分散劑和消泡劑對溶膠原位成型所制砂輪性能的影響

萬隆+劉瑩瑩+王俊沙+李建偉+徐俊杰+李穎穎

摘 要：以金剛石微粉和硅溶膠等為原料，采用溶膠-凝膠原位成型法來制備金剛石/陶瓷結合劑砂輪.研究了4種分散劑及3種消泡劑對金剛石/陶瓷結合劑混合漿料和砂輪性能的影響.結果表明：當萘系減水劑添加量（質量分數(shù)）為0.4%時，混合漿料粘度達最小值，分散性和流動性最佳；當有機硅DD消泡劑添加量為0.2%時，復合燒結體顯微結構變均勻，氣孔率最小，抗折強度最大；與無添加劑砂輪相比，添加分散劑和消泡劑的砂輪結構均勻致密，磨削后的硬質合金工件表面質量較好，無較深劃痕，表面粗糙度為0.04 μm.

關鍵詞：溶膠-凝膠；金剛石；分散劑；消泡劑

中圖分類號：TG74；TB332 文獻標志碼：A

Effect of Dispersant and Defoamer on the Properties of Grinding Wheel

Produced by Sol-in-Situ

WAN Long，LIU Yingying，WANG Junsha，LI Jianwei，XU Junjie，LI Yingying

（College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：With micro diamond powder and silica sol as raw materials，the diamond and vitrified grinding wheel were prepared by sol-gel in-situ method.The effect of dispersant and defoamer on the properties of mixed slurry and abrasives was studied.The results show that with 0.4% naphthalene based super plasticizer added，the dispersity and the fluidity of mixed slurry are good，and the viscosity reaches the minimum value.When the addition of silicone defoamer DD is 0.2%，the microstructure of the composite sintered body is uniform with the minimum porosity and the maximum bend strength.Compared with the grinding wheel without additives，the microstructure of grinding wheel with dispersant and defoamer is dense and uniform.The surface quality of cemented carbide grinded by the new designed wheel is better.No deep scratches were observed，and the surface roughness was 0.04 μm.

Key words：sol-gel；diamond；dispersant；defoamer

隨著精密機械裝備、電子、半導體、通訊等高科技產業(yè)的快速發(fā)展，對零部件的加工效率和加工精度提出了越來越高的要求.陶瓷結合劑金剛石砂輪因磨削精度高、磨削溫度低等優(yōu)點備受矚目[1-3].精密磨削用金剛石微粉粒度一般為幾個微米，對于這樣細粒度的磨料，在制備高濃度低粘度漿料過程中容易發(fā)生團聚.因此，減少磨料團聚，降低砂輪磨削過程中對工件表面產生的劃痕，提高工件表面精度，是目前需要解決的問題.Tanaka等[4-5]將溶膠凝膠法應用于砂輪制備中，其所制砂輪加工精度可達納米級，但受專利保護，相關產品并未推向市場.國內，趙玉成等[6]采用高分子網絡凝膠法制備納米金剛石/陶瓷復合燒結塊，但該方法主要用來制備納米氧化物粉體，用該方法制備陶瓷結合劑砂輪仍在探索階段.綜上所述，溶膠凝膠法制備陶瓷結合劑砂輪仍需進一步開展研究.本文以金剛石微粉（3.5 μm）和Si系混合溶膠為原料，采用溶膠-凝膠原位成型法制備金剛石/陶瓷結合劑復合體.研究了不同分散劑

和消泡劑及其用量對金剛石/陶瓷混合漿料的分散性、流動性和粘度及對燒結體氣孔率、強度和顯微結構的影響，探索細化陶瓷結合劑結構，改善砂輪組織結構均勻性的新工藝.

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所使用的金剛石粒度為3.5 μm；Al（NO3）3·9H2O，NaNO3，ZnNO3·6H2O和LiNO3為化學純；分散劑分別采用十二烷基硫酸鈉 [CH3（CH2）11OSO3Na]、磷酸三鈉（Na3PO4·12H2O）、六偏磷酸鈉（NaPO3）6以及萘系減水劑（FDN）；消泡劑分別采用型號為DD，DP-304和DP-307的有機硅消泡劑.

1.2 金剛石/陶瓷結合劑復合體的制備

混合溶膠制備.按表1配方，將化學純Al（NO3）3·9H2O，NaNO3，ZnNO3·6H2O和LiNO3配制成混合溶液，在溫度為50 ℃條件下攪拌，并緩慢加入SiO2溶膠，得到固相組成與陶瓷結合劑相同的混合溶膠.

金剛石/陶瓷結合劑復合體制備.將金剛石微粉緩慢加入上面所制得的混合溶膠中，然后加入分散劑及消泡劑，制得固含量（體積分數(shù)）為60%的混合漿料，真空排泡后，將混合漿料倒入模具內，使其在80 ℃溫度下進行膠凝，之后自然干燥24 h，再經40 ℃/3 h，50 ℃/3 h，60 ℃/2 h，80 ℃/1 h，100 ℃/1 h，120 ℃/1 h加熱干燥.最后在850 ℃/1.5 h的升溫曲線條件下在馬弗爐中燒成得到金剛石/陶瓷結合劑復合燒結體[7].endprint

1.3 性能表征

采用QUANTA-200環(huán)境掃描電鏡觀察試樣顯微形貌；利用DKZ-5000型電動抗折試驗機測試燒結試樣的抗彎強度，跨距為28 mm，長條狀試樣尺寸為45 mm×5 mm×5 mm；采用HR-150DT型洛氏硬度儀測量試樣條的洛氏硬度；采用阿基米德原理測試燒結試樣的氣孔率；采用涂4杯測試料漿粘度；采用HZ-Y150型磨床進行磨削實驗，砂輪規(guī)格： 62 mm×32 mm×10 mm，砂輪轉速為30 m/s，磨削工件為YG8硬質合金，利用日本CCI1000型白光干涉儀對工件表面形貌和表面粗糙度進行表征.

2 結果與討論

2.1 分散劑對金剛石/陶瓷混合漿料穩(wěn)定性的影響

圖1為分散劑種類和加入量不同時，混合漿料攪拌均勻后靜置24 h上層清液的高度數(shù)據圖.以清液高度占總高度的百分數(shù)來表征料漿的懸浮穩(wěn)定性[8]，從圖中可以看出，當萘系減水劑的加入量（質量分數(shù)）≥0.4%時，上層清液沉降高度略有些上升但變化不大；隨著十二烷基硫酸鈉含量的升高，

上層清液的高度逐漸降低；而上清液高度隨磷酸三鈉和六偏磷酸鈉含量的升高先降低后升高.從分散劑的分散機理來解釋，萘系減水劑是陰離子型的線型聚合物，一方面通過空間位阻機制起作用，即憎水主鏈吸附在顆粒表面，阻止水和顆粒接觸，另外一方面磺酸基提供靜電斥力，阻止顆粒碰撞聚集和重力沉降[9].加入量較少時，顆粒表面吸附量少，位阻穩(wěn)定作用較?。欢尤肓窟^多時，顆粒表面達到了過飽和吸附，

未被吸附和已被吸附的有機物長鏈由于相互纏繞，會使顆粒聚集和絮凝，從而使混合料漿不穩(wěn)定，分散效果變差.十二烷基硫酸鈉屬于陰離子表面活性劑，也是發(fā)泡劑，加入后在混合漿料中產生大量微小氣泡，對漿料起到一定懸浮作用，因此上層清液的高度降低.而磷酸三鈉和六偏磷酸鈉均屬于無機電解質類分散劑，通過靜電穩(wěn)定機制起作用.加入后，漿料呈堿性，顆粒表面電位變得更負[10-12]，雙電層排斥力增大，當加入量（質量分數(shù)）為0.6%時，料漿分散性最好.繼續(xù)增加分散劑用量，過多的磷酸三鈉和六偏磷酸鈉有絮凝作用，使混合漿料趨于不穩(wěn)定，上清液高度增加.

2.2 分散劑對金剛石/陶瓷混合漿料粘度的影響

圖2為分散劑種類和加入量對混合漿料粘度的影響.由圖2可知：隨著4種分散劑加入量的增加，漿料的粘度均先降低后升高.萘系減水劑分散機制主要靠空間位阻起作用，當加入量（質量分數(shù)）為0.4%時，漿料粘度最低.此時，減水劑正好被顆粒表面飽和吸附，離子間斥力大，分散效果最佳，混合漿料粘度最??；當含量過高時，顆粒表面都吸滿了高分子，達到了過飽和吸附，從而使顆粒聚集和絮凝，導致料漿粘度有所增加[13].磷酸三鈉和六偏磷酸鈉均通過靜電穩(wěn)定機制起作用，當加入量（質量分數(shù)）≤0.6%時，顆

粒間的靜電排斥力可以有效地阻礙料漿的絮凝，料漿粘度降低[13-15]；分散劑的含量（質量分數(shù)）大于0.6%時，分散劑解離出的陽離子壓迫雙電層，使雙電層的厚度減小，降低了顆粒之間的靜電排斥力[8]，因而漿料粘度增加.

綜上分析，以萘系減水劑為分散劑且添加量（質量分數(shù)）為0.4%時，混合漿料的流動性和分散性更好.

2.3 分散劑對金剛石/陶瓷復合燒結體顯微結構的影響

圖3為添加質量分數(shù)為0.4%FDN前后金剛石/陶瓷結合劑燒結體的斷面形貌圖.從圖3（a）可以看出，未添加分散劑時，燒結體內部團聚現(xiàn)象明顯.這是因為細粒度磨料的比表面積和表面能較大，具有相互團聚以降低其表面能的趨勢，因而漿料分散性不好，制得的燒結體結構不均勻.圖3（b）為加入分散劑后的燒結體斷面形貌圖.0.4%FDN可通過空間位阻分散機理起到分散作用，結合劑和金剛石分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象.

2.4 消泡劑對金剛石/陶瓷復合燒結體氣孔率的影響

圖4為消泡劑種類及用量對金剛石/陶瓷結合劑

復合燒結體氣孔率的影響.隨3種消泡劑用量的增加，坯體的氣孔率先降低后升高，當消泡劑含量（質量分數(shù)，相對于磨料的質量）為0.2%時，坯體的氣孔率最小，坯體密度此時達到最高.當消泡劑用量（質量分數(shù)）小于0.2%時，

燒結體氣孔率隨消泡劑用量的增加而降低；當加入量（質量分數(shù)）大于0.2%時，氣孔率則隨消泡劑用量的增加而增加.加入適量的消泡劑后，一方面其分子雜亂無章地分布于液體表面，抑制了彈性膜的形成，從而抑制泡沫的產生；另一方面消泡劑分子散布于泡沫表面，形成很薄的雙膜層，通過擴散、滲透、層狀入侵取代原泡膜薄壁，使膜壁迅速變薄，泡沫同時又受到周圍表面張力大的膜層強力牽引，致使泡沫周圍應力失衡，從而導致其“破泡”[16-20].由上述分析可知，消泡劑用量要在一定范圍內效果才能達到最佳.超過此范圍，燒結體氣孔率反而增大.

2.5 消泡劑對金剛石/陶瓷復合燒結體機械性能的影響

表2為添加質量分數(shù)為0.2%的不同消泡劑時金剛石/陶瓷復合燒結體的抗彎強度和硬度.與未加消泡劑的燒結體相比，加入消泡劑后，抗彎強度升高.以DD為消泡劑型號時，金剛石/陶瓷復合燒結體的抗彎強度最大為59.1 MPa，燒結體的抗彎強度與相對密度有關，相對密度越大，組織越緊密，結合劑之間的鍵橋越短，抵抗外應力的能力越強.陶瓷材料抗彎強度與孔隙度的關系可用Griffith公式[21]來解釋：

δf=2Eγsπa（1）

式中：δf為裂紋擴展需要的應力；E為材料的彈性模量；a為材料孔隙的半徑；γs為裂紋的比表面能.從式（1）可看出，材料的孔隙增多或尺寸變大，裂紋擴展需要的應力δf減小，材料越易斷裂.由圖4可知，加入質量分數(shù)為0.2%的消泡劑DD時，金剛石/陶瓷燒結體的氣孔率明顯降低，結構較致密，裂紋由氣孔進行擴展需要的應力增大，因此，燒結體的抗彎強度隨之升高.燒結體的硬度變化不是很明顯，主要是因為砂輪的硬度與結合劑含量有關.endprint

2.6 消泡劑對金剛石/陶瓷復合燒結體顯微結構的影響

圖5為不加或加入不同種消泡劑時金剛石/陶瓷結合劑復合燒結體的斷面形貌圖.當漿料的固含量為60%時，添加質量分數(shù)為0.2%有機硅型消泡劑的燒結體密度明顯高于不加消泡劑.其中，圖5（a）為不加消泡劑，燒結體中孔徑較大，氣孔率較高，燒結體密度為1.80 g/cm3.圖5（b）為加入DP-307消泡劑，可以看出燒結體結構很均勻，氣孔較小，但較多，燒結體不夠致密，密度為2.0 g/cm3.圖5（c）為加入DP-304消泡劑，燒結體中有很多尺寸在10到15 μm的大氣孔，顯微結構不均勻，密度為1.967 g/cm3.圖5（d）為加入DD消泡劑，燒結體中結合劑之間的燒結頸形成結合劑橋，氣孔小且分布均勻，結構致密，密度最高為2.12 g/cm3.由此可以判斷，加入消泡劑質量分數(shù)為0.2%的DD可以得到氣孔尺寸較小、顯微結構均勻和密度較高金剛石/陶瓷復合燒結體.

2.7 金剛石/陶瓷砂輪的顯微結構及磨削性能

圖6為使用添加劑前后金剛石/陶瓷結合劑燒結體的斷面形貌圖.圖6（a）為添加質量分數(shù)為0.4%的萘系減水劑FDN和0.2%消泡劑DD，采用溶膠-凝膠原位成型法制備的復合燒結體.從圖中可以看出，燒結體內部形成相互連通的不規(guī)則孔隙結構，且孔隙細小、分布均勻，金剛石與結合劑分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象.圖6（b）所示為無添加劑的復合燒結體，圖中可見局部有明顯的團聚現(xiàn)象，均勻性較差，且氣孔較大，結合劑無法對金剛石表面形成較完整的包裹.

圖7為有無添加劑陶瓷結合劑金剛石砂輪，對硬質合金進行磨削后工件的表面形貌和粗糙度圖.從圖7（a）可以看出，使用添加劑的砂輪磨削后的工件表面較均勻，表面粗糙度為0.04 μm；主要是由于加入分散劑和消泡劑所制金剛石砂輪中，磨料分散性較好，氣孔較均勻.金剛石磨料被一層結合劑膜較完整地包裹，因此結合劑對金剛石顆粒的把持力增加，并且砂輪結構均勻性較好，溶膠形成的結合劑粒徑較細，這樣既能保證砂輪磨削過程中的穩(wěn)定性，又能降低被磨工件的表面粗糙度.從圖7（b）中可以看出，無添加劑的砂輪磨削后工件表面的均勻性較差，存在較多的劃痕，工件的表面粗糙度為0.09 μm；這是由于砂輪微觀組織均勻性較差，結合劑對磨料的包裹不完整，把持力較弱，磨削過程中磨料脫落劃傷工件表面，因而產生較多的劃痕[22-23].

3 結 論

1）不同分散劑對懸浮液分散作用和機理不同，分散效果順序為：萘系>六偏磷酸鈉>磷酸三鈉>十二烷基磷酸鈉，當萘系減水劑的加入量為0.4%時，懸浮液體系分散性和流動性最佳.

2）不同消泡劑對燒結體氣孔率有顯著影響，消泡劑效果順序為：DD>DP-304>DP-307；當DD消泡劑質量分數(shù)為0.2%時，陶瓷結合劑/金剛石燒結體結構較均勻，密度和抗折強度達到最大值，分別為2.12 g/cm3 和59.1 MPa.

3）與無添加劑砂輪相比，添加質量分數(shù)為0.4%萘系減水劑和0.2%消泡劑DD的陶瓷結合劑金剛石砂輪結構致密、均勻，被磨工件表面一致性較好，未見有較深的劃痕，表面粗糙度Ra為0.04 μm.

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