NOWE SPOIWA CERAMICZNE DO ŚCIERNIC SUPERTWARDYCH

NOWE SPOIWA CERAMICZNE DO ŚCIERNIC SUPERTWARDYCH

MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
NOWE SPOIWA CERAMICZNE DO ŚCIERNIC
SUPERTWARDYCH PRZEZNACZONYCH DO OBRÓBKI
NARZĘDZI KOMPOZYTOWYCH Z DDCC I BNDCC
Barbara STANIEWICZ-BRUDNIK1, Elżbieta BĄCZEK2, Włodzimierz WILK3,
Grzegorz SKRABALAK4
Streszczenie: W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań nad spoiwami ceramicznymi do narzędzi
diamentowych, przeznaczonych do obróbki materiałów kompozytowych typu WC-Co/diament i WC-Co/cBN. Pięć
szkieł otrzymanych metodą frytowania poddano badaniom strukturalnym (XRD, DSC), badaniom wybranych
właściwości fizykochemicznych a na podstawie analizy uzyskanych wyników wykonano ściernice typu
6A2 100x10x4x20,D54,k125
Słowa kluczowe: spoiwa ceramiczne, badania strukturalne spoiw, ściernice diamentowe
Summary: This paper presents preliminary results of research on vitrified bonds for diamond tools assigned for
machining of composite materials such WCCo/diamond and WCCo/cBN. On the five glasses obtained by frying method
the following structural studies were performed: XRD,DSC and selected physicochemical properties based on the
analysis of the results the following types of wheels were manufactured : 6A2 100x10x4x20 D54,k125 type.
Key words: vitrified bonds, investigation of bonds structure, diamond wheels
1. WPROWADZENIE
Nowe materiały konstrukcyjne typu DDCC lub BNDCC przeznaczone na ostrza
skrawające, charakteryzujące się wysoką twardością i odpornością na zużycie ścierne,
dużą wytrzymałością na pękanie wymagają opracowania nowych narzędzi ściernych
super twardych do obróbki tychże materiałów [1] Wykonanie narzędzi wiąże się z
opracowaniem spoiw spełniających następujące kryteria [2–5]:
–dobrze zwilżających ziarno ścierne super twarde [6] (diament, regularny azotek boru)
–o współczynniku cieplnej rozszerzalności liniowej zbliżonym lub tożsamym z
współczynnikiem cieplnej rozszerzalności liniowej diamentu lub regularnego azotku
boru;
–utrzymującym ziarno ścierne w pierścieniu roboczym do momentu zatępienia i
wpływającym na samoostrzenie ziarna;
–o odpowiedniej twardości i wytrzymałości na zginanie;
–nie reagujących z materiałem obrabianymi.
Prezentowana praca dotyczy pierwszej części badań nad wybranymi właściwościami
__________
1
Instytut Zaawansowanych Technologii
[email protected]
2
Instytut Zaawansowanych Technologii
[email protected]
3
Instytut Zaawansowanych Technologii
[email protected]
4
Instytut Zaawansowanych Technologii
[email protected]
Wytwarzania, 30 – 011 Kraków, ul. Wrocławska 37,
Wytwarzania, 30 – 011 Kraków, ul. Wrocławska 37,
Wytwarzania, 30 – 011 Kraków, ul. Wrocławska 37,
Wytwarzania, 30 – 011 Kraków, ul. Wrocławska 37,
- 369 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
fizyko–chemicznymi spoiw z grupy szkieł układu SiO2–Al2O3–BaO–B2O3–Na2O.
2. SUROWCE WYJŚCIOWE I METODYKA BADAŃ
Do badań wybrano pięć wariantów szkieł z układu SiO2–Al2O3–B2O3–Na2O–BaO.
Jako surowców wyjściowych użyto:
–dwutlenku krzemu SiO2 cz. d. a
–uwodnionego azotanu glinu Al2(NO3)3x9H2O–cz.d.a. lub wodorotlenku glinu
Al (OH)3–cz.d.a.
–węglanu baru–BaCO3–cz.d.a,
–kwasu borowego–H3BO3–cz.d.a
–węglanu sodu–Na2CO3–cz.d.a.
Po dokładnym zmieleniu, przesianiu i wymieszaniu surowców, umieszczono je w
tyglach korundowych i frytowano w temperaturze powyżej 13500C. Po frytowaniu po
raz kolejny mielono i przesiewano szkło. Wszystkie fryty szkieł były całkowicie
przezroczyste o odcieniu niebieskawym. W związku ze zgłoszeniem patentowym
nowo opracowanych spoiw nie zostanie w tej publikacji ujawniony procentowy skład
chemiczny szkieł.
Na otrzymanych materiałach przeprowadzono:
–badania gęstości helowej, posługując się piknometrem helowym Accu Pyc II
1340V10, stosując 5 prób równoległych;
–badania rentgenograficzne z użyciem dyfraktometru Panalytical Empiriam z lampą
miedzianą w zakresie kątów 2 teta od 5 do 90 stopni;
–obliczenia stabilności termodynamicznej zestawów szkieł algorytmem VCS dla
temperatur 700, 900, 1300 i 1500oC przy dwóch założeniach: całkowitej mieszalności
fazy ciekłej i gazowej lub całkowitej niemieszalności fazy ciekłej i gazowej;
–badania reaktywności surowców szklistych i szkieł po wytopie wykorzystując
różnicową kalorymetrię skaningową (DSC–urządzenie STA-449 Jupiter F3) i
quadropulową spektrometrię polową (spektrometr QMS);
–badania zwilżalności do podłoży z węglika krzemu lub submikrokrystalicznego
korundu spiekanego na mikroskopie grzewczym wysokotemperaturowym typu
Leitza –Watzlera, metodą rozpływającej się kropli.
3. WYNIKI I DYSKUSJA
3.1. GĘSTOŚĆ SZKIEŁ
Badane szkła były lekkie, charakteryzowały się niską gęstością, wahającą się
między 2,34 (W4) a 2,69 g/cm3 (Ba23b). Widocznym było, że wraz z obniżeniem
zawartości krzemionki w szkle, malała gęstość szkła. Nieznaczny wzrost zawartości
tlenku baru, przy stałym poziomie dwutlenku krzemu i obniżonej zawartości tlenku
glinu nie wpłynął znacząco na podniesienie gęstości.
- 370 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Gęstość badanych szkieł
Numer wariantu szkła
Gęstość [g/cm3]
W1
2,4548
W2
2,5347
W3
2,4320
W4
2,3426
Ba 23 bis
2,6912
3.2. OBLICZENIA STABILNOŚCI TERMODYNAMICZNEJ SZKIEŁ ALGORYTMEM VCS
Stabilność chemiczną połączeń między składnikami szkieł określono na drodze
obliczeń potencjału termodynamicznego metodą algorytmu VCS, który brał pod
uwagę stabilność prawdopodobnych produktów reakcji. Obliczenia równowag
prowadzono dla czterech wariantów szkieł z układu SiO2–Al2O3–BaO–B2O3–Na2O z
temperatur 700oC, 900oC, 1350oC, 1500oC w warunkach ciśnienia atmosferycznego
1013 hPa. Stosunki molowe składników przyjęto biorąc pod uwagę ich rzeczywiste
wartości. Założono, że składniki szkieł w tych zakresach temperatur mogły
występować: w wieloskładnikowej fazie gazowej i fazach skondensowanych czystych
(ciekłych i stałych ). Nie jest wiadomym, czy substancje ciekłe tworzyły fazy czyste
(nie mieszające się ze sobą) czy też tworzyły fazę ciekłą o nieograniczonej
mieszalności, w związku z tym obliczenia wykonano przy obu założeniach. Spośród
około 100 prawdopodobnych związków stabilnych było 10, z czego w stanie stałym 3.
Zestawienie stałych, stabilnych związków chemicznych na przykładzie szkła wariantu
1 przedstawiono w tabelach 2 i 3.
Tabela 2. Obliczenia stabilności termodynamicznej prekursorów szkła, wariant 1 założenie 1
Nazwa związku w fazie stałej
7000C
900oC
1350oC
15000C
NaAlSi3O8
0,9096
0,92326
–
–
Al4B2O9
0,0772
0,0430
–
–
Al6BSi2O13
–
–
0,15674
0,15674
BaSi2O5
–
–
0,08201
0,08201
SiO2
–
–
2,4153
2,4153
Przy założeniu pierwszym w temperaturach wysokich (1350, 1500oC) stabilne
powinny być trzy związki: borokrzemian glinu (Al6BSi2O13), krzemian baru (BaSi2O5)
- 371 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
i dwutlenek krzemu(SiO2), przy założeniu drugim jedynie borokrzemian glinu
(Al6BSi2O13).Podobnie jest w pozostałych szkłach. Weryfikację istnienia tych
związków w szkle przeprowadzono w oparciu o badania rentgenograficzne.
Tabela 3. Obliczenia stabilności termodynamicznej prekursorów szkła, wariant 1 założenie 2
7000C
900oC
NaAlSi3O8 c.s
0.89295
0.86483
–
–
Al4B2O9 c.s
0.01188
0.01891
–
–
Nazwa związku w fazie stałej
Al6BSi2O13 c.s
–
–
13500C
0.15674
15000C
0.15674
3.3. BADANIA RENTGENOGRAFICZNE SZKIEŁ
Badania rentgenograficzne szkieł jednoznacznie wykazały pełną amorficzność
wszystkich badanych szkieł, o czym świadczyło podwyższenie tła w zakresie niskich
kątów i brak wykształconych, ostrych pików w całym badanym zakresie kątowym.
(rys1–rentgenogram szkła W1). Nie stwierdzono istnienia krystalicznego
borokrzemianu glinu (Al6BSi2O13).
Rysunek 1. Przykładowy rentgenogram szkła, wariant W1
3.4. BADANIA RÓŻNICOWĄ KALORYMETRIĄ SKANINGOWĄ
Analizę termiczną surowców wyjściowych pięciu wariantów szkieł i szkła
wariantu W1 przeprowadzono w oparciu o różnicową kalorymetrię skaningową.
Metoda ta polega na rejestrowaniu energii koniecznej do sprowadzenia do zera
różnicy temperatur badanej próbki i substancji wzorcowej w funkcji temperatury lub
czasu. Kształtem krzywa DSC wykazuje dużą zgodność z krzywą DTA. Pik
endotermiczny powstaje wówczas gdy temperatura badanej próbki jest niższa od
wzorcowej, a pik egzotermiczny, gdy temperatura badanej próbki jest wyższa od
- 372 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
wzorcowej.
Próbki zawierające mieszaniny surowców (prekursorów) szkieł ogrzewano z
prędkością 5oC/min do temperatury 1400oC. Analizując poszczególne wykresy można
stwierdzić, że prawie pełny rozkład surowców z wydzieleniem wody lub CO2
zachodził do temperatury 350oC, o czym świadczyły poszczególne piki
endotermiczne. Najwcześniej uwalniała się woda pochodząca z uwodnionego azotanu
glinu (dla wariantu W1–71,0oC, 78,7oC, 90,3oC, 127,0oC), następnie woda pochodząca
z rozkładu kwasu borowego(W1–127,3oC) i CO2 pochodzący z rozkładu węglanu
sodu. W temperaturze 548oC na krzywych W2 i Ba23bis pojawiło się przegięcie
sygnalizujące przemianę polimorficzną dwutlenku krzemu z pojawieniem się fazy
wysokotemperaturowej gamma. Na wszystkich wykresach w temperaturze około
1321oC widoczny był pik obrazujący topnienie węglanu baru. Pełna homogenizacja
mieszanin prekursorów zachodziła powyżej 1350oC(wykres W1–DSC na rys 2 i 3)
Analizując wykres DSC szkła w1 można było stwierdzić, że w temperaturze 542oC
następuje witryfikacja, a w 649,8oC rozpoczyna się proces mięknienia. Na krzywej TG
nie były widoczne ubytki masy szkła podczas ogrzewania.
Rysunek 2. Krzywa DSC prekursorów szkła, wariant 1
- 373 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
Rysunek 3. Krzywa DSC szkła, wariant 1
3.5. BADANIA ZWILŻALNOŚCI SZKIEŁ
Badania zwilżalności szkieł do podłoży z węglika krzemu lub
submikrokrystalicznego korundu spiekanego przeprowadzono wykorzystując
wysokotemp eraturowy mikroskop typu Leitza–Watzlera. Węglik krzemu stosowany
jest w ściernicach diamentowych jako wypełniacz lub ziarno wspomagające. Podłoże
z SiC, nie było odgazowywane w próżni, dlatego zawierało zaadsorbowane z
powietrza gazy (tlen ,azot), a długotrwała kąpiel w alkoholu nie odtłuściła w całości
powierzchni. W związku z tym zaobserwowano podwyższoną temperaturę spiekania
(dla wszystkich wariantów szkieł w granicach 620–670oC) i temperaturę rozpływu
kropli (920–970oC).
Skrajny kąt zwilżania wahał się w granicach teta mniejsze niż 40o. Wszystkie badane
szkła lepiej zwilżały submikrokrystaliczny korund spiekany (W1<20o) w niższych
temperaturach (880–930oC)
T = 40oC
T = 750oC
Rysunek 4. Zwilżanie podłoża z SiC szkłem W1
- 374 -
T = 945oC
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
T = 260oC
T = 766oC
T = 934oC
Rysunek 5. Zwilżanie podłoża cubitronowego szkłem W1
3. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone do tej pory badania pozwoliły stwierdzić, że:
–wytypowane szkła spełniły kryteria zastosowania ich jako spoiw do narzędzi
ściernych diamentowych;
–otrzymane drogą frytowania szkła należały do grupy lekkich (ρ <2,64g/cm3), były
całkowicie przezroczyste z odcieniem niebieskawym;
–obliczenia stabilności termodynamicznej prekursorów szkieł algorytmem VCS
wykazały stabilność trzech związków w wysokich temperaturach krzemianu baru,
dwutlenku krzemu i borokrzemianu glinu zgodnie z założeniem 1 lub tylko
borokrzemianu baru zgodnie z założeniem drugim. Badania rentgenograficzne tego
nie potwierdziły wskazując na istnienie szkieł w czystej amorficznej postaci
–różnicowa kalorymetria skaningowa prekursorów szkieł wykazała ich rozkład z
wydzieleniem wody lub CO2 do temperatury 350oC. Całość zestawów ulegała
pełnej homogenizacji powyżej 1350oC
–wszystkie warianty szkieł dobrze zwilżały podłoża, chociaż wszystkie szkła lepiej
zwilżały submikrokrystaliczny korund spiekany niż węglik krzemu.
Praca została zrealizowana w ramach Umowy Nr PBS1/A5/7/2012 o
wykonanie i finansowanie projektu realizowanego w ramach Programu
Badań Stosowanych w Ścieżce A, pt. : ”Zastosowanie najnowszej generacji
kompozytów DDCC i BNDCC na narzędzia skrawające”
LITERATURA
[1] ROSIŃSKI M., CHRZANOWSKI W, SPYCHALSKI M., MICHALSKI A. Wpływ parametrów
procesu szlifowania na stan powierzchni kompozytu WCCo/diament wytwarzanego metodą PPS
Materiały Ceramiczne, 64, 2012, 3, 314-318
- 375 -
MECHANIK NR 8-9/2013
XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ
[2] LIN K-H, PENG S-F, LIN S-T Sintering parameters and wear performances of vitrified bond
diamond grinding wheels International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, [W] Elsevier
vol 25, 2007, 25-31.
[3] JACKSON M.J. HITCHINER M.P. High Performance Grinding and Advanced Cutting Tools chapter
2 [W]: Springer Science+Business Media New York, 2013.
[4] HOUY-G et.al. Effect of porosity on the grinding performance of vitrified bond diamond wheels for
grinding PCD blades Ceramics International 2012, http://dx doi.org/101016/ceramint.2012304.074
[5] WANG Y et al. Influence of zinc particles on oxidation resistance of diamond/borosilicate glass
compositions Diffusion and Defect Data PtB :Solid State Phenomena 175, 2011, 8–12.
[6] PROCYK B., STANIEWICZ-BRUDNIK B., MAJEWSKA-ALBIN K.: Investigations of wettability
and reactivity in glass/carbon and glass/ceramic systems. [W:] HTC-2000 High Temperature
Capillarity, Third International Conference, 19-22 November, Kurashiki, Japan. Transactions of
JWRI , 30, 2001, 149-154.[W]: Osaka University: 2001 .
- 376 -