轮、金属 结合剂ＣＢＮ砂轮、陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮。而陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮具有比其 它结合剂ＣＢＮ砂轮具有许多更优越的特性而日益受到人们的熏视，因此在 ＣＢＮ砂轮总体中所占的比例不断逐年升高。 当今，国外生产的ＣＢＮ砂轮生产效率高，使用寿命长，能适应高速、高精 度、自动化磨削。国内ＣＢＮ砂轮开发能力不高，制造水平低，只能制造中低档 产品。在我国轿车行业中，占轿车零部件加工磨具总数１１．４％的超硬磨具，国 产化率几乎为零。随着我国汽车、机床、轴承、航空工业的快速发展，国内对
“硼反常现象”和“硼铝反常现象”，研究这些反常现象，寻找与之相应的反常
点，对于寻求高强度陶瓷结合剂将产生十分重要的意义。因此，系统性研究陶 瓷结合剂，寻求高强度陶瓷结合荆的昂佳配比，对解决当前阻碍我国陶瓷结合
剂ＣＢＮ砂轮进一步发展的关键技术——低熔点高强度陶瓷结合剂，将具有十
分重要的意义。
１．２
０ＢＮ概况
ｃｅｒａｍｉｃ ｂｏｎｄ ｉｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ．ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｂｏｎｄ ｏｆ ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｉｓ ｉｎ ｆａｃｔ
ａ
ｋｉｎｄ
ｏｆ ａｌｋａｌｉ
ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ
ｇｌａｓｓ．Ｂｙ
ｓｕｍｍｉｎｇ ｕｐ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｒａｔｉｏ）．ｎｉｓ
ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ
ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ｉＳ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｎ ｐａｃｅ ｗｉｔｈ ｒａｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａ１２０３ ｃｏｎｔｅｎｔ． ４．Ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ｍａｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｆｔｅｒ Ｓｉ０２ ｉｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｐａｒｔｌｙ ｂＶ
而下降。
关键词：ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂硼玻璃结合剂强度
耐火度
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｓ
ｏｎｅ
ｏｆ ｔｗｏ ｍａｉｎ ｓｕｐｅｒｈａｒｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ
ｎｉｔｒｉｄｅ（ｃＢＮ）ｗａｓ
ａ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｑｕｉｃｋｌｙ
ａｂｒｏａｄ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ３０ ｙｅａｒｓ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｆｏｒｅｉｇｎ，ｗｅ ｍａｄｅ ｐｒｉｍａｒｙ
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ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂的研究
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｖｉｔｒｅｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ｆｏｒ ＣＢＮ ｇｒｉｎｇｉｎｇ ｗｈｅｅｌ
学生姓名
导
陵敦莸 昌蟹 熬撞
师
部
系
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挝抖皇丝堂王程丕 挝越堂 趋亟挝料丛墓廛眉
业
研究方向
二００四年五月
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摘要
ＣＢＮ作为当今两大超硬材料之一，在国外得到了迅猛的发展。相比之下， 国内发展极其缓慢，究其原因，主要在于应用方面。ＣＢＮ砂轮是ＣＢＮ的主要应 用方向之一，国外已有比较成熟的生产技术，但国内仍处在起步阶段。因此， 砂轮陶瓷结合剂有待于进一步深入的研究。本文简单概述了ＣＢＮ的结构与性能 特点，对近年来有关ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂的研究进展作了较详细的综述，指出 低熔点、高强度陶瓷结合剂是ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂的发展趋势，并阐述了ＣＢＮ 砂轮陶瓷结合剂实质上就是碱硼硅玻璃结合剂。ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂的强度包 括结合剂的自身强度和结合剂与ＣＢＮ的粘结强度，通常前者的强度大于后者的 强度。根据结合剂的自身强度与结构、组成的相互关系，从实验中总结出高强 度陶瓷结合剂中各组分的百分含量，提出了新的结构模型。具体结论如下： １、陶瓷结合剂（碱硼硅玻璃结合剂）和碱硼酸盐玻璃结合剂的强度处于 最大值时，两者的最佳组成分别是Ｎａ２０：
ｅｘｉｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ
ｄｏｃｕｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ａｌｓｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｂｏｎｄ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｓｅｌｆ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ＣＢＮ ａｎｄ ｂｏｎｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｏｒｄｉｎａｒｉｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ，Ｓｏ， ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｓｅｌｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｓｅｌｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｎｄ ｉｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ
和Ｎａ２０：
Ｂ２０３：Ｓｉ０２＝２：１；１０（摩尔比）
Ｂ２０３＝１：２（摩尔比），这与实验结果基本一致。
２、建立了高强度碱硼硅玻璃结合剂和硼酸盐玻璃结合剂的结构模型。 ３、当碱硼铝硅玻璃结合剂中（Ｎａ２０－－Ａ１２０３）／Ｂ２０３＞１时，碱硼铝硅玻璃 结合剂的强度随着Ａ１２０３含量的增加而递减。
４、碱硼硅玻璃结合剂中，用舢２０３部分取代Ｓｉ０２后，结合剂的耐火度反
砂轮的磨削效果。所以研究陶瓷结合荆是研究陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮的关键因
素之一。通过对ＣＢＮ砂轮陶瓷结合剂的化学组成与性能之间辛廿互关系的研究， 探索出一种既能充分发挥ＣＢＮ的优良性能，又能满足ＣＢＮ砂轮的加工性能 要求的陶瓷结合壳ｎ则正是本选题的研究目的。
我国虽然自７０年代末就已经开始研究陶瓷结台剂，但避展缓慢，国内对
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ａｔ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｓｔａｇｅ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，Ｉｔ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｅｐｌｙ ｃｅｒａｍｉｃ ｂｏｎｄ ｏｆ ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＣＢＮ
ａｒｅ
ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ ｕｐ ｗｉｔｈ
ｏｖｅｒｓｅａｓ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ
ｏｎ
ｓｉｍｐｌｙ ｏｕｔｌｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ａｒｅ
ｃｅｒａｍｉｃ ｂｏｎｄ ｏｆ
ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｌｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ．
１．ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ａｎｄ ａｌｋａｌｉ ｂｏｒａｔｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ｉＳ ｍａｘｉｍｕｍ．ｔｈｅｉｒ ｂｅｓｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｓ Ｎａ２０： Ｓｉ０２＝２：１：１０（ｍｏｌｅ ｒａｔｉｏ）ａｎｄ Ｎａ２０：Ｂ２０３＝１：２（ｍｏｌｅ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ． ２．Ｂｕｉｌｔ ｔｈｅ ｓｔｍｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ａｎｄ ａｌｋａｌｉ ｂｏｒａｔｅ ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． ３．ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ（Ｎａ２０－－Ａ１２０３）ａｎｄ Ｂ２０３ ｉｎ ｔｈｅ ａｌｋａｌｉ ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｂ２０３： ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ
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１．２．１
ＣＢＮ发展简史
５０年代中期，随着高压物理和技术的发展，高温高压装置日趋成熟。１９５５ 年，美国Ｇ．Ｅ公司的Ｈａｌｌ首次成功地用石墨合成了人造金刚石，开创了在高 温高压下台成新材料的新领域。而六方氮化硼具有与石墨相似的结构。因此， 人造金刚石的合成，对立方氮化硼的问世起到了巨大的推动作用。１９５７年， Ｇ．Ｅ公司的Ｗｅｎｔｏｒｆ采用金属镁为触媒在高温（１５００℃）、高压（５千兆帕斯卡） 下，成功地合成具有闪锌矿型结构的立方氮化硼，并将其命名为Ｂｏｒａｓｏｎ。ＣＢＮ 的出现，对磨削加工业予以革命性的影响，构成了磨削加工的第二次飞跃。 ６０年代早期，日本、前苏联也相继成功合成了ＣＢＮ。１９６４年，美国Ｇ．Ｅ 公司首先将ＣＢＮ：以Ｂｏｒａｓｏｎ为商品名称推向市场。１９７４年，戴比尔公司开始 推出ＡＢＮ系列产品，至目前已发展为４种主要产品：ＡＢＮ２００、ＡＢＮ３００、
该产品的丌发与研制尚处于初期的探索研制阶段，其产品性能远低于国外同类 产品。究其原因，一方面由于缺少ＣＢＮ砂轮专用路床，另～方面其直接因素 主要是由于陶瓷结合剂的强度不够，其根本原因主要是由于结合剂的组成、性
能与结构之闻相互关系的基础研究不够。盲目地跟从国外专利的配方，缺乏系
统性的认识，从而导致ＣＢＮ砂轮结合剂的研究进展缓慢。由于结合剂中存在
立方氮化硼（ＣＢＮ）与人造金刚石并称为当今两大主要超硬材料，共同 构成了超硬材料行业，在国防工业、电子信息、航空工业、光学领域等方面有 着广泛的应用，尤其在磨削加工领域方面更是起着举足轻重的作用。众所周知， 磨削加工被誉为“工业的牙齿”，对机械加工，特别是精密加工起着极为重要 的作用。 ５０—７０年代，金刚石磨具在磨削加工业发展的早期已被广泛的使用，成为 磨削加工业发展的主导产品。但是，随着机械精密加工和高速磨削的发展以及 金刚石磨具存在自身无法克服的缺陷，比如金刚石在４５０℃以上容易与铁族金 属元素Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等发生扩散磨损和粘合磨损，致使金刚石磨具在一 些高技术领域中的应用受到了限制。而１９５７年由美国Ｇ、Ｅ公司的Ｈ．Ｒ．Ｗｅｎｔｏｒｆ
ｃａｕｓｅ
ｌｉｔｔｌｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｂｏｕｔ ｉｔ．Ｔｈｅ ｏｆ ｍａｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ
ｉｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＢＮ．ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｉｓ
ｏｎｅ
ＣＢＮ．Ｔｈｅｒｅ
ａｒｅ
ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ＣＢＮ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ａｂｒｏａｄ，ｂｕｔ ｃｉｖｉｌ
ＣＢＮ为蒯锌矿型结构，具有许多重要的物理、化学性质，了解和认识这
些性质是开发利用ＣＢＮ晶体的根本途径之一。ＣＢＮ砂轮是ＣＢＮ晶体开发利 用的基本形式之一，而陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮与其它结合剂ｃＢＮ砂轮相比， 具有许多独特的优越性。了解这些特性，对于我们研制新型高强度ｃＢＮ砂轮 陶瓷结合剂具有重要的意义。 陶瓷结合剂具有重要的意义。
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第１章引言
１．１论文选题的目的与意义