超硬磨具納米陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

超硬磨具納米陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

文章分析了超硬磨具用納米陶瓷結(jié)合劑的典型特征，針對其制備方法和最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，討論了目前納米陶瓷結(jié)合劑研究中可能存在的問題及對策。納米陶瓷結(jié)合劑的研究有助于超硬磨具進(jìn)一步適應(yīng)超高速和超精密等特種磨削技術(shù)的基本要求，并對其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具有重要作用。

超硬磨具;納米材料;陶瓷結(jié)合劑;研究進(jìn)展

1 引 言

超硬磨具是以人造金剛石或立方氮化硼為磨粒，加上陶瓷、樹脂或金屬等不同種類結(jié)合劑所制成的磨具［1］。由于超硬磨具具有磨損少、使用周期長、磨削比高和切削鋒利等特點(diǎn)，在材料磨削加工方面具有重要應(yīng)用前景。在超硬磨具中，對磨具有關(guān)鍵性影響的是結(jié)合劑［2-3］。陶瓷結(jié)合劑與其它結(jié)合劑相比，具有良好的自銳性、抗熱性，對酸、堿和油等環(huán)境有很好的惰性，還具有把持力強(qiáng)，硬度高，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，可以滿足各種精度要求的磨削加工［4-7］。但是，普通的無機(jī)陶瓷結(jié)合劑較高的燒結(jié)溫度、較低的抗折強(qiáng)度及自身脆性等，嚴(yán)重限制了超硬磨具在超高速和超精密等特種磨削加工方面的應(yīng)用［8-10］。為了解決這一問題，圍繞如何降低燒結(jié)溫度和改善陶瓷結(jié)合劑的脆性等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了不少研究，取得了一定進(jìn)展;其中通過開發(fā)納米陶瓷結(jié)合劑較好地實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑的增韌補(bǔ)強(qiáng)［11-12］。納米陶瓷結(jié)合劑一般是在基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中加入納米級的粉體而得到的一種納米復(fù)合材料。這種納米陶瓷結(jié)合劑由于納米材料的添加，自身表現(xiàn)出良好的特性，可在一定程度上解決陶瓷結(jié)合劑的低溫高強(qiáng)問題。目前，納米陶瓷結(jié)合劑的研究熱點(diǎn)主要集中在制備方法、添加納米物種類和相關(guān)機(jī)理研究等方面。

本文從分析納米陶瓷結(jié)合劑的典型特征入手，綜述了納米陶瓷結(jié)合劑的制備方法和研究現(xiàn)狀。正因?yàn)榧{米陶瓷結(jié)合劑具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，日益成為超硬磨具用新型陶瓷結(jié)合劑的研究熱點(diǎn)。

2 納米陶瓷結(jié)合劑的典型特征

通過學(xué)者們多年的研究，超硬磨具用納米陶瓷結(jié)合劑在理論和實(shí)踐應(yīng)用方面有了較大進(jìn)展。分析起來，納米陶瓷結(jié)合劑具有以下幾個(gè)方面的典型特征:

(1)用于超高速磨削加工的納米陶瓷結(jié)合劑一定程度上解決了普通陶瓷結(jié)合劑強(qiáng)度低的問題。這是因?yàn)樵谔沾山Y(jié)合劑中納米材料的混入一定程度上修復(fù)了陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)本身以及氣孔生成的細(xì)微缺陷，較大程度改善了陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度以及韌性，起了增韌補(bǔ)強(qiáng)作用，因而可以廣泛用在超高速磨削加工中。

(2)陶瓷結(jié)合劑納米材料的引入在一定程度上提高了對超硬磨料的把持力，磨削效果顯著提高。這是由于添加了納米材料的陶瓷結(jié)合劑的浸潤能力的改善，在燒結(jié)過程中，納米陶瓷結(jié)合劑可以對磨料有顯著的結(jié)合和包覆，也就增加了對磨料的把持力，使得在磨削加工時(shí)的效果更加顯著。

(3)在燒結(jié)過程中，添加了納米材料的納米陶瓷結(jié)合劑有效降低了燒結(jié)溫度和更致密化燒結(jié)。這是由于加入的納米材料具有表面效應(yīng)，納米材料具有很高的一些高活性的粒子與周圍的粒子發(fā)生作用相對容易，這就增強(qiáng)了陶瓷結(jié)合劑的反應(yīng)能力，結(jié)果就是陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度的降低。

3 納米陶瓷結(jié)合劑制備方法

納米陶瓷結(jié)合劑的制備方式，目前主要有三種:直接混料法，球磨法和溶膠－凝膠法。研究表明:超硬磨具用納米陶瓷結(jié)合劑制備方法的不同，其對磨具的影響也不同。直接混料法是目前大多數(shù)研究者使用的方法，它的做法就是讓納米添加劑直接加入到預(yù)先制好的普通陶瓷結(jié)合劑中，不經(jīng)過大型的混料設(shè)備。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，缺點(diǎn)是不易混勻，易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。侯永改等［13］通過直接混料法，將不同劑量的AlN(2～10 wt%)添加到基礎(chǔ)玻璃料R2O－ROB2O3－Al2O3－SiO2中，制得樣條，測試結(jié)果表明:在氬氣氣氛下，當(dāng)AlN添加量為6%時(shí)，陶瓷結(jié)合劑性能最佳，其抗折強(qiáng)度為 70.8 MPa、沖擊強(qiáng)度為12.3 kJ m－2、硬度為810MPa。相對來說，陶瓷結(jié)合劑性能得到改善。

球磨法的做法就是把陶瓷結(jié)合劑原料和納米添加物一起放到球磨機(jī)中，球磨機(jī)設(shè)定一定的時(shí)間和頻率通過振動(dòng)和研磨來讓它混合均勻。所以球磨法的優(yōu)點(diǎn)是可以把原料混勻，缺點(diǎn)是易引入雜質(zhì)。張景強(qiáng)等［14-16］通過高頻共振球磨的方法，把不同含量、不同種類的納米SiO2、Al2O3、ZrO2添加物和陶瓷結(jié)合劑原料一起放入高頻共振球磨機(jī)約8～10小時(shí)，然后壓制成型，燒結(jié)得到樣品，經(jīng)過一系列分析測試，結(jié)果表明:添加納米SiO2為5%、納米Al2O3為10%、納米ZrO2為3%的多納米成分的陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度為83.75MPa，耐火度為795℃，可以用于特種磨削。

溶膠－凝膠法就是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解直接形成溶膠或經(jīng)解凝形成溶膠，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機(jī)成分，最后得到無機(jī)材料。這種方法可以處理由于納米材料的活性大而產(chǎn)生的團(tuán)聚，解決分散到陶瓷結(jié)合劑中不均勻的問題。胡偉達(dá)等［17］在這方面做了許多探索，通過該法的工藝調(diào)整制備了Na2O－B2O3－Al2O3－SiO2系陶瓷結(jié)合劑原料，得到的最好工藝參數(shù)為:加水量r(nH2O/ nTEOS)為60，pH調(diào)節(jié)為4，凝膠化溫度為70℃，后續(xù)凝膠熱處理溫度為500℃，最后經(jīng)球磨處理并過200目篩網(wǎng)，制得陶瓷結(jié)合劑粉末。

綜上，以上三種方法都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，當(dāng)前可以在方法改良方面進(jìn)一步工作，開發(fā)出簡便高效的納米陶瓷結(jié)合劑制備方法是必然要求。我們課題組用超聲化學(xué)方法將納米添加物引入到陶瓷結(jié)合劑中，取得了顯著進(jìn)展。

4 納米陶瓷結(jié)合劑研究現(xiàn)狀

作為新型的超硬磨具用陶瓷結(jié)合劑，納米陶瓷結(jié)合劑較好地解決了傳統(tǒng)結(jié)合劑低熔高強(qiáng)的問題，成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前納米陶瓷結(jié)合劑除了制備方法的研究之外，研究者們也從不同種類的納米添加物入手，常見的納米添加物主要有納米氧化物、納米氮化物和其他添加物。

侯永改等［18］研究了添加納米ZrO2對結(jié)合劑的影響，對樣條進(jìn)行一系列測試，結(jié)果:納米ZrO2添加量為8%時(shí)，納米陶瓷結(jié)合劑性能最優(yōu)，抗折強(qiáng)度為63.41MPa，氣孔分布均勻，微觀結(jié)構(gòu)良好。萬隆等［19－20］研究了添加Li2O、ZnO和MgO對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)添加Li2O能降低結(jié)合劑的耐火度，結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度得到增加，在研究ZnO、MgO與Li2O的比例時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)(摩爾比)Li2O∶ZnO=2∶1時(shí)，MgO∶Li2O=0.67∶1時(shí)，結(jié)合劑的性能比較好。Cui等［21］研究了Y2O3添加對cBN磨具用Li2O－ZnO－Al2O3－SiO2(LZAS)陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究結(jié)果表明，Y2O3充當(dāng)了硅氧四面體周圍的成網(wǎng)體，在玻璃中引入Y2O3提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度，并且晶體形貌取決于Y2O3的含量;當(dāng)Y2O3的含量為1.0mol%時(shí)，結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)與cBN磨料基本相當(dāng)，結(jié)合劑的顯微硬度高達(dá)5.98 GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)202 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。He等［22］研究不同WO3含量對SiO2－B2O3－Al2O3－CaO系陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，隨著WO3含量的增加，硼氧四面體減少、硼氧三角形降低和CaWO4相增加，抗折強(qiáng)度提高，當(dāng)WO3含量為2.0wt%時(shí)，結(jié)合劑抗折強(qiáng)度可達(dá)114MPa，熱膨脹系數(shù)為6.8020× 10－6℃－1，與金剛石接近。

Li等［23］研究了AlN添加對陶瓷結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑cBN復(fù)合材料的熱性能和機(jī)械性能。陶瓷結(jié)合劑是以SiO2－LiO2－Na2O－ZnO基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑填充AlN而成，陶瓷結(jié)合劑cBN復(fù)合材料是以陶瓷結(jié)合劑與cBN結(jié)合而成，研究表明:當(dāng)AlN含量由0wt%到8wt%時(shí)，熱導(dǎo)率從0.74W/m·K升高到1.44W/m· K，熱導(dǎo)率的顯著提高歸因于熱導(dǎo)通道和α-磷石英新相的形成。Shang等［24］研究了納米AlN添加和燒結(jié)溫度對低溫陶瓷結(jié)合劑的影響，結(jié)果表明:當(dāng)添加量為6.0wt%時(shí)，結(jié)合劑強(qiáng)度從20MPa升至40MPa，顯著提高了結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度，同時(shí)抗磨性能明顯改善。Hou等［25］研究了納米AlN添加和不同氣氛燒結(jié)對Na2O－SiO2－B2O3陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)和性能影響。結(jié)果表明:在氬氣氣氛中，納米AlN添加量為6.0wt%時(shí)，結(jié)合劑抗折強(qiáng)度最大。

除了納米氧化物和納米氮化物外，研究者也對納米復(fù)合材料進(jìn)行了一定研究。陳飛曉等［26］向Na2O–Al2O3–SiO2–B2O3系基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中加入不同劑量的納米Ti(C，N)粉體得到納米陶瓷結(jié)合劑。結(jié)果表明:加入6wt%納米Ti(C，N)的陶瓷結(jié)合劑的性能最佳，其抗折強(qiáng)度與未添加相比增加了39.92 MPa，流動(dòng)性有了一定改善。燕山大學(xué)王艷輝等［27-29］研究了納米陶瓷結(jié)合劑，結(jié)果表明納米添加物的添加提高了結(jié)合劑強(qiáng)度和耐磨性，使流動(dòng)性和氣孔等方面有了一定的改善，也降低了耐火度。

總體上，納米陶瓷結(jié)合劑已呈現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，但是國內(nèi)外相關(guān)研究還應(yīng)當(dāng)深入開展，特別是對于影響機(jī)理的直接研究需重之。我們課題組開展了不同維度和不同種類納米材料復(fù)合陶瓷結(jié)合劑的制備及應(yīng)用工作，取得了一定進(jìn)展。

5 可能存在的問題及對策

陶瓷結(jié)合劑以其獨(dú)特的性能，在工業(yè)加工中有著不可替代的作用，較好的自銳性，較高的硬度，是人們選擇它的主要目的。然而，其脆性較大，抗沖擊強(qiáng)度較低等，仍然制約其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用;納米陶瓷結(jié)合劑的開發(fā)可望很好地解決這些問題。納米陶瓷結(jié)合劑有很多優(yōu)異的性能，比如強(qiáng)度高，燒結(jié)溫度低等，但是目前也存在一些問題亟待解決。首先，納米陶瓷結(jié)合劑在混料時(shí)易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，不易分散;其次，由于納米材料的表面效應(yīng)，使得納米材料的比表面積大，在坯料成型階段不易壓制成型;最后，納米材料的反應(yīng)活性大，在燒結(jié)階段易于異常長大或反應(yīng)等。

針對這些問題，建議從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)工作:

(1)對傳統(tǒng)的混料方法進(jìn)行改進(jìn)，探索實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)手段的協(xié)同作用的有效途徑;也可以采用溶膠－凝膠法，實(shí)現(xiàn)其分子級別的均勻混合，解決混料時(shí)團(tuán)聚現(xiàn)象。

(2)采用適宜的熱壓等新型壓制工藝，解決坯料不易成型問題，但應(yīng)注意成型壓力的合理調(diào)控等。

(3)進(jìn)一步研究納米陶瓷結(jié)合劑的微觀機(jī)理，篩選合適的晶粒抑制物質(zhì)作為微量添加劑，解決燒結(jié)階段的異常長大等問題。

(4)進(jìn)一步系統(tǒng)研究不同種類納米材料對陶瓷結(jié)合劑以及超硬磨具微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，其中在納米材料形貌結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合材料添加方面應(yīng)特別關(guān)注。

隨著人們對零件的加工精度和速度越來越高，超硬磨具納米陶瓷結(jié)合劑的應(yīng)用已成必然，它大大拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，在航空航天等高端材料加工領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢［30］，也必然成為廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

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Research Progress of Nano Ceramic Bond for Superhard Abrasive Tools

LIU Xin-xin，LIU Shi-kai，DENG Shi-wei
(School of Materials Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，China 450001)

Typical characteristics of nano ceramic bond for superhard abrasive tools has been analyzed in this article.And the the possible problems and countermeasures in current research of nano ceramic bond have been discussed based on its preparation methods and the latest research status.The research may help superhard abrasive tools to meet the requirement of the special grinding technologies such as ultrahigh speed and ultra-precision and can play an important role on the expansion of its application domain.

superhard abrasive tools;nano material;ceramic bond;research progress

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0046－04

2016－09－17

河南省科技廳自然科學(xué)項(xiàng)目(152102210271)河南省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(14B430019)

劉鑫鑫(1990－)，男，河南商水人，碩士研究生，主要從事納米陶瓷結(jié)合劑的制備及應(yīng)用研究。E-mail:18638764793@163.com。

劉世凱(1979－)，男，河南登封人，博士，河南工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事納米技術(shù)在超硬材料和磨料磨具中的應(yīng)用研究。E-mail:shikai _liu@haut.edu.cn。

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒.超硬磨具納米陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展［J］.超硬材料工程，2016，28(6):46-49.