B2O3含量對SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O系陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)與性能的影響＊

王 照，徐三魁，黃 威，徐天兵，韓 平，閆國進(jìn)，陳兆奇，吳坦洋

（1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001）

（2.連云港市沃鑫高新材料有限公司,江蘇 連云港222300）

陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具以其耐熱性好、磨削精度高、自銳性好、修整間隔較長等特點，廣泛應(yīng)用于超硬工具精磨、半導(dǎo)體精加工等方面，且使用量連年增加[1-3]。但陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的使用性能很大程度上取決于陶瓷結(jié)合劑的性能[4]，而陶瓷結(jié)合劑的性能主要取決于其玻璃相的成分與濃度，以及玻璃相形成的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等[5]。其中，以SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O（R2O 為堿金屬氧化物）為基礎(chǔ)的硼鋁硅酸鹽陶瓷結(jié)合劑具有可調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)、良好的力學(xué)性能、與磨料結(jié)合性能好等特點[6]，成為本領(lǐng)域的研究熱點之一。尤其是B2O3的熔融溫度低，只有450 ℃，將其引入陶瓷結(jié)合劑中，可以極大地降低陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度[7]，為陶瓷結(jié)合劑的超低溫?zé)Y(jié)提供了可能。

根據(jù)玻璃相形成的網(wǎng)絡(luò)理論，B2O3和SiO2在熔融狀態(tài)下不能形成均勻一致的熔體，因為前者為層狀結(jié)構(gòu)，后者為架狀結(jié)構(gòu)；但在其中加入Na2O 等堿金屬氧化物后，Na2O 提供的游離氧促使硼氧三角體[BO3]轉(zhuǎn)變?yōu)榕鹧跛拿骟w[BO4]架狀結(jié)構(gòu)，與硅氧四面體[SiO4]共同構(gòu)成三維立體的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增大硅酸鹽玻璃的強(qiáng)度[8]。JACKSON 等[9]將硼鋁硅酸鹽玻璃用于陶瓷結(jié)合劑中，發(fā)現(xiàn)結(jié)合劑熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)高等。張小福等[10]研究了高溫下陶瓷結(jié)合劑對金剛石磨料的浸潤性，發(fā)現(xiàn)B2O3的加入使浸潤性變好，而堿金屬氧化物可增加結(jié)合劑的高溫流動性但并不能改善其浸潤性。何峰等[11]在硅酸鹽玻璃中添加了不同含量的B2O3，結(jié)果表明R2O 提供的游離氧不會無限地使[BO3]轉(zhuǎn)變?yōu)閇BO4]。張盼等[12]采用X 射線光電子能譜、EDS 能譜、紫外-可見光能譜進(jìn)一步分析了B2O3對低膨脹硼硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)的影響。

總之，添加B2O3對陶瓷結(jié)合劑性能具有重要作用。但目前工業(yè)上用的陶瓷結(jié)合劑中B2O3含量不高，其摩爾分?jǐn)?shù)普遍在5%～10%，B2O3含量較高的陶瓷結(jié)合劑在少量發(fā)明專利中有涉及[13-14]并取得了一定的應(yīng)用效果，但高含量的B2O3引入到基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中的科學(xué)研究報道較少，缺少相關(guān)理論支持。因此，將B2O3引入到基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中，改變不同比例的B2O3與SiO2含量，使B2O3的摩爾分?jǐn)?shù)最高達(dá)到27%，同時堿金屬氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)20%，來系統(tǒng)探究各成分之間的動態(tài)反應(yīng)平衡以及陶瓷結(jié)合劑玻璃化后的微觀結(jié)構(gòu)與性能，以期得到性能更加優(yōu)良的超低溫?zé)Y(jié)的高強(qiáng)度陶瓷結(jié)合劑。

1 試驗

1.1 玻璃樣品和結(jié)合劑制備

表1 為試驗設(shè)計的陶瓷結(jié)合劑摩爾分?jǐn)?shù)配方，主要研究B2O3含量對陶瓷結(jié)合劑性能的影響。為便于配料以及和國內(nèi)常用配方形式對比，轉(zhuǎn)換為原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的配比如表2所示，其樣品原料均為分析純（西隴科學(xué)股份有限公司生產(chǎn)）。將表2 中的5 組試樣按照不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確稱量300 g，使用研缽研磨混合均勻后壓成小塊，分別放入剛玉坩堝中，在高溫熔煉爐中升溫至1 400 ℃使其熔融，保溫2 h 后對熔融玻璃料做如下處理：一部分滴在預(yù)熱好的石墨板上緩冷，隨后在500 ℃下退火2 h隨爐冷卻，以消除玻璃內(nèi)部的應(yīng)力，得到5 組玻璃樣品；另一部分倒入去離子水中急冷，再經(jīng)破碎、球磨、過200 目篩（篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為75 μm）得到5 組陶瓷結(jié)合劑。得到的玻璃樣品及陶瓷結(jié)合劑都用1#～5#命名。

表1 陶瓷結(jié)合劑化學(xué)組成Tab.1 Chemical compositions of ceramic binder

表2 陶瓷結(jié)合劑原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fractions of ceramic binder raw materials

1.2 陶瓷結(jié)合劑樣品制備及性能檢測

將5 組陶瓷結(jié)合劑分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PVA黏結(jié)劑混合均勻，冷壓成15 mm×15 mm 的圓柱體和5 mm×6 mm×30 mm 的待燒結(jié)試樣條，在80 ℃時干燥12 h得到5 組結(jié)合劑試樣。使用島津IR Prestige-21 紅外光譜儀對結(jié)合劑試樣進(jìn)行紅外光譜測試，其掃描波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。使用D8 Advance X 射線衍射儀對5 組結(jié)合劑試樣的物相進(jìn)行分析。采用標(biāo)準(zhǔn)耐火錐測定5 組結(jié)合劑試樣的耐火度。采用平面流淌法測定其流動性。采用濟(jì)南永科WDW-50 微機(jī)控制電子多功能試驗機(jī)用三點彎曲法測定結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度。采用阿基米德排水法精確測量玻璃樣品的密度。使用FM-ARS900 顯微硬度儀檢測5 組玻璃樣品的顯微硬度。對5 組結(jié)合劑試樣進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測試，并采用FEI 公司生產(chǎn)的INSPECT-F50 型掃描電鏡觀察陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)后的形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

紅外光譜分析的主要作用是利用吸收譜峰的位置、強(qiáng)度和形狀來推測樣品的化學(xué)鍵種類、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成以及各成分之間的相互作用情況。表3 是硼硅酸鹽玻璃常見的結(jié)構(gòu)基團(tuán)與紅外吸收峰的特征振動對應(yīng)表[15]，圖1 是5 組結(jié)合劑試樣的紅外吸收圖譜。由表3 和圖1 可知：1#陶瓷結(jié)合劑分別在468，770 和1 040 cm-1出現(xiàn)明顯的吸收峰（帶），分別對應(yīng)于Si-O-Si 彎曲振動峰、O-Si-O 伸縮振動峰和Si-O-Si 反對稱伸縮振動峰。其中，位于468 cm-1處的Si-O-Si 彎曲振動峰與表3 中的相應(yīng)峰值460 cm-1稍有差距，這是因為在玻璃態(tài)中Si-O-Si 的彎曲振動峰就位于468 cm-1處[11]；770 cm-1處的吸收峰為O-Si-O 伸縮振動峰，對應(yīng)被游離氧斷鍵后形成的非橋氧鍵。與2#～5#樣品相比，1#樣品770 cm-1處O-Si-O 伸縮振動峰最為尖銳，強(qiáng)度最高，且2#～5#樣品中O-Si-O 伸縮振動峰逐漸減弱。

表3 硼硅酸鹽玻璃常見的紅外吸收光譜特征振動[15]Tab.3 Characteristic vibrations of borosilicate glass infrared absorption spectra[15]

圖1 不同B2O3 含量陶瓷結(jié)合劑的紅外吸收光譜Fig.1 Infrared absorption spectra of ceramic binders with different B2O3 contents

由表3 和圖1 還可知：2#～5#樣品除了1#樣品相應(yīng)的吸收峰外，隨著B2O3添加量的逐漸增加，樣品圖譜中還在700，1 400 cm-1處出現(xiàn)明顯的紅外吸收峰，且吸收峰的強(qiáng)度隨B2O3添加量的增加而增強(qiáng)，其分別對應(yīng)[BO3]的彎曲振動峰和反對稱伸縮振動峰，這表明玻璃中[BO3]的含量在增加；而出現(xiàn)在1 000 cm-1附近處的吸收峰是Si-O-Si 和[BO4] 反對稱伸縮振動峰的合峰。且合峰隨B2O3含量增加，2 種峰的相關(guān)作用增強(qiáng)，Si-O-Si 反對稱伸縮振動減弱，[BO4]反對稱伸縮振動增強(qiáng)，其共同作用導(dǎo)致其振動峰向低波數(shù)方向偏移[16]。

樣品2#～5#與1#對比，其460，770和1 020～1 060 cm-1處的Si-O-Si 2 個吸收峰和O-Si-O 的吸收峰的位置發(fā)生了部分移動，且770 cm-1處的O-Si-O 伸縮振動峰逐漸減弱。說明添加的B2O3與原玻璃料中的SiO2等成分間發(fā)生了一定的相互作用，B2O3奪取了[SiO4]中的游離氧，導(dǎo)致770 cm-1處的O-Si-O 減少，影響了SiO2的化學(xué)成鍵，而使Si-O-Si 吸收峰移動。可以預(yù)見，該相互作用也會影響陶瓷結(jié)合劑的理化及使用性能等。

2.2 X 射線衍射分析

圖2 是5 組陶瓷結(jié)合劑樣品的X 射線衍射圖譜。從圖2 中可知：5 組樣品均在15°～30°出現(xiàn)較寬的衍射峰，這是典型的玻璃相衍射峰特征；而在其他位置沒有明顯的衍射峰，說明樣品除玻璃相外沒有其他晶體生成。從結(jié)構(gòu)上講，這種玻璃相能實現(xiàn)結(jié)合劑對磨料的良好包覆，有利于陶瓷結(jié)合劑與磨料的結(jié)合，可提高磨具的強(qiáng)度等性能。

圖2 5 組陶瓷結(jié)合劑試樣的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of 5 groups of ceramic binder samples

2.3 陶瓷結(jié)合劑的耐火度和流動性

結(jié)合劑的耐火度可決定其燒結(jié)溫度。不同B2O3摩爾分?jǐn)?shù)的陶瓷結(jié)合劑試樣耐火度和流動性如圖3所示，圖3 中的每個值是3 次測量結(jié)果的平均值。從圖3可以看出：由于B2O3的催熔作用，隨著B2O3摩爾分?jǐn)?shù)增加，5 組結(jié)合劑試樣的耐火度顯著降低，且5#陶瓷結(jié)合劑的耐火度可低至688 ℃，比1#陶瓷結(jié)合劑（未添加B2O3）的耐火度低約127 ℃。根據(jù)燒結(jié)理論，燒結(jié)溫度應(yīng)比耐火度高60～100 ℃。同時，金剛石磨料在溫度高于800 ℃時容易氧化，因此要保證金剛石磨具的耐火度低于800 ℃。

圖3 不同B2O3 摩爾分?jǐn)?shù)的陶瓷結(jié)合劑的耐火度和流動性Fig.3 Refractoriness and fluidity of ceramic binder with different B2O3 mole fractions

流動性是反映結(jié)合劑熔體在高溫下黏度變化的重要參數(shù)。流動性越好，結(jié)合劑熔體的黏度越低。結(jié)合劑良好的流動性有利于其在磨料顆粒周圍分布均勻，且超精密磨削用納米金剛石磨料更需要流動性良好的結(jié)合劑來充分潤濕，并保證其有良好的結(jié)合性，以避免金剛石磨料團(tuán)聚而對加工工件造成的劃傷、劃痕等。在瓷磚襯底700 ℃下燒結(jié)2 h 的陶瓷結(jié)合劑的流動性如圖3所示，5 組陶瓷結(jié)合劑試樣的高溫流動性在97.47%～150.73%，均在陶瓷結(jié)合劑正常流動性范圍之內(nèi)（90.00%～280.00%）[17]。同時，1#與2#陶瓷結(jié)合劑的流動性低于100.00%，是因為這2 組陶瓷結(jié)合劑在700 ℃下發(fā)生了固相燒結(jié)，坯體緊密收縮所致；隨著B2O3摩爾分?jǐn)?shù)的增加，其他結(jié)合劑的流動性則顯著增加，且與結(jié)合劑的耐火度呈相反的變化趨勢。其中，5#結(jié)合劑的流動性為150.73%，比1#結(jié)合劑的高出約50.00%。這是因為B2O3具有較低的熔點(450 ℃)，陶瓷結(jié)合劑的耐火度隨B2O3摩爾分?jǐn)?shù)增加而降低，因而顯著降低了結(jié)合劑的熔融溫度，且降低結(jié)合劑熔體的黏度，降低其耐火度。結(jié)合劑耐火度越低，結(jié)合劑在高溫下的流動性越好。

2.4 抗折強(qiáng)度

磨具的耐磨性能直接反映磨具的耐用程度，但其耐磨性能一般不能直接測量，所以用抗折強(qiáng)度來間接衡量磨具的耐磨性。圖4 為5 組陶瓷結(jié)合劑試樣在不同燒結(jié)溫度下測得的抗折強(qiáng)度曲線。由圖4 可以看出：5 組結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度都表現(xiàn)出隨燒結(jié)溫度升高先升高后降低的趨勢。在最合適的燒結(jié)溫度下，5 組陶瓷結(jié)合劑試樣都出現(xiàn)了抗折強(qiáng)度峰值。這是因為低于最佳燒結(jié)溫度時，坯體致密度較低，氣孔率較高，不易發(fā)生固相燒結(jié)反應(yīng)，結(jié)合劑各組分間相互作用力弱，導(dǎo)致樣條強(qiáng)度不高；燒結(jié)溫度高于燒結(jié)點時，結(jié)合劑中液相增加，高溫流動性變強(qiáng)，留在結(jié)合劑內(nèi)部的氣體無法排出體外，出現(xiàn)過燒發(fā)泡現(xiàn)象，使結(jié)合劑收縮率降低、強(qiáng)度下降。

圖4 5 組陶瓷結(jié)合劑在不同燒結(jié)溫度下的抗折強(qiáng)度變化Fig.4 Changes of bending strength of five groups of ceramic binders at different sintering temperatures

由于1#陶瓷結(jié)合劑為純鋁硅酸鹽玻璃，根據(jù)玻璃形成理論，SiO2作為主體網(wǎng)絡(luò)形成體構(gòu)成了較為穩(wěn)定的[SiO4]骨架，堿金屬氧化物Na2O 作為網(wǎng)絡(luò)變性體為玻璃體提供游離氧，使Si-O 鍵斷裂，降低玻璃熔融溫度，同時與摩爾分?jǐn)?shù)為5%的網(wǎng)絡(luò)中間體Al2O3結(jié)合形成[AlO4]四面體增強(qiáng)玻璃結(jié)構(gòu)。經(jīng)計算1#陶瓷結(jié)合劑試樣的氧硅比R值為2.18，結(jié)構(gòu)參數(shù)（橋氧）為3.64，這表明1#結(jié)合劑大部分為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的[SiO4]骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)合力較大，抗折強(qiáng)度較高，最高達(dá)到74.34 MPa。而2#～5#結(jié)合劑為硼鋁硅酸鹽玻璃，當(dāng)B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為7%時（2#），B2O3取 代SiO2使[SiO4] 數(shù)量減少，且[BO3]數(shù)量增加，玻璃結(jié)構(gòu)的聚合程度稍有下降，因而相比于1#陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度有所降低；同時，Na2O 提供的游離氧使得[BO3]變?yōu)閇BO4]。當(dāng)B2O3摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時（3#），3#的[BO4]含量達(dá)到最高，都參與到[SiO4]構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成骨架中，此時抗折強(qiáng)度最高達(dá)到78.11 MPa。相對于3#結(jié)合劑試樣來說，4#、5#結(jié)合劑試樣中再加入B2O3后，由于游離氧不足導(dǎo)致[BO3]在體系中占據(jù)了較高比例，因而結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度峰值先升高后降低，出現(xiàn)了“硼反?！碧匦?，這進(jìn)一步驗證了紅外光譜分析結(jié)果。另外，高含量B2O3的4#和5#結(jié)合劑樣條依然具有較高的抗折強(qiáng)度，且在不同燒結(jié)溫度下抗折強(qiáng)度相差不大，因而提高了陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)范圍。

2.5 玻璃樣品的密度和硬度

為了得到更好的低溫高強(qiáng)耐磨陶瓷結(jié)合劑，對玻璃的密度與顯微硬度這2 個表征玻璃結(jié)構(gòu)與性能的重要指標(biāo)進(jìn)行探究。分別選取上述的1#～5#熔融緩冷的母體玻璃測試其硬度與顯微硬度，結(jié)果如圖5所示。圖5中：5 種玻璃的密度與顯微硬度都呈現(xiàn)出相同的趨勢，且1#～3#玻璃的密度和顯微硬度呈逐漸增大的趨勢，3#玻璃的最大密度達(dá)到2.45 g/cm3，顯微硬度最大值達(dá)到856 MPa；4#和5#玻璃的密度降低，硬度變小且硬度數(shù)值較為接近。

圖5 不同B2O3 摩爾分?jǐn)?shù)的玻璃的密度和顯微硬度Fig.5 Density and microhardness of glass with different B2O3 mole fractions

隨著B2O3的加入，玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸變得有序化，使玻璃的結(jié)構(gòu)變得致密。由于B-O 的鍵能高于Si-O 的，[BO4]的體積小于[SiO4]的體積，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密程度提升后，在密度增大的同時表面硬度增加；但4#和5#的B2O3摩爾分?jǐn)?shù)較高，過多的B2O3破壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且可能產(chǎn)生了分相，玻璃內(nèi)部的氣孔等缺陷增多，使二者密度及顯微硬度降低。4#和5#的顯微硬度相差不大而密度差別較大的主要原因，可能是5#樣品的總氣孔率比4#的總氣孔率要高，所以其密度較?。坏珰饪子写笥行?，大的氣泡對樣品的硬度和強(qiáng)度影響大，而微小氣孔對其影響較小，因而5#樣品中的氣孔與4#樣品的相比，5#樣品中的氣孔更小更均勻，因而其顯微硬度降低少。因此，要獲得硬度較高的玻璃陶瓷結(jié)合劑制品，添加的B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為15%最好。

2.6 熱膨脹系數(shù)

陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)對陶瓷砂輪的性能有重要影響，為了獲得陶瓷結(jié)合劑良好的把持力，避免其與磨料界面產(chǎn)生熱應(yīng)力，要求陶瓷結(jié)合劑與磨粒之間盡可能有好的熱匹配性能[18]。

在650 ℃下燒結(jié)2 h 后，5 組陶瓷結(jié)合劑試樣的熱膨脹系數(shù)如圖6所示。由圖6 可知：在650 ℃下燒結(jié)的1#、2#、3#、4#和5#陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)分別為7.56 × 10-6，5.75 × 10-6，5.62 × 10-6，6.21× 10-6和6.42×10-6/℃，B2O3的加入會極大地降低陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)，且隨著B2O3添加量的增加，陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)呈先減小后緩慢增大的趨勢。當(dāng)B2O3添加的摩爾分?jǐn)?shù)為15%時，3#陶瓷結(jié)合劑試樣的最低熱膨脹系數(shù)為5.62 × 10-6/℃，與金剛石的熱膨脹系數(shù)4.50 ×10-6/℃最匹配。熱膨脹系數(shù)依賴于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的玻璃化鍵與各組分的化學(xué)成分，B2O3加入量對熱膨脹系數(shù)的影響與Na2O/B2O3比值有關(guān)，且硼離子存在于玻璃結(jié)構(gòu)中的[BO3]三角體和[BO4]四面體中。[BO4]能增強(qiáng)玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密性，提高玻璃的熱穩(wěn)定性，使其熱膨脹系數(shù)下降；相反，[BO3]會降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密性，使其熱膨脹系數(shù)上升。隨著B2O3含量的增加，[BO4]濃度首先增加，這有利于熱膨脹系數(shù)的下降。然而，當(dāng)B2O3含量增加到一定值時，Na2O 的濃度達(dá)到飽和，提供的游離氧不足以生成[BO4]，使[BO3]濃度增加，因此玻璃化陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)會上升。

圖6 不同B2O3 摩爾分?jǐn)?shù)的陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)Fig.6 Thermal expansion coefficients of ceramic binders with different B2O3 mole fractions

2.7 陶瓷結(jié)合劑的斷口掃描形貌

玻璃粉末的液相燒結(jié)是在表面自由能的推動下進(jìn)行的，隨著溫度逐漸升高，粉末顆粒發(fā)生黏性蠕變傳質(zhì)從而致密化的過程[19]。采用掃描電鏡觀察B2O3的加入對陶瓷結(jié)合劑試樣形貌的影響，圖7 是1#、3#、5#陶瓷結(jié)合劑的掃描電鏡形貌，其中的圖7a、圖7b、圖7c 和圖7d、圖7e、圖7f 分別是這3 種結(jié)合劑分別放大1 000倍、3 000 倍時的試樣形貌。由圖7 可以發(fā)現(xiàn)：在不加B2O3（1#）、適量B2O3（3#）和過量B2O3（5#）的粉末燒結(jié)試樣中，氣孔的大小和多少也出現(xiàn)了“硼反?！?。1#試樣氣孔較大、氣孔率較高，氣孔最大尺寸達(dá)到15 μm，是液相燒結(jié)時未能排盡坯體中的氣體產(chǎn)生的，說明只依靠添加R2O（堿金屬氧化物）產(chǎn)生的液相燒結(jié)并不充分，且不利于磨具力學(xué)性能的提高；3#試樣的斷口形貌為典型的脆性斷裂，試樣氣孔最少、氣孔率最低，且大部分是微孔，分布較為均勻。由于在玻璃化熔融過程中排盡了大部分空氣，表現(xiàn)出了較高的致密性，產(chǎn)生了如圖4、圖5所示的高抗折強(qiáng)度和密度等，這有利于增加結(jié)合劑對金剛石的把持能力，增加磨具的耐磨性。過量添加B2O3的5#試樣由于[BO3]過量且產(chǎn)生分相導(dǎo)致其氣孔較多、氣孔尺寸較大，并使其致密度下降，氣孔率進(jìn)一步升高，這也與前面樣品的密度和抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果相一致。

圖7 陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)試樣斷口掃描形貌Fig.7 SEM fracture morphology of sintered samples of ceramic binders

3 結(jié)論

B2O3作為超硬磨具陶瓷結(jié)合劑的一種組成成分，對陶瓷結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)和性能影響較大。通過在SiO2-Al2O3-Na2O 系陶瓷結(jié)合劑中加入不同含量的B2O3進(jìn)行燒結(jié)，并對獲得的玻璃和陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)試樣進(jìn)行XRD、紅外光譜、掃描電鏡及各項力學(xué)性能分析，得出如下結(jié)論：

（1）B2O3的加入使陶瓷結(jié)合劑的耐火度和流動性大為改善。加入摩爾分?jǐn)?shù)為27%的B2O3后，陶瓷結(jié)合劑的耐火度和流動性可達(dá)688 ℃、150.73%。

（2）玻璃試樣與陶瓷結(jié)合劑粉末燒結(jié)體試樣的性能都顯示出了明顯的硼反常特性。隨著B2O3添加量增加，陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度先增大后減小，B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為15%時的陶瓷結(jié)合劑抗折強(qiáng)度最高為78.11 MPa；同時，玻璃樣品的密度和硬度呈先增大后減小的趨勢。其中，B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為15%的玻璃樣品顯微硬度最高、密度最大，分別為856 MPa 和2.45 g/cm3。

（3）B2O3的加入對降低陶瓷結(jié)合劑試樣的熱膨脹系數(shù)起到了關(guān)鍵作用，尤其是B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為15%時，陶瓷結(jié)合劑試樣的熱膨脹系數(shù)低至5.62× 10-6/℃，與金剛石的熱膨脹系數(shù)接近。

（4）B2O3摩爾分?jǐn)?shù)為7%～15%時的SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O 陶瓷結(jié)合劑具有較低的耐火度、良好的流動性和熱膨脹系數(shù)，有利于與金剛石形成理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時增加制成的磨具的耐磨性。