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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和金剛石陶瓷結合劑磨具配方計算機設計程序”，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和金剛石陶瓷結合劑磨具配方計算機設計程序”，并將這一Windows窗口程序發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)，服務于我國超硬磨料低熔陶瓷結合劑磨具的生產(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，免去了繁復的人工計算。
關鍵詞： CBN 金剛石 低熔陶瓷結合劑 磨具 計算機程序
超硬磨料低熔陶瓷結合劑磨具配方設計程序，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)十個低熔陶瓷結合劑的參考配比和不同配比的結合劑耐火度預測以及制品的燒成參考曲線（低熔陶瓷結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》的文獻中）。
一、常用原材料簡介
CBN和金剛石用的陶瓷結合劑耐火度都比較低，CBN用的陶瓷結合劑的耐火度約800-900℃，人造金剛石用的陶瓷結合劑耐火度約在600-700℃，相對于剛玉、碳化硅磨料的陶瓷結合劑耐火度大多在1000℃以上而稱低熔陶瓷結合劑。制造陶瓷結合劑CBN和金剛石磨具所使用的600-900℃的低熔、低熱膨脹系數(shù)玻璃質結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，高嶺土向結合劑中引入SiO2 和Al2O3的成分，SiO2在結合劑中形成“基體”，Al2O3可提高結合劑的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和強度，但過多引入Al2O3將提高結合劑的耐火度。
2、長石：結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調整結合劑成分，以滿足結合劑化學成分與性能的要求。
4、滑石：滑石的基本成分是含水硅酸鎂，比重2.7～2.8，礦物實驗式為：3MgO·4SiO2·H2O，理論組成：MgO 31.7%；SiO2 63.5%；H2O 4.8%。
結合劑中加入滑石引入MgO和SiO2，滑石在結合劑中的使用要求：SiO2 55-63%，MgO 26-33%。滑石可以提高結合劑的機械強度，增加結合劑脆性。
5、螢石：螢石化學式 CaF2 ，分子量78.1，比重3.01-3.25，理論組成：Ca 51.3%，F(xiàn) 48.7%。
結合劑中加入螢石，引入氟化鈣，對結合劑有催熔作用，可以提高結合劑機械強度，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晶礦物，化學名稱氟鋁酸鈉，分子式Na3AIF6，分子量210，比重2.99。
冰晶石的引入會顯著降低結合劑的耐火度，但也會使結合劑的熱穩(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%。
以上是結合劑常用的礦物成分，在低熔結合劑中經(jīng)常還要補充一些化工原料，常用的有十余種。
7、硼砂：結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。硼砂在結合劑中引入B2O3和Na2O；B2O3能提高結合劑的彈性和化學穩(wěn)定性，與SiO2、 Al2O3 等混熔形成低共熔物，降低結合劑耐火度。在結合劑中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能顯著降低結合劑耐火度，降低結合劑表面張力。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852℃，Na2O含量58.5%；碳酸鈉放置空氣中易吸潮結塊。Na2O能減少制品的燒成范圍，在結合劑中的作用與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，且能降低結合劑耐火度，提高結合劑強度。BaO在結合劑中的用量在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618℃，含Li2O 40.44%。Li2O能提高結合劑抗沖擊強度。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能提高結合劑的物理化學性能，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能降低結合劑耐火度，提高結合劑韌性，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合劑。目前我國各超硬材料企業(yè)使用的低熔陶瓷結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合劑會有什么結果也不妨一試。
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)標識，在實驗中需以質量形式具體操作，程序提供了CBN和金剛石的濃度與質量的換算值。
三、低熔陶瓷結合劑常用物質的分子量
通常在一些文獻中看到的結合劑配比有些是克分子比，但在生產(chǎn)和實驗操作中需要以質量形式加入，所以具體操作時克分子比需按分子量換算成質量比，表1給出了一些常用氧化物的分子量，以便于應用。
四、CBN和金剛石磨具低熔陶瓷結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)低熔陶瓷結合劑基礎玻璃的耐火度的預測
本程序可以預測 Na ，K ，Mg ，Ca ，B ，Al ，Si ，系統(tǒng)的基礎玻璃600～900℃左右的耐火度。實驗中也可在此基礎玻璃中加入其他成分或調整含量以尋求自己所需要的結合劑組成。
?。ㄒ唬╊A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
?。?span>11.7156×X 22 －1.61292×X3 2
－1.58379×X4 2＋0.244415×X52 （1）
?。ǘ┍匾獥l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和金剛石陶瓷結合劑磨具的配方設計
前蘇聯(lián) 瓦西里耶夫 提出了一個關于磨具中各參數(shù)之間的關系式（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合劑橋的個數(shù)
Vс－結合劑含量
Vз－磨料含量
б－結合劑強度
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，結合我們的實際研究編制了本配方設計程序。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準，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”，供制定硬度標準時參考。
?。?span>1）硬度代號，見表2
?。?span>2）濃度：濃度我們?nèi)】赡艿某Ｓ梅秶?0%～175%；表3
?。?span>3）粒度：
本程序設計的粒度取值范圍是60/70～325/400；取填料粒度比超硬磨料細1～2級，以突出超硬磨料的作用，但也不能過細，過細起不到填料應有的作用，選定磨料粒度后填料的默認值見 表4。
?。?span>4）CBN和金剛石陶瓷結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、粒度、濃度、硬度即可由程序給出配方，其中填料CBN默認為白剛玉，金剛石默認為碳化硅，粘結劑和潤濕劑默認為糊精和水；如不用默認值可自行確定填入亦可。
（5）CBN和金剛石陶瓷結合劑磨具配方計算舉例，（見表6）
七、CBN和金剛石陶瓷結合劑磨具的配料計算
?。?span>1）按指定的金剛石陶瓷結合劑磨具配方表，程序可進行配料計算
?。?span>2）如選定表6的數(shù)據(jù)計算，設：模具體積=10； 片數(shù)=20； 當給出模具體積和片數(shù)后程序給出以下配料數(shù)據(jù)，
?。?span>3）成型單重 = 2.41×10=24.1
?。?span>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
?。?span>6）填料量 = 68.44
（7）結合劑量 = 89.71
?。?span>8）粘結劑量 = 11.77
?。?span>9）潤濕劑量 = 12.17
后記：
本文主要參考文獻為《金剛石與磨料磨具工程》，但現(xiàn)已無法列出詳細的參考文獻目錄，特向原作者和讀者致以深切的歉意！
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