浅析《超硬材料陶瓷磨具》教学中的典型实验

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　　【摘 要】本文概述了《超硬材料陶瓷磨具课程实验》课程的性质。通过介绍基本概念、实验目的要求和实验原理，分析每个典型实验的必要性，加深学生对所学课程知识的理解，提高学生独立操作实验设备、分析问题和解决问题的能力。
　　【关键词】超硬材料陶瓷磨具；课程；实验
　　《超硬材料陶瓷磨具课程实验》是一门专业实验课，主要面向材料科学与工程相关专业的实践教学工作。通过该实验教学，使学生熟悉并掌握超硬材料陶瓷结合剂的常温性能、高温性能、热学性能、力学性能和微观结构等实验项目的测试方法，熟练操作相关实验分析设备，提高学生的动手能力和实验操作技能[1]。本文简要分析陶瓷结合剂线膨胀系数、耐火度（熔融温度）、流动性和高温润湿性等典型实验。
　　1 陶瓷结合剂的性能测试
　　1.1 线膨胀系数的测定
　　线膨胀系数是指在一定的温度范围内，当温度升高1℃时，其线性尺寸的平均相对增加值。其测定方法虽然随所使用的仪器的不同有所差异，但所得结果均能反映这一固有性能。由于不同材料其线膨胀系数不同，所以，磨料与结合剂的膨胀系数之间也同样存在着差异。为了保证磨具的质量及磨削效率，在磨具制造过程中，结合剂和磨料的热膨胀系数要相等或接近，这样当温度发生变化时，不致于产生热应力而降低其结合强度，而且要求磨料和结合剂的线膨胀曲线具有同样的变化趋势。
　　结合剂的线膨胀系数测定，是将结合剂压制成规定形状的试样，经热膨胀仪测出试件的线膨胀量，然后根据线膨胀量计算出线膨胀系数。通过该实验，使学生理解线膨胀系数的概念，掌握结合剂线膨胀系数的测定方法，了解差热膨胀仪的工作原理及使用方法。
　　1.2 耐火度（熔融温度）的测定
　　陶瓷结合剂的耐火度（熔融温度）指结合剂在高温软化时的温度。陶瓷结合剂的耐火度作为结合剂的重要性能指标之一，它直接影响陶瓷磨具的烧成温度。当烧成温度一定时，如果耐火度偏高，则会出现欠烧现象，陶瓷磨具的烧结程度就会变差，导致结合剂与磨粒的结合不牢固，最终影响陶瓷磨具的硬度和强度。如果耐火度偏低，烧成温度偏高，则会出现过烧现象，烧成时出现大量的液相，结合剂的度变小，流动性增加，导致磨具的硬度增加，但容易使磨具出现发泡、变形等缺陷。因此，陶瓷结合剂的耐火度是制定磨具烧成温度的主要依据[2]。
　　本实验采用影像式烧结点测试仪测试结合剂的耐火度（熔融温度），将制备的试样放在陶瓷片或铂片上，缓慢推入炉膛中心。当试样熔融时，物体将不能保持原有的形状，并且在该温度下试样的外形和形状将发生很大的变化，原来投影呈矩形的圆柱体，将会发生直角钝化，由原来的矩形变成半球形，此时对应的温度即可确定为结合剂的耐火度（熔融温度）。通过该实验，使学生了解陶瓷结合剂耐火度（熔融温度）的定义，掌握影像式烧结点测试仪测试结合剂耐火度（熔融温度）的方法，并了解相关设备的使用方法及工作原理。
　　1.3 流动性的测定
　　结合剂的流动性指结合剂高温熔体粘度的倒数。如果结合剂在高温下的粘度越大，流动性则越差。反之，流动性则越好。结合剂的流动性对磨具产品的性能具有重要影响。如果结合剂的流动性过大，结合剂高温状态下的粘度则过低，会造成结合剂很容易从磨粒间流出，导致磨具制品变形。如果结合剂的流动性过低，那么结合剂在高温壮态下的粘度过大，结合剂不容易流动，以至于不能匀地分布在磨粒之间，导致结合剂对磨粒的结合强度较低，最终影响磨具的强度[3]。对于碳化硅磨具，结合剂的流动性不宜过大，如果结合剂的流动性过大，熔融的结合剂会过早地覆盖在碳化硅磨粒表面，从而隔绝磨粒与氧气的接触，使磨具中分解出来的碳不能被充分氧化，最终导致产品的黑心。因此，结合剂应具有适当的流动性，这样既能够实现结合剂在磨粒间的均匀分布，又能保证磨具具有良好的机械强度，并且不会出现变形、黑心等废品。
　　本实验采用平面流淌法测试结合剂的流动性。其步骤如下：取过筛后的结合剂样品，加适量的湿润剂并混和均匀，然后称取5g样品，并压制成Φ15×15mm的圆柱体，干燥后放置于耐火板或光滑陶瓷砖上，并放入电炉内，按一定的升温曲线进行升温。试样冷却后，测量试样流淌后的直径（6处），并取算术平均值。结合剂的流动性等于试样烧成流淌后的直径与试样烧成前直径的比值。结合剂的流动性约通常在90%～130%之间，最高可达280%。通过该实验，使学生了解结合剂的流动性的定义，掌握平面流淌法的测试过程和测试原理。
　　1.4 高温润湿性的测定
　　结合剂的高温润湿性指在高温状态下结合剂对磨粒的润湿能力。当润湿角等于0°时，结合剂可以完全铺展到磨粒的表面，说明此时结合剂熔体对磨粒完全润湿。当润湿角在0°～90°时，说明此时结合剂熔体对磨粒可以润湿。当润湿角大于90°时，说明结合剂熔体对磨粒不润湿。当润湿角等于180°时，说明结合剂熔体对磨粒完全不润湿。结合剂与磨粒的高温润湿性的大小是两者能否产生良好结合的关键因素。如果润湿角较大，则结合剂不能够润湿磨粒或对磨粒的润湿性较差，导致结合剂很难均匀流散到磨粒表面，结合剂将不能与磨粒牢固包裹，从而造成结合剂与磨粒的结合强度较低，磨粒在磨削过程中容易脱落。因此，一般希望结合剂具有较高的高温润湿性。
　　本实验采用采用高温显微镜法测定结合剂的高温润湿性。测试步骤如下：取过筛后适量的结合剂，加水或糊精液混合均匀，然后压制成Φ3×2.5mm的圆柱体。将试样放置在采用细粒度磨料压制的托板上，放入电炉内，按照一定的升温曲线进行升温，加热到磨具烧成温度附近时，对结合剂的熔融状态进行观察并照相，最后在照片上求出高温润湿角。通过该实验，使学生了解结合剂高温润湿性的概念，掌握高温润湿性的测定方法，了解高温显微镜的工作原理及使用方法。
　　2 结束语
　　上述实验是陶瓷结合剂性能测试的部分典型实验，使学生在对基本概念理解的基础上，通过独立操作相关实验、撰写实验报告等过程，培养学生的动手能力、独立思考和解决问题的能力。本专业教师应该在这些典型实验的基础上，进一步优化实验内容和实验步骤，以便更好地培养本专业的学生。
　　【参考文献】
　　[1]侯永改.陶瓷磨具制造[M].北京：中国轻工业出版社，2010.
　　[2]陈敢新，吕智，章兼植，等.CBN砂轮陶瓷结合剂的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2003（5）：35-39.
　　[3]吕智，陈国华，徐西鹏.CBN砂轮陶瓷结合剂研究中的若干关键问题[J].矿冶， 2006（1）：33-37.
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