锂锌铝硅系微晶玻璃cBN复合材料的制备与性能研究

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立方氮化硼因其具有很高的硬度、强度和耐磨性等优良特性,被人们广泛应用于加工铁质材料和黑色金属材料。本文选择埋石墨法制备微晶玻璃cBN复合材料。选取锂锌铝硅(LZAS)系微晶玻璃作为cBN的结合剂。采用分析纯原料,用普通烧结法制备了主晶相为β–锂辉石,次晶相为Li8Zn10Si7O28的LZAS系微晶玻璃结合剂,并用K2O和Na2O对其进行改性。研究未添加K2O、Na2O和添加K2O、Na2O时K/Na摩尔比对结合剂性能的影响。此外,还研究了玻璃组成、玻璃含量、烧成温度和烧成保温时间对微晶玻璃cBN复合材料性能的影响。最后,本文对cBN进行颗粒级配,研究了不同颗粒级配对微晶玻璃cBN复合材料气孔率、相对密度、抗弯强度的影响。其主要研究结果为:(1)K2O、Na2O的引入可以抑制β–锂霞石固溶体的析出,促进Li8Zn10Si7O28的形成和β–锂霞石固溶体向β–锂辉石的转变。当K/Na摩尔比值为1.5时,微晶玻璃试样的抗弯强度最大,为84.6MPa,此时,结合剂软化温度为940℃,流动性为136%,热膨胀系数为4.53×10-6/℃,与cBN的非常接近。(2)对微晶玻璃cBN复合材料气孔率影响最显著的因素是微晶玻璃含量和微晶玻璃组成。当微晶玻璃含量从10%增加到40%时,复合材料的气孔率减小了59.82%,抗弯强度提高了37.97%。当K/Na摩尔比为1.5时,与未添加K2O、Na2O的复合材料相比,复合材料的气孔率下降了20.87%,而抗弯强度提高了29.26%。此时复合材料的性能达到最佳,其气孔率为13.9%、相对密度为89.48%、抗弯强度为96.3MPa、维氏硬度为420MPa。(3)对cBN采用颗粒级配可以提高微晶玻璃cBN复合材料的性能。当cBN中大颗粒(45.31μm):中颗粒(7.05μm):小颗粒(0.469μm)为7:1:2,微晶玻璃结合剂含量为20wt%时,复合材料的性能最佳。其气孔率最低,为8.55%,相对密度最大,为91.89%,抗弯强度最大,为167.6MPa,维氏硬度为874MPa。其抗弯强度比使用单一粒径cBN的复合材料的高出74%。
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