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官方微信摘要 李印江1靳士威2劉金昌3（1-中國磨料磨具進(jìn)出口公司2-中國磨料磨具網(wǎng)3-中國超硬材料網(wǎng)）摘要本文編制成功了“CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具配方計算機(jī)設(shè)計程序”，并將這一Window...
李印江1 靳士威2 劉金昌3
（1-中國磨料磨具進(jìn)出口公司 2-中國磨料磨具網(wǎng) 3-中國超硬材料網(wǎng) ）
摘 要 本文編制成功了“CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具配方計算機(jī)設(shè)計程序”，并將這一Windows窗口程序發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)于我國超硬磨料低熔陶瓷結(jié)合劑磨具的生產(chǎn)企業(yè)。本程序使用非常方便，輸入選定的參數(shù)便可迅速生成磨具配方，免去了繁復(fù)的人工計算。
關(guān)鍵詞： CBN 金剛石 低熔陶瓷結(jié)合劑 磨具 計算機(jī)程序
超硬磨料低熔陶瓷結(jié)合劑磨具配方設(shè)計程序，可以給出CBN和金剛石兩大類超硬磨料和不同硬度、不同填料的陶瓷結(jié)合劑磨具配方，同時提供一個常用的數(shù)據(jù)庫，給出了數(shù)十個低熔陶瓷結(jié)合劑的參考配比和不同配比的結(jié)合劑耐火度預(yù)測以及制品的燒成參考曲線（低熔陶瓷結(jié)合劑的參考配比和燒成參考曲線主要來源于早期《金剛石與磨料磨具工程》的文獻(xiàn)中）。
一、常用原材料簡介
CBN和金剛石用的陶瓷結(jié)合劑耐火度都比較低，CBN用的陶瓷結(jié)合劑的耐火度約800-900℃，人造金剛石用的陶瓷結(jié)合劑耐火度約在600-700℃，相對于剛玉、碳化硅磨料的陶瓷結(jié)合劑耐火度大多在1000℃以上而稱低熔陶瓷結(jié)合劑。制造陶瓷結(jié)合劑CBN和金剛石磨具所使用的600-900℃的低熔、低熱膨脹系數(shù)玻璃質(zhì)結(jié)合劑可以用礦物原料,也可以用化工原料,或者礦物原料和化工原料混合使用而配制，現(xiàn)將常用的原材料大致分述如下：
1、粘土：主要成分為高嶺土，高嶺土向結(jié)合劑中引入SiO2 和Al2O3的成分，SiO2在結(jié)合劑中形成“基體”，Al2O3可提高結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度，但過多引入Al2O3將提高結(jié)合劑的耐火度。
2、長石：結(jié)合劑中使用的長石主要是鉀長石和鈉長石，用以引入K2O、Na2O、Al2O3、SiO2等成分，鉀長石的分子式K2O·Al2O3·6SiO2 ，分子量556.5，但鉀長石中一般都摻有一定量的鈉長石；鉀長石的化學(xué)成分要求：SiO2 62-66% ； Al2O318-22.5% ； K2O>10% ； Na2O<4%
3、石英：白色或乳白色塊狀，化學(xué)成分為SiO2，分子量60.10，比重2.23-2.65之間。SiO2含量要求SiO2>98%。由石英引入SiO2調(diào)整結(jié)合劑成分，以滿足結(jié)合劑化學(xué)成分與性能的要求。
4、滑石：滑石的基本成分是含水硅酸鎂，比重2.7～2.8，礦物實(shí)驗式為：3MgO·4SiO2·H2O，理論組成：MgO 31.7%；SiO2 63.5%；H2O 4.8%。
結(jié)合劑中加入滑石引入MgO和SiO2，滑石在結(jié)合劑中的使用要求：SiO2 55-63%，MgO 26-33%。滑石可以提高結(jié)合劑的機(jī)械強(qiáng)度，增加結(jié)合劑脆性。
5、螢石：螢石化學(xué)式 CaF2 ，分子量78.1，比重3.01-3.25，理論組成：Ca 51.3%，F(xiàn) 48.7%。
結(jié)合劑中加入螢石，引入氟化鈣，對結(jié)合劑有催熔作用，可以提高結(jié)合劑機(jī)械強(qiáng)度，使用的螢石要求：Ca 46-51%，F(xiàn) 44.5-48.5%。
6、冰晶石：冰晶石是一種天然結(jié)晶礦物，化學(xué)名稱氟鋁酸鈉，分子式Na3AIF6，分子量210，比重2.99。
冰晶石的引入會顯著降低結(jié)合劑的耐火度，但也會使結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性和彈性有所降低。工業(yè)用冰晶石要求主成分含量Na3AIF6>96%。
以上是結(jié)合劑常用的礦物成分，在低熔結(jié)合劑中經(jīng)常還要補(bǔ)充一些化工原料，常用的有十余種。
7、硼砂：結(jié)晶硼砂是一種白色顆粒，分子式Na2B4O7·10H2O，分子量381.24，比重1.69-1.72；400℃左右脫水，878℃熔融。硼砂在結(jié)合劑中引入B2O3和Na2O；B2O3能提高結(jié)合劑的彈性和化學(xué)穩(wěn)定性，與SiO2、 Al2O3 等混熔形成低共熔物，降低結(jié)合劑耐火度。在結(jié)合劑中B2O3的加入量以20%左右為宜。
硼砂與長石以50：50左右混合，在900℃以上熔融，冷卻、粉碎、過篩成粉狀，稱硼砂玻璃，簡稱硼玻璃，這也是一種常用的含硼材料。也有混入其他材料制成硼鉛玻璃和硼硅玻璃使用的。
8、硼酸：在結(jié)合劑中引入B2O3但不希望過多地引入Na2O時，可以使用硼酸引入B2O3，硼酸分子式H3BO3，分子量61.8，含有B2O3 56%，比重1.435。工業(yè)硼酸要求H3BO3>98.5%。
9、氧化鋅：白色粉末，分子式ZnO，分子量81.4，比重5.6，工業(yè)品要求ZnO>98%。ZnO在結(jié)合劑中是較好的助熔劑，能提高制品的熱穩(wěn)定性。
10、硝酸鉀：分子式KNO3，分子量101，K2O含量46.6%，比重2.1，850℃分解出K2O，K2O能顯著降低結(jié)合劑耐火度，降低結(jié)合劑表面張力。使用KNO3引入K2O時因KNO3分解時放出氧，所以還有氧化劑的作用。工業(yè)用硝酸鉀要求含量KNO3>98%。
11、碳酸鈉：白色粉末，分子式Na2CO3，分子量106，熔點(diǎn)852℃，Na2O含量58.5%；碳酸鈉放置空氣中易吸潮結(jié)塊。Na2O能減少制品的燒成范圍，在結(jié)合劑中的作用與K2O接近。
12、碳酸鋇：分子式BaCO3，分子量197.3，比重4.43，高溫時能分解出BaO，BaO含量77.7%，BaO在結(jié)合劑中能部分代替PbO和B2O3的作用，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于PbO，且能降低結(jié)合劑耐火度，提高結(jié)合劑強(qiáng)度。BaO在結(jié)合劑中的用量在6-15%之間。
13、碳酸鋰：白色粉末，分子式Li2CO3，分子量73.88，比重2.11，熔點(diǎn)618℃，含Li2O 40.44%。Li2O能提高結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度。工業(yè)用碳酸鋰要求Li2CO3>98%。
14、鈦白粉：分子式TiO2，分子量79.9，比重在4左右，TiO2能提高結(jié)合劑的物理化學(xué)性能，因其耐火度較高，用量不可過大，約3% 左右為宜。工業(yè)鈦白粉要求TiO2>98.5%。
15、氧化銅：黑色粉末，分子式CuO，分子量79.5，比重6.4，CuO能降低結(jié)合劑耐火度并有著色作用。工業(yè)品要求CuO>98%。
16、氧化鐵：赤紅色粉末，分子式Fe2O3，分子量159.7，比重5.0-5.25。Fe2O3能降低結(jié)合劑耐火度，提高結(jié)合劑韌性，工業(yè)品稱鐵紅，要求Fe2O3>98%。
除以上介紹的十幾種原材料外，有的結(jié)合劑中還引入P2O5、Co2O3、Cr2O3、ZrO2、SnO2以及放射性元素的氧化物CeO2等，可以根據(jù)具體需要加入各種成分研制結(jié)合劑。目前我國各超硬材料企業(yè)使用的低熔陶瓷結(jié)合劑主要是以化工原料配制而成，但我國傳統(tǒng)的玻璃和陶瓷企業(yè)使用的低熔玻璃則主要是以礦物原料配制而成，如果用礦物原料配制超硬磨具的低熔陶瓷結(jié)合劑會有什么結(jié)果也不妨一試。
二、CBN和金剛石濃度的換算
CBN和金剛石的濃度是一個狀態(tài)標(biāo)識，在實(shí)驗中需以質(zhì)量形式具體操作，程序提供了CBN和金剛石的濃度與質(zhì)量的換算值。
三、低熔陶瓷結(jié)合劑常用物質(zhì)的分子量
通常在一些文獻(xiàn)中看到的結(jié)合劑配比有些是克分子比，但在生產(chǎn)和實(shí)驗操作中需要以質(zhì)量形式加入，所以具體操作時克分子比需按分子量換算成質(zhì)量比，表1給出了一些常用氧化物的分子量，以便于應(yīng)用。
四、CBN和金剛石磨具低熔陶瓷結(jié)合劑不同耐火度的參考配比
在這一段程序中自550℃～890℃之間有20多組不同的結(jié)合劑組成，選出一指定溫度則可由程序給出一組參考組成；但因原資料出自不同作者之手，對溫度的取值不同，所以誤差較大，使用者應(yīng)予注意。（資料主要來源于《金剛石與磨料磨具工程》）
適用于這一部分結(jié)合劑的主要成分：
Li2O ，Na2O ，K2O ，MgO ，CaO ，ZnO ，SrO2 ，B2O3 ，Al2O3 ，SiO2
五、《Na、K、Mg、Ca、B、Al、Si》系統(tǒng)低熔陶瓷結(jié)合劑基礎(chǔ)玻璃的耐火度的預(yù)測
本程序可以預(yù)測 Na ，K ，Mg ，Ca ，B ，Al ，Si ，系統(tǒng)的基礎(chǔ)玻璃600～900℃左右的耐火度。實(shí)驗中也可在此基礎(chǔ)玻璃中加入其他成分或調(diào)整含量以尋求自己所需要的結(jié)合劑組成。
（一）預(yù)測方程：
Y = 43.1799×X1 －153.446×X 2 ＋58.9785×X3
＋45.0179×X 4－8.86022×X5－0.918559×X1 2
＋11.7156×X 22 －1.61292×X3 2
－1.58379×X4 2＋0.244415×X52 （1）
（二）必要條件：
Y = 耐火度
1 ≤ X1 = Al2O3 ≤18
6.5 ≤ X 2 = R 2 O ≤16.5
9 ≤ X 3 = R O ≤13
11 ≤ X 4 = R 2 O3 ≤ 37
33 ≤ X5 = R O2 ≤56
99.95 ≤ X1 +X 2 + X3 + X 4 + X5 ≤100.05
六、CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具的配方設(shè)計
前蘇聯(lián) 瓦西里耶夫 提出了一個關(guān)于磨具中各參數(shù)之間的關(guān)系式（式2），
R = π d2 /1.73 ×(n×Vс×/Vз)0.5 ×б (2)
R－把持每個磨粒的力
d－磨料顆粒直徑
n－每個磨料顆粒上的結(jié)合劑橋的個數(shù)
Vс－結(jié)合劑含量
Vз－磨料含量
б－結(jié)合劑強(qiáng)度
日本人 佐田登志夫提出用大樾氏硬度計測量磨具硬度時有如下關(guān)系式
OB = 17 ×G-0.66 ×(0.89)Z (3)
OB－測量坑深
G－粒度
Z－硬度序數(shù)
以上兩個公式是我們分析磨具配方數(shù)據(jù)的主要參考，結(jié)合我們的實(shí)際研究編制了本配方設(shè)計程序。前蘇聯(lián)和日本的超硬磨具硬度分級基本是一至的，分為軟、中軟、中、中硬、硬、共五級，我國現(xiàn)還沒有制定超硬磨具的硬度標(biāo)準(zhǔn)，參照蘇、日的分級目前我國超硬磨具的硬度在此也可分為五級，作為“拋磚引玉”，供制定硬度標(biāo)準(zhǔn)時參考。
（1）硬度代號，見表2
（2）濃度：濃度我們?nèi)】赡艿某Ｓ梅秶?0%～175%；表3
（3）粒度：
本程序設(shè)計的粒度取值范圍是60/70～325/400；取填料粒度比超硬磨料細(xì)1～2級，以突出超硬磨料的作用，但也不能過細(xì)，過細(xì)起不到填料應(yīng)有的作用，選定磨料粒度后填料的默認(rèn)值見 表4。
（4）CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具配方表格式,見表5
在操作中按表5的要求給出需要的材質(zhì)、粒度、濃度、硬度即可由程序給出配方，其中填料CBN默認(rèn)為白剛玉，金剛石默認(rèn)為碳化硅，粘結(jié)劑和潤濕劑默認(rèn)為糊精和水；如不用默認(rèn)值可自行確定填入亦可。
（5）CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具配方計算舉例，（見表6）
七、CBN和金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具的配料計算
（1）按指定的金剛石陶瓷結(jié)合劑磨具配方表，程序可進(jìn)行配料計算
（2）如選定表6的數(shù)據(jù)計算，設(shè)：模具體積=10； 片數(shù)=20； 當(dāng)給出模具體積和片數(shù)后程序給出以下配料數(shù)據(jù)，
（3）成型單重 = 2.41×10=24.1
（4）混料量 = 成型單重×片數(shù)×（1+混料余量）
= 24.1×20 ×(1+5%)=482×1.05 =506.1
（混料余量數(shù)值可選）
（5）超硬磨料量 = 324.00
（6）填料量 = 68.44
（7）結(jié)合劑量 = 89.71
（8）粘結(jié)劑量 = 11.77
（9）潤濕劑量 = 12.17
后記：
本文主要參考文獻(xiàn)為《金剛石與磨料磨具工程》，但現(xiàn)已無法列出詳細(xì)的參考文獻(xiàn)目錄，特向原作者和讀者致以深切的歉意！
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