高性能CBN砂轮陶瓷结合剂研究进展

　　　立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料，不但具有金刚石的一些优良特性，还具备优于金刚石的耐热性以及对铁族金属的化学惰性。CBN磨具特别适合加工高速钢、耐热钢、高强度钢、高温合金等难加工的材料。

　　　目前的CBN砂轮结合剂主要有金属、树脂和陶瓷三种，其中陶瓷结合剂的CBN砂轮性能最优，具备切削锋利、磨削力小、强度高、有充足气孔、生产效率高、易整形和修锐、磨削进度高等优点。随着现代加工技术的不断进步，加工精度、加工效率、加工质量不断提高，陶瓷结合剂CBN磨具的地位越发凸显，己成为国内外学者研究开发的热点，图1显示了近30年来国内外学者在陶瓷结合剂CBN砂轮方而的研究情况。

　　　目前，国内研究陶瓷结合剂CBN磨具的主要有： 东北大学、南京航空航天大学、河南工业大学、湖南大学、天津大学、郑州磨料磨具磨削研究所有限公司等高等院校和企业。近5年内国内学术机构在CBN砂轮 用陶瓷结合剂方面的发文比例，如图2所示。国外研 究陶瓷结合剂CBN磨具主要有美国的密歇根大学、日本的关西大学、德国的福特旺根大学等高校，国外主要 。

　　　南通首超超硬材料有限公司，就目前国内的陶瓷结合剂CBN砂轮发展水平而 言，其在使用性能上与国外比还有一定的差距，主要原 因在于结合剂组分的选择、配比，以及砂轮的制备工艺 等方面。本文从陶瓷结合基础体系出发，在探讨结合 剂性能指标的基础上，围绕结合剂组分的选择、配比以 及砂轮的制备工艺方面的研究进展进行综述。

1 结合剂基础体系

　　　目前，国内外研究和应用较为成熟的低温陶瓷结 合剂体系主要包括：铝硅酸盐体系、硼硅酸盐体系和硼铝硅酸盐体系。

　　　英国的M. J. Jackson等以铝硅酸盐为基础体 系，研究了K2O-CaO的添加量对结合剂性能的影响。 T.I.Barry等同样以铝硅酸盐为基础体系，分析了 引入Li2O、K2O、Na2O、Zr〇2等成分后结合剂的性能。 日本学者以硼硅酸盐为基础体系，研究了添加少量的 Al2O3和CaO、MgO、ZnO、BaO等氧化物后的结合剂性能变化。

　　　近年来，学者们多以硼铝硅酸盐为基础体系，研究结合剂组分及配比。硼铝硅酸盐基础体系的配比如表2所示。陶瓷结合剂的化学组分就是在基础 体系的基础上再添加相应的玻璃体系氧化物。

　　　陶瓷结合剂主要是由玻璃体、玻璃中间体以及玻璃调整体氧化物组成的。其中，玻璃体是陶瓷结合剂的主要成分，能形成网格体结构，是陶瓷结合剂的骨 架，起着把持磨粒，将结合剂黏结成体的作用。中间体 是介于玻璃体和调整体之间的氧化物，不能独立的生成玻璃，此类氧化物同时具有共价性与离子性，只是离子性占主要，当氧化物被夺氧后，即可参与组网，生成 新的网格体（又称补网），从而在不降低结合剂强度的 前提下，改善结合剂的流动性、高温润湿性，热膨胀性等结合剂性能。玻璃调整体适宜充当助熔剂来降低结 合剂的耐火度，保证结合剂能够在较低温度条件下完 成烧结。此类型的典型氧化物有Li2O、Na20、K20 等，它们的共同点是熔点低、活性高，升温时易产生游 离的“自由氧”，该游离“自由氧”易破坏基础体系中的 Si-Si键，改变硅氧三维网络结构，因此降低结合剂的耐火度，进而实现结合剂在较低温度下的烧结。

　　　另外， 碱金属氧化物R2O或RO还会与B2O3、Al2〇3发生作 用，产生“硼一铝反常现象”。理论上，当（R20+RO)= (Al2〇3+B203)的摩尔比为1时，碱金属氧化物的添加既能降低结合剂的耐火度，又能较好提高结合剂的强度，这点己经在陈日月、马文闵、刘晓磐等的研究中得到证实。

2 结合剂化学组分研究

　　　对结合剂化学组分研究的目的是在保证结合剂能够在低温条件完成烧结的前提下，通过改变结合剂化学组分的比例或添加新的化学原料，寻求性能尽可能高的结合剂配方。

　　　湖南大学王志起等研究了金属Fe、Co、Ni以 及Ti对陶瓷结合剂性能的影响，研究发现：当金属Fe 粉的添加质量分数小于20%时，结合剂的耐火度随着 Fe粉质量分数的增加而降低；金属Co粉的添加能够使结合剂耐火度增高；添加金属Ni对结合剂的耐火度和流动性影响不明显，但是对结合剂的抗折强度有一 定影响；随着金属Ni质量分数的增多，结合剂抗折强 度先增大后减小，当Ni的质量分数达到15%时，结合剂的抗折强度最大；添加金属Ti能够改善结合剂润湿 性和抗折强度，同时也对耐火度有一定影响，随着金属 Ti添加量的增多，结合剂的耐火度先增大后减小，当 Ti的质量分数为15%时结合剂耐火度最低。

　　　天津大学程丽霞研究了Cu、Al、Ni属粉对 陶瓷结合剂性能的影响，研究发现：Cu的加入对结合 剂的耐火度和流动性影响不大，但是会使结合剂膨胀 系数增大；Al的加入使结合剂的耐火度升高，流动性 降低，膨胀系数降低；Ni的添加对结合剂的耐火度和 流动性有一定影响，随着Ni添加量的增多，结合剂耐 火度出现先降后升的变化规律，而结合剂的流动性则 出现先升后将的变化规律（这与王志起的研究略有不 同），结合剂的抗折强度则随着Ni添加量的增多而先 增大后减小；当Cu、Al、Ni的添加质量分数分别为 4%、2%、6%时，结合剂有较好的微观形貌和抗折 强度。