La2O3、CeO2、Y2O3对陶瓷磨具结合剂性能影响的研究.pdf

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1、 2 0 0 7年 8月 总第 1 6 0期第4期 、 金 刚石 与磨料磨具工程 Di a mo n d & Ab r a s i v e s En g i n e e ri n g Aug 2 0 07 S e r i a 1 1 6 0 No 4 文章编号 ： 1 0 0 6 8 5 2 X( 2 0 0 7 ) 0 40 0 5 1 0 4 L a 2 O 3 、 C e O 2 、 Y 2 O 3对陶瓷磨具结合剂性能影响的研究 栗正新 ( 河南工业大学材料科学与工程学院， 郑州 4 5 0 0 0 7 ) 摘要本文采用正交实验法研究了稀土氧化物 L a O ， 、 C e O 、 Y

2、O ，对陶瓷结合剂耐火度和强度的影响。实验研究 发现稀土氧化物的添加对陶瓷结合剂的耐火度有一定影响， 抗折强度也有所变化。Y O ，的含量从 O 、 2 5 到 4 5 变化时 ， C e O 的含量从 O 、 1 5 到 3 5 变化时对结合剂的耐火度影响不大。L a 2 O 3的含量从 O 、 0 7 5 到 2 5 变化时结合剂的耐火度变化较大 ， 对耐火度有明显 的降低作用， 但 I 也O 。含量大于 0 7 5 时结合剂的耐火度 不在发生变化。L a O 、 C e O 、 Y O 含量对结合剂抗折强度的影响的极差分别是 0 9 9， 1 1 6和 2 9 2， 说明其对强度 的影响

3、显著性顺序是 ： Y O ， C e O L a O 3 。当L a O 3 、 C e O 、 Y 2 O 3的含量分别是 0 7 5， 0 5和 0 5时， 结合剂的抗折 强 度最大 。 关键词L a O 3 、 C e O 2 、 Y 2 O 3 ； 耐火度； 陶瓷结合剂； 抗折强度； 磨具 中图分类号T G 7 4 文献标识码A Effe c t s o f r a r e e a r t h o x i de o n pr o p e r t i e s o f v i t r i fie d bo nd L i Z h e n g x i n ( C o l l e g e o f

4、Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ofH e n a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e d t h e e f f e c t s o f r a r e e a r t h o n th e r e f r a c t o ri n e s s a n d b e n d s t

5、 r e n g t h o f v i t rifi e d b o n d I t w a s f o u n d o u t t h a t wh e n t h e c o n t e n t o f Y 2 O3 a n d C e O2 c h a n g e d f r o m O ， 2 5 t o 4 5 a n d O ， 1 5 t o 3 5 r e s p e c t i v e l y ， t h e r e f r a c t o rin e s s c h a n g e d a l i t t l e Wh e n t h e c o n t e n t o

6、f L a 2 O3 c h a n g e d f r o m O ， 0 7 5 t o 2 5 ， t h e r e f r a c t o ri n e s s o f t h e b o n d d e c r e ase d o b v i o u s l y Wh e n t h e c o n t e n t o f L a 2 O3 w a s0 7 5 ， t h e r e wa s n o c h a n g e i n t h e r e f r a c t o ri n e s s o f t h e b o n d Th e r a n g e o f b e

7、n d s t r e n gth a ff e c t e d b y L a 2 O 3 ， C e O 2， Y2 O 3 a r e 0 9 9， 1 1 6， 2 9 2， S O t h e s e q u e n c e o f s i g n i fi c a n c e o f i n fl u e n c e o n t h e b e n d s t r e n gth i s Y2 O3C e O2L a 2 O3 T h e b e n d s t r e n gth o f v i t rifi e d b o n d a p p r o a c h e s t o

8、 t h e mi mu m w h e n the c o n t e n t o f L a 2 O 3、 CeO2、 Y2 O3 i s 0 7 5， 0 5， 0 5 Ke y w0 r d s I 03 Ce 02 Y2 0 3 ； r e f lr a c t 。 r i n e s s ； v i t r i f i e d b 。 n d；b e n d s t r e n h 0引言 将稀土作为添加剂、 稳定剂 、 烧结助剂作用于各种 陶瓷材料 ， 可以极大地改善其性能、 降低 生产成本_ 1 j 。 稀土元素具有 良好 的表面活性 ， 对 陶瓷材料表面有润 湿性能从而降低

9、陶瓷材料 的熔点 ； 在加热过程 中可抑 制晶粒生长， 有利于致密结构的形成 ； 掺人的稀土氧化 物可以进人晶界玻璃相 ， 使玻璃相的强度得到提高 ； 加 入稀土氧化物易于形成低熔点液相， 并 通过颗粒之间 的毛细管作用， 促使颗粒间的物质 向孔隙处填充 ， 使材 料孔隙率降低、 致密度提高 I 4 ； 因此稀 土在 陶瓷中的 应用越来越广泛 ， 但在陶瓷磨具结合剂中的应用 目前 未见报道。该论文介绍了通过正交实验法研究 L a ： O C e O ： Y ： O ， 对陶瓷磨具结合剂耐火度和强度影响的过 程和结论。 1 La z 03 , Ce 02 ,Y ： 0 对陶瓷磨具结合剂耐火度 影

10、 晌 耐火度实验采用简单对 比实验方法 。采用行业常 用的粘土 一 长石 一 硼玻璃传统陶瓷结合剂为基础， 在 结合剂含量不变的情况下 ， 加入不同含量的稀土氧化 物。制备稀土含量不同的试样共 1 4份， 具体如表 1 所 示。其中结合剂 的配 比是长石含 6 2 ， 黏土含 2 3 ， 硼玻璃含 1 5 。稀 土氧化物按 占结合剂 的百份量加 入。每份配制结合剂 5 0 g ， 在研钵里反复混研使各组 分混合均匀 ， 然后制备成 圆柱状试样 ， 通过微机控制影 维普资讯 http:/ 5 2 金刚石与磨料磨具工程 总第 1 6 0期 像烧结仪测定其耐火度。当试样开始蠕动时， 设定每 隔 1

11、0 s 拍一次照片。当图像上试样两边棱角融化成 圆弧状时 ， 即为试样 的耐火度。实验结果如图 1 、 图2 、 图 3 、 图 4所示 。 表 l 耐火度试 验配料表 1 3 5 0 E1 3 o o 1 2 5 0 硪 1 2 0 。0 0 0 75 1 5 2 5 L a 2 0 3 含量 图 1 氧化镧对耐 火度的影响 1 35 0 E1 3 o o 1 1 5 0 1 3 50 E1 3 o o 0 1 5 2 5 3 5 Y 2 0 3 含量 1 35 0厂 L 0 2 4 4 7 5 25 3 25 图 3 氧化钇对耐 图 4 Y 2 O 3 一L a 2 0 3 火度的影响 一

12、 C e O ， 对耐火度的影响 由表2中可以看出 L a O 添加使得结合剂的耐火 度降低了 1 0 0 o C左右。但含量在 0 7 5 1 5 之间 变化时， 耐火度的变化极差是 2 O ， 可以认 为是随机 误差造成的， 也就是说这个含量变化 区问耐火度不再 发生变化。 C e O ： 含量的变化造成耐火度 的变化 极差 3 O度 ， 可以认为 C e O 含量对结合剂耐火度影响不大。Y ： O ， 含量变化时耐火度变化的极差是 3 O c C。所以 Y ： O ， 对 结合剂耐火度影响也不大。 按表 1的 1 0 、 1 1 、 1 2 、 1 3配比复合三种稀 土氧化物 添加到结合

13、剂中， 耐火度 试验结果如图 4所示。耐火 度最大极差为 6 O c C， 说 明混合以后对耐火度有一定影 响。是 L a ： O 的影响还是复合以后交互作用的影响有 待深入研究。 图5所示为结合剂中加入 L a O 和 Y ： O 后的差 热 和热重 曲线 ， 其 中 L a O 为 0 7 5 ， Y O 含量为 2 5 。 从图中可知 ， 在 2 5 0 o C和 5 3 0 o C左右结合剂中 的吸附水 和结构水 的烧失有 一个失 重 和吸热峰 ， 在 9 5 5 oC 左右材料开始进入烧熔状态， 表现出玻璃体的 特征 ， 没有明显的熔点只有烧熔范围。 f 1 日 6 l Fl ht

14、q m 7 I l 6 玳， A #n 5 “ 图 5 含 Y 2 O 2 L a 2 O 3 结合剂耐火度的 T G和 D T A 曲线 2 稀土氧化物对陶瓷结合剂 强度 的影响 强度试验采用正交实验法 ， 因素水平表如表 2所 示。 采用 L 2 7 ( 3 ”) 正交表进行试验方案设计 ， 不考虑 交互作用 。试验方案及结果如表 3所示 。在结合剂配 比不变的情况下， 加入稀土氧化物， 具体配方如表3 所 示 。根据前面 的耐火 度试验 可知 ， 结合 剂耐火度在 1 2 4 0 o C 1 3 2 0 o C之间 ， 采用一炉烧成 。因此取耐火度 平均值设计烧成制度 ， 最高烧成温度耐

15、火度的1 0 3 倍 ， 烧成曲线如图 6所示。 l 2 2 5 l 0 2 5 8 2 5 62 5 赠4 2 5 2 2 5 2 5 时间 rai n 图 6实验样块烧成 曲线 表 2 因素水平表 维普资讯 http:/ 第4期 栗正新： L a ： 0 、 C e O ： 、 Y ： 0 ， 对陶瓷磨具结合剂性能影响的研究 5 3 结合剂的抗折强度反映磨具受到弯曲应力作用时不 发生破坏的极限应力。由于实验条件的限制没有做“ 8 ” 字块实验， 采用小油石条在微机电子万能拉力试验机上 作抗折强度试验 ， 这也可以反映结合剂的抗拉强度。 表 3 、 表 4所示为抗折强度正交实验结果 ， 从表

16、中 可知 L a 0 C e O Y 0 ， 的含量变化对抗折强度的影响 极差分别是 0 9 9， 1 1 6和 2 9 2 ， 说明其对强度 的影响 显著性顺序是： Y 2 0 3 C e O 2 L a 2 0 3 。当 L a 2 0 3 C e O 2 Y 0 的含量分别是 0 7 5 、 0 5 0 、 0 5 0 时有最大 抗折强度值出现为 2 5 9 7 MP a 。 表 3 油石条 抗折 强度正交试验表 表 4 油石条抗折强度正交试验分析表 表中： K n ： 某因素第 n个水平的影响值的总和 k n ： 某因素第 n个水平的影响值的平均值 R：影响平均值的极差 L a 0 C

17、 e O Y 0 的含量变化对结合剂强度的影 响规律如图 7 、 8 、 9所示。 图7 L a 2 0 ， 含量对结合剂强度影响 图8 C e O ： 含量对结合剂强度影响 Y 2 O 3 含量 图9 Y ： 0 ， 含量对结合剂强度影响 加鲫加鲫 加加加加 日 d l 秘 维普资讯 http:/ 金刚石与磨料磨具工程 总第 1 6 0期 3 结论 ( 1 )Y 0 的含量从 0 、 2 5 到 4 5 变化时结 合剂的耐火度变化很小， 说明 Y 0 ， 含量的变化对结合 剂耐火度的影响不大 。 ( 2 )C e O 的含量从从 0 、 1 5 到 3 5 变化时 结合剂的耐火度变化很小 ，

18、 说明 C e O 含量对结合剂耐 火度的影响不大。 ( 3 )L a 0 的含量从 0 、 0 7 5 到 2 5 变化时 结合剂 的耐火度变化较大， 降低 了 1 0 0 o C 。说明 L a O 的添加对耐火度有 明显的降低作用 。但从 0 7 5 到 2 5 变化时， 变动值很小， 可以认为是随机误 差造成的， 说明在 L a 0 ， 含量大于 0 7 5 时结合剂的 耐火度不再发生变化。 ( 4 )L a O ， C e O ， Y 0 对强度的影响的极差分别 是 0 9 9 ， 1 1 6和 2 9 2 ， 说 明其对强度 的影响显著性顺 序是 ： Y 2 0 3 C e O 2

19、 L a 2 0 3 o ( 上接第 5 0页) 图 4自由磨粒喷射修锐 2 4 磨削效果 经过上面整形 、 修 锐步骤 后 ， 采用切 人式成形磨 削， 磨削余量约 1 m m， 磨削得到的陶瓷零件形面圆弧 精度可达到 ： 0 0 0 5 mm， 齿距误差 ： 0 0 0 2 5 m m； 此外还 进行了磨削陶瓷轴承环试验 ， 磨削后获得 的陶瓷零件 圆弧精度 ： 0 0 0 5 mm， 沟道形位精度 ： 0 0 0 3 m m， 尺寸 分散度在微米级。图 5为陶瓷零件的形状 、 尺寸精度 。 t 0 0 0 3 图 5 陶瓷零件的形状、 尺寸精度 ( 5 ) 当 L a O 3 ， C e

20、 O ， Y 0 ，的含量分别是 0 7 5 ， 0 5 和 0 5时 ， 结合剂的抗折着强度最大。 参考文献 1 朱虹 ， 穆 柏 春 稀 土元 素在 陶瓷材 料 中的应 用 J 佛 山陶 瓷， 2 0 0 7 ( 0 1 ) ： 3 53 8 2 S a t o K ， Y u g a m i H ， H a s h i d a T E ff e c t o f r a t e e a r t h o x i d e s o n f r a c t u r e p r o p e r t i e s o f c e r i a c e r a mi c s J J o u rna l o

21、f Ma t e ri a l s S c i e n c e ， 2 0 0 4， 3 9 ( 1 8 ) ： 5 7 6 55 7 7 0 3 杨秋红 A I 2 O 3 透明陶瓷显微结构 的研究 J 功能材料与器 件学 报 ， 2 0 0 4， 3 ( 1 0 ) ： 2 9 9 3 0 2 4 R u i g a n g Wa n g ， We i P a n ， J i a n C h e n P r o p e i e s a n d mi c r o s t r u c t u r e o f m a c h i n a b l e A 1 2 0 3 l_ a t 4 c e

22、r am i c c o m p o s i t e s J C e r a m i c s I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 3， 2 9 ( 1 ) ： 1 92 5 作者简介 栗正新， 男， 1 9 6 4年出生， 河南工业大学材料科学与工程学院副 教授。主要从事磨料磨具方面的教学、 研究和开发。 收稿 日期 ： 2 0 0 70 41 8 ( 编辑 ： 王孝琪) 3 结论 采用金刚石磨料砂轮精密成形磨削可以实现复杂 形状陶瓷材料零件的高效、 精密加工， 是解决精密、 复 杂陶瓷零件制造难题 的有效的方法。将该技术应用于 加工其他难加工材料， 同样可以取

23、得满意的效果 ， 因此 该技术具有 良好的应用前景。 参考文献 1 蔡光起， 王宛山 磨削技术的新发展 c 】 全国生产工程学会第 8 届学术大会论文集 ， 1 9 9 9 9 ： 1 6 21 6 7 2 D n n i s P ， K a i s e r M， 用可修整的金刚石砂轮进行磨削【 J ， 机械工 程师 2 0 0 1 7 ： 6 9 3 崔仲鸣磨削中砂轮修整技术的新进展 c 全 国生产工程学会 第 8届学术大会论文集 1 9 9 9 9： 3 4 73 5 1 4 严文浩 ， 崔仲鸣 立方氮化硼磨具修整技术研 究 J 磨料磨具 与 磨削 1 9 9 4 1 ： 2 4 作者简介 崔仲鸣， 男， 教授 ， 现在河南工业大学 机电工程学院工作， 长期 从事磨削加工技术和超硬工具制造技术研究。 收稿 日期 ： 2 0 0 70 3 2 8 ( 编辑 ： 张慧) 维普资讯 http:/