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1、摘 要本文设计主要研究 B2O3对碱铝硼硅系玻璃结合剂性能的影响。一般含三氧化二硼的硼酸物质加入后，结合剂的一些性能就会发生相应的改变，如其降低耐火度，增加流动性，提高反应能力，改善结合剂与磨料间的结合状况，并且提高磨具的强度。国内外大多数的金刚石砂轮用结合剂、CBN砂轮用结合剂等都会含有不同含量硼的化合物。实验研究的主要是改变硼的含量来熔炼不同的玻璃结合剂。实验过程中是以Na2OB2O3Al2O3SiO2系为基础的玻璃料，通过改变B2O3的量，最后得出相应的结论。根据实验结果可得出以下结论：由红外光谱图可知该玻璃结合剂属于硅酸盐结构，由差热曲线图得结合剂中硼的含量越少，核化温度就会降低，通过
2、实验所测600，650,700, 750时三个配方的流动性，都是配方二的流动性最大，后三个温度下的流动值分别为154.6%，226.9%，308.2%，309.1%，三个配方的坯体开始收缩的准确温度分别为486，483,475，同时配方中三氧化二硼含量的不同，其热膨胀系数也会不同，不同的温度下，也会引起同一配方的热膨胀系数发生改变。关键词： B2O3 碱铝硼硅玻璃结合剂 流动性 热膨胀系数 1. 引言1.1陶瓷结合剂的发展和分类通常所说的传统陶瓷结合剂有陶瓷质的、玻璃质的1，而陶瓷结合剂的发展经历了几个阶段。70年代初,陶瓷结合剂CBN砂轮用于磨削钢，并且结合剂相对致密且硬。80年代，玻璃结合
3、剂随着高气孔率的开发，是发展最快的。从1980到 1993年，大部分的玻璃结合剂由4上升到37，并不断地增加。1993至今，陶瓷结合剂的发展越来越快，在磨具中的应用也是越来越广泛的，对于陶瓷结合剂的各种性能，尤其是强度、硬度、耐火度、膨胀系数和流动度等有了新的要求，同时在结合剂中添加碱金属，碱土金属和三氧化二硼等后，也会在一定的程度上影响结合剂的性能。董庆年等在陶瓷磨具制造一书中将结合剂进行分类，在国内陶瓷结合剂按耐火度与磨具的赔烧温度的相互关系分为烧熔结合剂（耐火度低于焙烧温度）、烧结结合剂（耐火度高于焙烧温度）和半烧熔结合剂（耐火度等于或接近焙烧温度）；按烧成温度的高低分为高温结合剂（烧成
4、温度高于1000）和低温结合剂（烧成温度低于1000）；按适用范围分为通用结合剂和专用结合剂；按成型方法分为压制用结合剂和浇注用结合剂；国外一般把结合剂分为玻化结合剂，瓷化结合剂和收缩结合剂2。1.2 课题的提出 周玉等研究在磨具制造中结合剂起着把持与粘结的作用，并且在磨具中磨料是靠结合剂才能粘结在一起的，而结合剂也决定着磨具的硬度、耐用性、自锐性以及使用寿命、强度等各项性能，也就是说要制造性能优良的磨具，就必须选择性能优良的陶瓷结合剂，否则会造成磨具使用寿命缩短，质量下降3。吕智等研究以氧化钠，三氧化二硼和二氧化硅为基本成分的玻璃，称硼硅酸盐玻璃4。其特点是热膨胀系数小，热稳定性和化学稳定性
5、好。而这些特点与立方氮化硼性能相近，较好地满足立方氮化硼对结合剂的要求。因此立方氮化硼砂轮结合剂选用硼硅酸盐玻璃体系。而硼的添加降低了耐火度，高温润湿性，改善流动性和反应能力等等。因此研究碱铝硼硅系玻璃结合剂性能是重要的。然而不同的化学成分对其结合剂的性能重要影响，特别是B2O3对碱铝硼硅系玻璃结合剂性能的影响极其复杂，B2O3是一种必不可少的组成成分，B2O3和SiO2是两种不相熔的氧化物,但是当玻璃中加入碱金属和碱土金属时,硼的结构会发生变化。硼可降低结合剂的高温粘度，降低烧结温度，增强网络结构，促进其致密化，并提高玻璃相含量及结合剂对磨粒把持力，当以BO3存在时，结合剂的粘度会下降，流动
6、性增加，以BO4存在时，流动性会降低，同时其膨胀系数，耐火度等也会随其硼含量的不同呈现不同的变化。所以B2O3对碱铝硼硅系玻璃结合剂性能的研究更为重要。1.3 拟需要解决的问题范文捷等研究出当结合剂中加入碱金属或碱土金属时，提供的游离氧使硼氧三角体转变成硼氧四面体，提高强度，由层状结构转为架状，加强网络，并且其加入量超过一定量时， 硼氧四面体又转为硼氧三角体，降低强度，硼氧三角体和硼氧四面体之间量变所引起的玻璃性质突变的这种现象就被称为“硼反常现象”。当Al2O3取代少量的SiO2时，也会随B2O3量不同而出现性质变化，这种现象就被称为“硼铝反常现象”5。在碱铝硼硅玻璃结合剂体系中，铝以AlO
7、6形式存在，当取得游离的氧时形成 AlO4，进入网络，使强度增加。在碱铝硼硅体系结合剂中，Al2O3 ，B2O3，Na2O，CaO，SiO2，Li2O 对结合剂性能有不同的影响，尤其是B2O3对碱铝硼硅体系结合剂不同性能的影响。因此本实验需要解决的问题有： B2O3及其他的成分在碱铝硼硅系结合剂结构中的影响 B2O3及其他的成分对碱铝硼硅系结合剂膨胀系数的影响 B2O3及其他的成分对碱铝硼硅系结合剂的流动性的影响 B2O3及其他的成分对碱铝硼硅系结合剂烧结范围的影响2. 实验设计与研究方法2.1结合剂配方的计算、配制2.1.1结合剂的配方计算 由于本次的研究对象是B2O3对碱铝硼硅玻璃结合剂性
8、能的影响，因此要在其它组分含量不变的情况下，来逐一的改变B2O3的含量，进行对比从而得出结论，首先制定的配方如下表1所示：本实验依次采用三组配方，直接降低配方二和三中硼的含量，进行计算，可得实际加入百分含量如下表2所示：将其碱铝硼硅系玻璃结合剂按照五百克进行混合均匀配料，然后计算出各个配方所需要的各原料的质量，如下表3所示：由上可知：所需的各成分是直接引入其相关的化合物所得的，二氧化硅的纯含量是98%，石英和三氧化二铝可增加强度，因此选为配方的原料之一，B2O3是以H3BO4的形式引入的，其含量为99.5%，因为硼砂内含有碱金属，引入较多的钠离子，使结合剂的膨胀系数升高，所以一般使用硼酸，Al
9、2O3的纯含量是98%，白色粉末，熔点为2050，钠长石的初始熔融温度为1100左右，比钾长石低些 ，但其熔融速率较快，不形成新的产物，为一致熔融化合物，因此选择钠长石，Na2O的含量是以引入Na2CO3所得的，即无水碳酸钠的形式，密度为2.53g/3，白色粉末，为99.8%，Li2O以Li2CO3的形式引入的，可以提高结合剂的强度，在玻璃结合剂中起催熔作用，并能改善润湿性，含量一般为97%，CaO是引入CaCO3，提高结合剂的抗折强度，纯含量为97%，所以计算出相应的各物质的含量如表4所示。2.1.2结合剂配方的配制结合剂配方的配制包括以下几个部分：原料的研细混合压块原料的熔融玻璃料的破碎1
10、.原料的研细混合一般来说原料的研细是为了使其混合均匀，增大比表面积，并且使其在熔融时完全反应。做法如下：研钵中研碎、研细过200目筛网天平上称量混合。2.混合后的压块一般的做法如下：混合料均匀平铺于40cm50cm的托盘小型喷雾器喷水润湿震动托盘团成小球收集用微型压力机定压成型（每次加入模具约50g）分配方放入恒温干燥箱内干燥（200度下干燥2h）3.原料熔融干燥后的块状原料捣碎成约1cm的小块待炉温达到1450度时加入18min后冷却收集熔融物将所得的玻璃料分配方标记并保存一般来说将其捣碎成小块是为了受热均匀，反应完全，以便于加入熔块炉中进行熔炼，在炉中熔炼10min时会发现原料就开始熔融，
11、流出第一滴液体，18min后是最后一滴流出，可以观察到第一个配方略成淡黄色，二、三配方的颜色依次加重，流出的熔融物是滴状的，直径约为5cm。4.玻璃料的破碎具体的步骤如下：玻璃料捣碎成直径约为2mm的小颗粒加入球磨机内湿磨收集磨好的混合液放入200度的恒温干燥箱内进行干燥48h取出并用研钵研碎分配方进行标记保存、待用球磨机的使用如下：在球磨罐中加入磨球（分大，中，小三种），粗碎一般用大磨球，细磨用小的磨球，每次加入玻璃料约350g，然后加水至球磨罐体积的23，并将球磨罐放在球磨机内，卡紧，球磨机启动1分钟后打开，检查螺丝是否松动，并再次紧固，重启。以后每隔30min检查一下球磨罐是否起热，并冷
12、却。一般一份玻璃料需要磨2h。2.2 结合剂制备工艺流程图.SiO2 Al2O3 H3BO4 Na2CO3 Li2CO3 CaCO3 天平称量球磨混料高温熔融、水冷干燥、球磨过筛制得结合剂称量加入水和糊精混合均匀压块烧成测流动性、热膨胀性、红外光谱、差热分析以及抗折强度等性能2.3 实验仪器和设备熔块炉（型号：KSY，指标：额定温度1600，坩埚：50ml，高铝瓷质） 高温烧结炉、材料万能测试仪、 快速研磨机（型号：KMJ双头）、 干燥箱 、热膨胀系数仪（型号：LCP1型） 、 红外光谱分析仪 、差热分析仪、台式低速外圆锯、 微型压机、模具、天平 、研钵、游标卡尺等3. 结合剂的性能测试3.1
13、 红外光谱分析三个配方分别检测，检测时要用KBr做背景，测出其背景的红外（一般来说取少量的KBr约是小药勺平铺药品的1/10，加入配方量约占KBr的1/100），一般将用研钵研细成细粉（一般要求通过320目的筛网）、混合后的样品取少量放入模具，用压机进行压片（片要薄、透光性好、厚度适中、强度适中、干燥无水分），成型压力为80KN，经过保压，卸压，然后取出压好的片，利用红外光谱仪进行测量，（将做好的片卡入卡槽的测定区域内，让激光透过透明的片，同时计算机自动扫描，扫描波数范围为4004000cm-1），得到相应的数据，并用软件进行数据处理，这样就可以得出三个配方的红外光谱图。3.2 差热分析差热分
14、析是为了测定配方出现液相的准确温度点，以便于设定出模具的烧成曲线6。取出一部分生料，将其碾磨成细粉末状，然后利用差热分析仪以10/min的升温速率使每组样品均匀升温到1000进行差热分析实验，与此同时会得到一系列的数据，运用软件进行处理，便可得到相应的差热曲线图。3.3 烧结范围的测定 烧结范围的测定是坯体所需的重要参数，对于制定合理的升温曲线有一定的参考。具体的步骤如下：首先大约取1.8克的坯料，按小于100:3的比例加入适量的糊精，并加入适量的水，混合均匀，放入模具内，在20KN的压力下压制成6mm6mm的小条，并进行微烧，驱走糊精的影响，然后磨成长度为26.5mm的小条，将其放入瓷片上，
15、通过伸缩卡槽放进影像式烧结点试验仪内，并打开该仪器的冷却水，气阀，高强灯和炉子电源。最后以15/min的升温速率进行升温，并观察试样的变化。3.4 流动性测定 采用平面流淌法测定结合剂的流动性，具体做法是：按小于100:3的比例称量结合剂与糊精粉，结合剂为4.8克，加水混匀后装入模具，在 20KN的压力下成型，压制成型为1515mm的圆柱状，然后应该在130干燥12h，由于实验仪器的限制，我们是在室温下干燥几天之后，以除去水分。干燥后垂直置于耐火板上，装入炉内进行升温烧成，冷却后取出样品，测其流淌后的直径，测4处，取其算术平均值，我的三个配方分别测量了600,650,700,750四个温度下的流动性，一般常用的结合剂的流动性在90130之间，最高达280。然后按照下式计算其流动性，
