烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具显微结构研究

 

 

 

摘要：通过电子探针微区分析研究了粘土-长石-石英系烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具的显微结构特征，重点研究了结合剂的显微结构。结果表明：结合剂呈典型的烧结状态，有大量的相界和微细裂纹，结合剂和磨粒的结合紧密程度不一；结合剂中有尺寸较大的气孔，尺寸最大可达50 μm。能谱分析和元素面分布分析表明，结合剂物相主要由玻璃相和残留石英组成，在较大颗粒的残留石英内部及其周围发育有裂纹。此外，本文对磨具显微结构与磨具性能之间的关系作了理论探讨。

 

关键词：碳化硅陶瓷磨具；烧结结合剂；显微结构；残留石英；裂纹

 

Microstructures of Sintered Ceramic Bond Silicon Carbide Grinding Wheel

 

 

Abstract: Microstructures of sintered ceramic bond has an important effect on the behaviour of the silicon carbide grinding wheel. The paper mainly studied the microstructures of sintered ceramic bond of SiC grinding wheel. The results showed: The bond had the typical sintered state. There were many phase boundaries and microcracks in the bond, the degree of bonding between bond and abrasive grains was not the same in different parts. Some large size pores were found in the bond, and the largest pore was 50 μm in diameter. The energy spectrume analysis and elements plane distribution proved that the phases of the bond were composed of glass and residual quartz particles. Three kinds of microcracks were found in and around the residual quartz particles, the intragranular crack within the residual quartz grains with a relatively straight cracks, the circumferential crack in the close vicinity of a quartz particle in a form of circular arc and the microcrack within the glass around the residual quartz particle. There were obvious microcracks when the size of residual quartz particle was 25 μm. No microcrack was found when the size of the residual quartz particle was less than 10 μm.The relationship between the microstructures of the grinding wheel and their performance was discussed theoretically.

 

Keyword: ceramic bond silicon carbide wheel; sintered bond; microstructures; residual quartz；crack

 

烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具中结合剂的主要原料为粘土、长石、石英等。结合剂原材料中，碱性氧化物较少，高温时形成数量有限的熔体，不易造成碳化硅分解黑心。陶瓷结合剂碳化硅磨具的性能取决于结合剂系统的熔融特性，因烧结结合剂的流动性、反应能力、高温湿润性等都相对较差，所以它形成的结合剂桥强度较低，磨具中结合剂用量就较多，气孔率相对较低。烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具独特的性能是有高比例的陶瓷结合剂，在磨削过程中，致密的陶瓷结合剂给磨粒提供了足够的结构支持力，以抵抗高磨削力，避免磨粒过早脱落[1]。

 

石英原料在烧结结合剂中起了很重要的作用。如果较大颗粒的石英没有熔融完，在结合剂中尚有残留，则在冷却过程中会发生晶型转变，产生体积收缩，并在石英晶体与玻璃相之间因热膨胀系数的失配而产生微裂纹，降低了磨具的机械性能。早先的资料[2]认为，石英粒度约50 μm时容易产生显微裂纹，而当粒度下降为25 μm时，就可减少这种显微裂纹，从而提高坯体的机械强度。M. J. JACKSON[3,4]等人曾对石英在陶瓷坯体中的熔解进行了定量研究，并提出了有效的可以预测石英熔解情况的模型，该模型对使用粘土-长石-石英系统制备烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具有很好的指导作用。

 

陶瓷磨具的显微结构尤其是结合剂的显微结构对磨具的性能起着决定性作用，而石英的熔解状况又对结合剂的显微结构起着关键的作用。本文研究了碳化硅陶瓷磨具的显微结构特点，特别是结合剂的显微结构特点，并重点对残留石英及其所产生的裂纹情况进行了分析。

 

1、实验与测试

 

结合剂的原材料系统为粘土-长石-石英类，结合剂的化学成分（质量百分数）是SiO2：72%，Al2O3:16%，K2O+Na2O:12%。用合适细度的粘土、长石、石英作结合剂，选择合适粒度的碳化硅磨料和临时黏结剂，按照陶瓷磨具的制备工艺进行配料、混料、成型、干燥和烧成，最后使用日本产JXA—8800型电子探针分析仪对磨具进行显微结构和能谱分析。

 

2、分析与讨论

 

2.1 烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具的显微结构特征

 

图1为典型的烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具的显微结构。图1 (a)为放大50倍的磨具断面图，显示了磨具中磨粒（A）、气孔（P）和结合剂（B）的分布状况。图1 (b)为放大500倍的磨具断面图，清晰显示了磨粒和结合剂的结合状况及结合剂本身的特点。

 

由图1 (b) 可见，烧结结合剂具有以下特征：⑴结合剂呈明显的烧结状态，为非均相结构，有大量相界和裂纹；⑵结合剂和磨粒的结合紧密程度不一，结合剂玻化好的部位与磨粒结合较紧密。玻化差的部位则结合疏松，表现为结合剂与磨粒间的结合界面上有明显微裂纹；⑶结合剂中有尺寸较大的气孔，如图2中不规则气孔的尺寸最大可达50 μm。

 

2.2 烧结结合剂中的残留石英

 

图2为磨具的局部放大图，图中心部分为结合剂（标记B），其中标记“Q”的部分经能谱分析(结果见图3和表1)为残留石英。从图2中可见，结合剂中有粒径大小不一的石英残留。

 

表1 根据能谱计算的Q部分的化学成分

 

Table 1 The chemical compositions of the grain marked with Q

 

成分 质量分数% 原子分数% 化学式

 

Si 46.74 33.33 SiO2

 

O 53.26 66.67

 

石英残留与否与石英原料的粒度、烧成温度、保温时间和配方中碱金属含量多少有关。当烧成温度、保温时间和碱金属含量一定时，石英的残留只与其粒度有关。本试验中，因粗粒度原料石英的粒径为50～60 μm，导致熔解不完全产生残留现象。

 

2.3 结合剂中与残留石英有关的裂纹

 

石英的熔融过程是高温下碱金属离子和网络状二氧化硅相互作用的过程。高温时在碱金属离子的作用下，熔融石英的网络状二氧化硅逐渐解体，且在石英的周围形成溶解边缘，随反应的进行，熔解边缘变厚，离子的相互扩散速率随之降低，石英的熔解度也随之降低[3]。如果石英颗粒很小，完全熔解，则石英颗粒最终消失。相同条件下，如果石英颗粒较大，则因熔解不完全而有石英残留。在残留石英的熔解边缘及玻璃相中，熔体的化学成分和粘度是不同的。在紧靠石英颗粒边缘的玻璃熔体中，二氧化硅含量较高，熔体粘度大；在稍远离石英颗粒边缘的熔体中，二氧化硅含量较低，碱金属离子的浓度较高，熔体粘度相对较小。所以，从石英颗粒到石英熔解边缘再到附近的玻璃相中，化学成分的分布是不均匀的。

 

结合剂中与残留石英有关的裂纹有三种[2]。第一种是石英颗粒内部的微裂纹，称为内部裂纹，如图4（a）中箭头⑴所指，它是一种较直的裂纹；第二种在石英颗粒与玻璃相之界面上产生的裂纹，称为周围裂纹，如图4（a）中箭头⑵所指；第三种是在石英颗粒附近的玻璃相中所产生的圆弧状裂纹，如图4（a）中箭头⑶所指。图4（b）是另一颗残留石英及裂纹的局部放大图，图中⑴、⑵、⑶分别表示内部裂纹、周围裂纹和玻璃相中产生的圆弧状裂纹，残留石英颗粒长径为25 μm。

 

石英颗粒的内部裂纹是由于α-石英和β-石英之间的位移型相变所产生的。高温烧成的磨具在冷却过程中，残留石英在573 ℃迅速从α-相变成β-相时，产生0.68 %的体积收缩(由于石英颗粒被玻璃相包围，实际体积收缩小于0.68 %)，体积变化虽不大，但因转变速度很快，因而易在石英颗粒内部产生裂纹。由于石英晶体和周围玻璃相热膨胀系数差异较大，在磨具冷却过程中，石英晶相和玻璃相不一致收缩，在石英收缩的拉应力作用下，产生了周围裂纹。从图4可见，周围裂纹明显沿着石英残留颗粒的边缘产生，连续性好。在残留石英颗粒附近的玻璃相中可见圆弧状裂纹，由于残留石英颗粒附近的玻璃相中化学成分不均匀，冷却时也会造成不同程度的不一致收缩而形成裂纹，只是裂纹连续性较差，也没有前两种裂纹明显。

 

大颗粒的残留石英晶体内部及其周边产生的裂纹较多（如图4示），且周围裂纹连续性好；小颗粒的残留石英晶体内部及周边产生的裂纹较少，周围裂纹连续性差。图4 (a) 中“+”号表示的是细颗粒的残留石英，其粒径一般在10 μm左右。这种大小的残留石英颗粒，其内部和边缘都没有产生裂纹。因为石英颗粒越细，表面无定形层所占的比例增加，参与相变的石英量减少，相变所产生的体积效应就越小,就越不易在晶体内部产生相变裂纹。又因石英颗粒小，溶解边缘薄，扩散较快，从石英溶解边缘到附近玻璃相化学成分的分布相对比较均匀，故也不易产生周边裂纹。

 

2.4 结合剂物相的研究

 

图5是结合剂化学成分的面分布图。其中（a）小图是磨具的电子背散射图像，（b）、（c）、（d）、（e）和（f）小图分别是元素碳、氧、铝、硅和钾的元素面分布图。在（a）小图中，中间颜色较浅的带状区域为结合剂，结合剂两边为碳化硅磨粒，结合剂中的深灰色阴影部分为残留的石英颗粒，清晰可见其中裂纹。对图5的元素面分析可知，除残留石英外，结合剂中氧、硅、铝、钾等元素分布均匀，形成了玻璃相。综合以上分析，结合剂主要由玻璃相和残留石英组成。

 

2.5 磨具显微结构与磨具性能的关系

 

2.5.1 磨具显微结构与磨具黑心的关系

 

碳化硅磨料在空气中750 ℃就开始发生氧化反应[5]，当碳化硅磨料表面的氧气不充分时，产品就会出现黑心，碳化硅磨具的黑心现象多发生在结合剂近于完全烧结的时候。中低温固相反应开始阶段，烧结处于初级阶段，结合剂中的连通气孔保持着良好的透气性，不易产生黑心；高温烧结状态下，碳化硅磨粒逐渐被结合剂包裹，原来相互连通的气孔逐渐合并封闭，透气性变差，导致碳化硅磨料表面氧化不完全而产生黑心。本实验中，从图1和图2陶瓷磨具的显微结构可知，结合剂并没有对磨料完全包裹，结合剂中有尺寸较大的连通气孔，还有大量裂纹存在，有助于高温下空气的流通，保持良好的透气性，促使碳化硅表面充分氧化，从而避免黑心。

 

2.5.2 磨具显微结构与磨具硬度的关系

 

磨具硬度是磨具重要的性质，反映的是结合剂把持磨粒的能力，可通过改变结合剂量来调节。结合剂量决定相邻磨粒间结合剂桥强度，如果结合剂桥有内在缺陷，那么砂轮的硬度就不再只由结合剂量决定[6]。从本实验磨具的显微结构中可见，结合剂桥内不仅有石英相变引起的裂纹，还有因烧结不良而留下的裂纹和气孔，导致结合剂内部缺陷，且结合剂与磨粒界面因高温润湿性差而有明显微裂纹，这在一定程度上降低了结合剂的机械强度，同时也降低了结合剂对磨粒的把持能力，砂轮的硬度就会比设计的偏低。实际生产中，所用结合剂的量要比理论上的多些，才能达到设计的硬度[2]。

 

2.5.3磨具显微结构与磨具强度的关系

 

Igor Štubňa[7]等人发现，在50 %高岭土、25 %石英和25 %长石的陶瓷中，高温(1250℃)烧成后的陶瓷体在冷却阶段，特别是在600 ℃～500 ℃之间，因残留石英α-相与β-相之间的转变产生裂纹而使机械强度突然下降25 %，所以，粗粒度残留石英的存在对陶瓷强度有不利的影响。早先的资料[2]认为，细颗粒石英在结合剂中不产生显微裂纹，这种细粒度石英可使磨具强度提高约30 %。滨野健也[8]认为，在一定烧成温度时，适当细粒径的石英可产生有效的预应力效果，且石英达到某一残余量，强度就会增大。如图4 (a) 中“+”号表示的细颗粒(约10 μm)的残留石英，其内部及周围没有裂纹，与玻璃相紧密结合。这种粒度大小的石英在磨具冷却过程中，因体积收缩而对结合剂产生压应力，可起到弥合结合剂中微裂纹的作用，对磨具强度的提高有一定贡献。

 

3. 结论

 

⑴ 烧结结合剂陶瓷磨具的显微结构特点是：结合剂呈典型烧结状态，有大量的相界和裂纹，结合剂和磨粒的结合紧密程度不一，结合剂中有尺寸较大的气孔，尺寸最大可达50 μm。结合剂物相主要由玻璃相和残留石英组成。

 

⑵ 在较大颗粒的残留石英及其周围结合剂中发育有裂纹，分别是石英颗粒内部的微裂纹、石英颗粒与玻璃相界面上产生的裂纹、石英颗粒附近的玻璃相中所产生的裂纹。当残留石英颗粒为25 μm时，仍能产生明显裂纹。当残留石英颗粒小于10 μm时，不产生裂纹。

 

（3）烧结结合剂碳化硅陶瓷磨具的显微结构特点有助于防止碳化硅磨具烧成黑心。大颗粒的残留石英因裂纹而对磨具强度会产生负面影响，小颗粒的残留石英对磨具强度有一定的增强作用。

 

参考文献

 

[1] L.M. Xu,Bin Shen,Albert J.Shih. Vitreous bond silicon carbide wheel for grinding of silicon nitride[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2006，46:631-639

 

[2] 黄秉麟，伍瑾琛，钟淑蓝，等．陶瓷磨具制造[M]．北京：机械部机床工具工业局，l987

 

[3] M. J. JACKSON，B. MILLS. Dissolution of quartz in vitrified ceramic materials[J]. Journal of Materials Science 1997，32:5295 - 5304

 

[4] M. J. JACKSON. Studies on refractory bonding systems used in vitrified silicon carbide grinding wheels[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 2000,Vol 214 Part L:211-221

 

[5] J. H. SHE，Z. Y. DENG，J. DANIEL-DONI, et al. Oxidation bonding of porous silicon carbide ceramics[J]. Journal of Materials Science 2002，37:3615-3622

 

[6] M. J. JACKSON，B. MILLS. Materials selection applied to vitrified alumina & CBN grinding wheels[J]. Journal of Materials Processing Technology 2000，108:114-124

 

[7] Igor Štubňa et al. Thermomechanical analysis of quartz porcelain in temperature cycles [J]. Ceramics International 2006, CERI-2451:1-5

 

[8] 滨野健也.石英粒度对陶瓷坯体机械强度的影响[M].日本陶瓷协会学术论文集，1991.2