納米陶瓷結(jié)合劑的特點(diǎn)和應(yīng)用①

王艷輝，臧建兵

（亞穩(wěn)材料制備科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

納米陶瓷結(jié)合劑的特點(diǎn)和應(yīng)用①

王艷輝，臧建兵

（亞穩(wěn)材料制備科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

文章綜合論述了N68—N83系列納米陶瓷結(jié)合劑性能特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和陶瓷結(jié)合劑超硬工具的應(yīng)用發(fā)展。指出陶瓷結(jié)合劑超硬工具具有組織結(jié)構(gòu)可調(diào)、自銳性好、耐磨壽命長(zhǎng)、不需要保護(hù)氣氛空氣中無(wú)壓燒結(jié)以及可以大批量低成本生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。納米陶瓷結(jié)合劑解決了長(zhǎng)期以來(lái)低熔高強(qiáng)的矛盾，燒結(jié)溫度低至680℃，而結(jié)合劑抗折強(qiáng)度高于100MPa；根據(jù)不同工具的要求，可以在680℃～850℃溫度范圍燒結(jié)，氣孔率在0～95%范圍調(diào)節(jié)；適用于從60目～W0.5全粒度范圍的金剛石和cBN工具制造。

金剛石；cBN；納米；陶瓷結(jié)合劑

0 引言

按照結(jié)合劑種類劃分超硬材料工具，主要分為金屬、樹脂、陶瓷結(jié)合劑三個(gè)大的類別。長(zhǎng)期以來(lái)，金屬和樹脂結(jié)合劑的超硬材料工具占據(jù)市場(chǎng)的主流。但是隨著我國(guó)先進(jìn)加工制造領(lǐng)域的快速拓展，對(duì)陶瓷結(jié)合劑超硬材料工具的需求越來(lái)越大，不僅體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床工具主要采用陶瓷結(jié)合劑工具，其它許多領(lǐng)域，如光學(xué)加工、聚晶復(fù)合片等領(lǐng)域也開始大量采用陶瓷結(jié)合劑工具。許多生產(chǎn)廠家，也發(fā)現(xiàn)了市場(chǎng)對(duì)陶瓷結(jié)合劑工具有越來(lái)越多的需求。可以預(yù)測(cè)，隨著先進(jìn)加工領(lǐng)域?qū)ぞ吒咝屎烷L(zhǎng)壽命的追求，具有高鋒利度和長(zhǎng)壽命的陶瓷結(jié)合劑超硬材料工具會(huì)快速發(fā)展。

陶瓷結(jié)合劑具有高硬度因而具有耐磨性，同時(shí)具有脆性的特點(diǎn)因而又具備良好的自銳性。此外不像金屬結(jié)合劑是無(wú)氣孔的，陶瓷結(jié)合劑可以根據(jù)需要制作不同的氣孔率，來(lái)滿足不同加工條件對(duì)磨削冷卻和排屑的要求。如圖1為超硬陶瓷磨具的“磨粒－結(jié)合劑－氣孔”三角坐標(biāo)圖。圖中A區(qū)為普通陶瓷磨具制造范圍；C區(qū)為金屬超硬材料磨具的制造范圍；B區(qū)為超硬材料磨料陶瓷磨具合適的制造范圍。由圖可見，金屬超硬磨具氣孔率較小，結(jié)構(gòu)致密，而陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨具含有較多的氣孔，氣孔所占體積分?jǐn)?shù)在（10～40）vol%范圍內(nèi)。

圖1 不同結(jié)合劑工具的組織構(gòu)成圖Fig.1 Structure and composition of different bond tools

除了氣孔可調(diào)，陶瓷結(jié)合劑的硬度和耐磨性也同樣可以根據(jù)需要大范圍調(diào)節(jié)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，陶瓷的硬度和耐磨性普遍高于金屬，這為陶瓷結(jié)合劑工具達(dá)到或者超越金屬結(jié)合劑的耐磨性和使用壽命提供了基本依據(jù)。另一方面，通過(guò)組分調(diào)整和燒結(jié)控制，陶瓷結(jié)合劑還可以做得很軟，具備極高的自銳性和鋒利度。因此，陶瓷結(jié)合劑可以大范圍調(diào)整硬度和耐磨性，滿足了不同工具對(duì)自銳性和使用壽命的要求。

陶瓷結(jié)合劑可以制造從60目～W0.5全粒度范圍的金剛石和cBN工具。金屬結(jié)合劑適合于制造粗粒度的工具，當(dāng)磨料的粒度達(dá)到微粉級(jí)，由于金屬的柔韌性，很難出刃，鋒利度差。而陶瓷結(jié)合劑自銳性好，即使微粉粒度只有0.5μm，仍然具有很好的鋒利度。

由于金剛石在800℃以上明顯氧化，立方氮化硼高溫下受到堿性組分的侵蝕，因此低熔高強(qiáng)陶瓷結(jié)合劑是制造國(guó)際先進(jìn)水平的金剛石和cBN陶瓷磨具的關(guān)鍵。多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外通過(guò)對(duì)配方的優(yōu)化、活性添加劑和微晶化試圖改善陶瓷結(jié)合劑的低熔高強(qiáng)性能，但是距離生產(chǎn)高性能和普遍適用性的要求仍然有很大差距。

我們新近發(fā)展的新型納米陶瓷結(jié)合劑解決了陶瓷結(jié)合劑低溫高強(qiáng)的矛盾問(wèn)題，顯著降低了燒結(jié)溫度，大幅度提高了制品強(qiáng)度、韌性和耐磨性，成功獲得了工業(yè)化應(yīng)用。

本文介紹了我們研制成功的一系列納米陶瓷結(jié)合劑的性能特點(diǎn)和應(yīng)用情況。

1 納米陶瓷結(jié)合劑型號(hào)

我們研制成功的一系列納米陶瓷結(jié)合劑，其主要性能特點(diǎn)是：1.燒結(jié)溫度低，陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度650℃～850℃；結(jié)合劑抗折強(qiáng)度高于100MPa。2.密度低，理論密度為2.6，只有金屬結(jié)合劑的1／3，具有成本優(yōu)勢(shì)。3.納米陶瓷結(jié)合劑與金剛石和cBN超硬磨料潤(rùn)濕性良好、結(jié)合力大。4.結(jié)合劑分為致密的和均勻氣孔型的兩大類，并且根據(jù)用戶要求氣孔率可以在大范圍（10%～95%）調(diào)整，適合不同類型工具的開發(fā)。5.納米陶瓷結(jié)合劑適用于全粒度和微粉的金剛石以及cBN磨料。

新型納米陶瓷結(jié)合劑的出現(xiàn)，解決了國(guó)內(nèi)超硬工具制品廠家自行配制、融制玻化陶瓷結(jié)合劑，工序繁雜，影響結(jié)合劑性能的因素眾多，導(dǎo)致制品穩(wěn)定性差的問(wèn)題。采用我們開發(fā)的納米陶瓷結(jié)合劑，廠家只要有一定的工具制造基礎(chǔ)就可以直接使用，工藝和工序簡(jiǎn)化，投資少，極易上馬，有利于開發(fā)出適合用戶自己市場(chǎng)特色的各類工具。

目前定型的產(chǎn)品：納米低溫N680；納米高強(qiáng)N730；納米耐磨N780；納米多孔N830等。如表1所示。

表1 納米陶瓷結(jié)合劑種類Table 1 Categories of nano ceramic bond

2 納米陶瓷結(jié)合劑性能特點(diǎn)和應(yīng)用

納米陶瓷結(jié)合劑N68，適合于全部粒度的微粉超硬工具，特別是粒度細(xì)于W10至W1范圍的超細(xì)微粉工具制造。超硬材料工具制造一般要求結(jié)合劑粒度遠(yuǎn)遠(yuǎn)細(xì)于金剛石，以便結(jié)合劑均勻分布，良好把持金剛石。而普通結(jié)合劑粒度在10微米左右，比W10至W1范圍的超細(xì)微粉還粗，這樣的結(jié)合劑制造超細(xì)微粉工具就不能均勻分布和良好把持金剛石，如圖2所示。納米陶瓷結(jié)合劑則能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)合劑均勻分布并良好把持金剛石。采用納米陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)的金剛石工具，如圖3，結(jié)合劑分布均勻，與超硬磨料潤(rùn)濕性良好、結(jié)合力大。

圖2 納米陶瓷結(jié)合劑與普通結(jié)合劑對(duì)比Fig.2 Comparison between nano ceramic bond and regular bond

圖3 納米陶瓷結(jié)合劑N68與W5金剛石制成的超細(xì)陶瓷磨具場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Field emission scanning electron microscope images of ultrafine vitrified grinding tool made from nano ceramic bond N68and W5diamond

陶瓷結(jié)合劑工具的技術(shù)難題，除了上述超細(xì)微粉的問(wèn)題可以采用納米結(jié)合劑得以解決以外，粗粒度的超硬磨料（140目以粗）制造的工具，容易產(chǎn)生工具強(qiáng)度低和磨粒把持力不足問(wèn)題。這是因?yàn)楦黝惓补ぞ呤怯山Y(jié)合劑和超硬磨料顆粒形成的復(fù)合材料。由于復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)顆粒具有不同的熱膨脹系數(shù)，所以容易在基體－顆粒界面產(chǎn)生應(yīng)力。金剛石和立方氮化硼是強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的晶體，具有比金屬、樹脂和陶瓷結(jié)合劑低的熱膨脹系數(shù)，故在燒結(jié)超硬材料工具的冷卻過(guò)程中，超硬顆粒的收縮小于結(jié)合劑的收縮，在結(jié)合劑中產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖4所示。金屬和樹脂具有良好的塑性和韌性，在其中產(chǎn)生的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度極限，并且通過(guò)一定的塑性變形可以緩解和松弛應(yīng)力；但是對(duì)于脆性的傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑來(lái)說(shuō)，由于其抗拉強(qiáng)度比較小，沒(méi)有塑性，內(nèi)部分布的拉應(yīng)力會(huì)對(duì)陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度造成嚴(yán)重?fù)p害，使結(jié)合劑與超硬磨粒界面處易產(chǎn)生微裂紋，甚至燒結(jié)塊會(huì)碎裂而造成工具廢品。而納米陶瓷結(jié)合劑引入納米級(jí)的顆粒、片晶、晶須和纖維等第二相，不僅降低了超硬材料磨具的燒結(jié)溫度，而且結(jié)合劑的韌性大大提高，有效解決了磨料－傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑界面應(yīng)力問(wèn)題，使得粗顆粒工具的強(qiáng)度大幅度提高。

圖4 超硬工具顆粒－結(jié)合劑界面應(yīng)力分布示意圖Fig.4 Stress distribution diagram of superhard tool particles－bond interface

圖5所示為金剛石／N73陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)試樣的抗折強(qiáng)度，由圖可見，由于金剛石與陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)的差異，結(jié)合劑處在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，且隨著金剛石粒度的增大，拉應(yīng)力增大，使試樣的抗折強(qiáng)度下降；由于尺寸效應(yīng)，納米陶瓷結(jié)合劑比普通結(jié)合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性，低的軟化溫度使得納米陶瓷的燒結(jié)比普通結(jié)合劑的燒結(jié)更加致密化，而好的韌性提高了納米結(jié)合劑的拉應(yīng)力承受極限，因此金剛石／傳統(tǒng)結(jié)合劑試樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于同一制備條件下的金剛石／納米結(jié)合劑試樣的強(qiáng)度。

圖5 金剛石粒度對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石復(fù)合材料強(qiáng)度的影響（a）N73納米陶瓷結(jié)合劑；（b）傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑Fig.5 Effect of diamond grit on strength of vitrified bond diamond composite material（a）nano ceramic bond N73；（b）traditional ceramic bond

陶瓷結(jié)合劑的氣孔對(duì)磨削過(guò)程的容屑、排屑和容納冷卻液有重要影響，許多應(yīng)用要求制作具有一定氣孔率的工具。制作具有氣孔的陶瓷結(jié)合劑工具有多種方法，包括調(diào)節(jié)成型密度、調(diào)整砂結(jié)比、調(diào)整燒結(jié)溫度和人為加入各種造孔劑，等等。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，最終在陶瓷結(jié)合劑工具中形成的氣孔分為理想的氣孔和不理想的氣孔。不理想的氣孔形狀非圓形，而是尖角形狀，對(duì)結(jié)合劑的強(qiáng)度損害很大；同時(shí)氣孔的尺寸分布不均勻，有太多的細(xì)小空隙，這樣的氣孔不能起容屑、斷屑、貯存冷卻液、潤(rùn)滑劑的作用，一般來(lái)說(shuō)，這樣的氣孔是通過(guò)采用低的成型密度或者加入不合適的造孔劑導(dǎo)致的。而理想的氣孔呈圓形，對(duì)結(jié)合劑強(qiáng)度的影響最小，并且氣孔的形狀和尺寸均勻，使得氣孔最大效率發(fā)揮容屑、斷屑、貯存冷卻液、潤(rùn)滑劑的作用。我們研究定型的N83納米陶瓷結(jié)合劑具有理想的圓形氣孔，氣孔率20%，呈現(xiàn)分布均勻、尺寸一致（直徑0.1～0.2mm）的氣孔特征。按照用戶要求，氣孔率也可以在20%～95%范圍、氣孔直徑在0.1至幾個(gè)mm范圍，進(jìn)行大幅度可控調(diào)節(jié)。如圖6所示。

從N68—N83，系列納米陶瓷結(jié)合劑產(chǎn)品已經(jīng)成功用于各類陶瓷結(jié)合劑工具的制造，如磨削PCD復(fù)合片的陶瓷金剛石砂輪、磨削光學(xué)玻璃和藍(lán)寶石的金剛石磨盤及硬質(zhì)合金金剛石砂輪、工程陶瓷磨削金剛石砂輪、cBN和金剛石油石等，獲得廠家好評(píng)。

3 陶瓷結(jié)合劑使用說(shuō)明

1）低熔點(diǎn)高強(qiáng)度納米陶瓷結(jié)合劑適用于金剛石和立方氮化硼陶瓷砂輪，具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性好的特點(diǎn)。根據(jù)超硬磨料的種類、粒度號(hào)、超硬磨料濃度、磨削對(duì)象磨削條件及使用磨具的廠家要求；選擇陶瓷結(jié)合劑的型號(hào)及工藝規(guī)范。

2）納米陶瓷結(jié)合劑分為適用于粗粒度（270目以粗）超硬磨料和用于細(xì)粒度（325目以細(xì)，包括微粉）的兩大類；每個(gè)類別結(jié)合劑分成有氣孔（氣孔率約為20%）和無(wú)氣孔兩種。如對(duì)氣孔率有特殊要求，可以單獨(dú)定制。

圖6 氣孔率和氣孔尺寸可調(diào)的納米陶瓷結(jié)合劑Fig.6 Nano vitrified bond with adjustable porosity and pore size

3）適用于各種粒度的陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨具制造。只需按照用戶對(duì)磨具粒度和濃度的要求，直接在本結(jié)合劑中加入超硬磨料，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的混合、成型、燒結(jié)等工序即可制成各類金剛石或cBN磨具，不需加入其它任何組分，不要加入輔助磨料。為了便于成型，可以加入適量的水（15%～25%），毛坯強(qiáng)度不夠，也可以加入糊精；不推薦加入水玻璃。

4）本結(jié)合劑理論密度為2.68。具體磨具的填料量，根據(jù)結(jié)合劑的量及超硬磨料的含量經(jīng)過(guò)理論計(jì)算初步確定，計(jì)算公式如下：

ρ（理論密度）＝1／［（結(jié)合劑重量百分比／2.68）＋（超硬磨料重量百分比／3.52）］

陶瓷結(jié)合劑工具金剛石濃度較高，一般120%～200%，常用140%～160%。簡(jiǎn)單配料可以金剛石和結(jié)合劑1∶1的重量，這樣大概金剛石濃度為150%。

5）成型壓力＞30MPa；無(wú)氣孔結(jié)合劑燒成收縮約10%，取決于超硬磨料加入量及成型密度；請(qǐng)務(wù)必進(jìn)行試驗(yàn)燒結(jié)，根據(jù)試驗(yàn)確定模具放尺。

6）注意結(jié)合劑與超硬磨?；旌暇鶆?，混料時(shí)間大于2小時(shí)。

7）本結(jié)合劑燒結(jié)在空氣下進(jìn)行，不需要保護(hù)氣氛。金剛石磨具燒結(jié)溫度在680℃～800℃，根據(jù)結(jié)合劑型號(hào)確定燒結(jié)工藝；cBN磨具燒結(jié)溫度在750℃～850℃。

8）耐火板上鋪W20－W40剛玉粉，放上毛坯；燒結(jié)過(guò)程務(wù)必保持氧化氣氛和壓坯周圍透氣性，可以在350℃～450°C保溫1～2小時(shí)。根據(jù)磨具尺寸大小燒結(jié)溫度再保溫1～3小時(shí)。對(duì)于簡(jiǎn)單形狀及小尺寸磨具，可以隨爐升溫，隨爐冷卻，禁止打開爐門快速冷卻；對(duì)于復(fù)雜形狀及大尺寸磨具，可以在升溫和降溫過(guò)程中，400℃～700℃區(qū)間設(shè)置保溫平臺(tái)。

Characteristics and applications of nano－vitrified bond

WANG Yan－h(huán)ui，ZANG Jian－bing
（State Key Laboratory of Metastable Materials Science ＆Technology，College of Materials Science and Engineering of Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China）

In this paper，the author comprehensively reviews the performance characteristics，key technique index of the N68－N83series nano－vitrified bond as well as the application development of vitrified bond superhard tools.Many advantages of vitrified bond superhard tools are pointed out，including structure of adjustable，good self－sharpening，long wear life，non－protective atmosphere air pressure sintering，large quantities of low cost production，etc.The long－time existing contradiction between low melting point and high strength has been solved with the use of nano－vitrified bond.The sintering temperature can be as low as 680℃while binder bending strength can be higher than 100Mpa.According to different requirements，the sintering temperature and porosity rate can range from 680℃to 850℃and from 0to 95%respectively.Nano vitrified bond is suitable for all size particles（from 60mesh to W0.5）diamond and cBN tools manufacture.

diamond；cBN；nanometer；vitrified bond

TQ164

A

1673－1433（2013）01－0020－05

2013－02－21

王艷輝（1963－），男，河北人，燕山大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士學(xué)位，研究方向：超硬材料及制品。