溶膠-原位凝膠法制備陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的結(jié)構(gòu)與性能

李建偉，萬(wàn) 隆，常 闖，偉 達(dá)，洪 秋，劉 菊

(1 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2 噴射沉積技術(shù)及應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3 湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

引言

成型技術(shù)是制備磨削工具的前提, 也是制備陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的關(guān)鍵技術(shù)。由于超精密磨削用納米級(jí)金剛石和超細(xì)結(jié)合劑粉體在干法混合時(shí)都易產(chǎn)生團(tuán)聚， 混合均勻的難度很大，致使制品的組織均勻性差，影響制品的強(qiáng)度及磨削效果，成為制約產(chǎn)品在精密磨削領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。膠態(tài)成型是一種新型的濕法成型工藝，可以有效地控制顆粒的團(tuán)聚，且易于獲得組分均一，形狀復(fù)雜的陶瓷部件，一直備受人們的關(guān)注[2-4]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[5-8]利用有機(jī)單體丙烯酰胺、N、N-亞甲基丙烯酰胺和陶瓷粉等為原料或根據(jù)相似原理，利用有機(jī)單體的交聯(lián)反應(yīng)，將陶瓷粉體顆粒均勻凝固在高分子彈性體中，得到了均勻性好、強(qiáng)度高的復(fù)相陶瓷坯體。日本學(xué)者采用溶膠凝膠法制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，采用該砂輪拋光后的硅片表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)，但因?qū)＠Ｗo(hù)，產(chǎn)品并未推向市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)趙玉成等[9]用高分子網(wǎng)絡(luò)法首先制備了超細(xì)陶瓷粉體，再用傳統(tǒng)方法制備砂輪，所制砂輪燒結(jié)溫度較低，但因納米粉體的表面能較大，易團(tuán)聚，混合均勻的難度較大。雖陸續(xù)有了以上介紹的成果，但迄今為止，還未見(jiàn)利用無(wú)機(jī)混合溶膠的原位凝膠來(lái)制備陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的相關(guān)研究。本文將經(jīng)表面處理的金剛石磨料與陶瓷結(jié)合劑混合溶膠制備成漿料，通過(guò)原位凝固，制備出金剛石-陶瓷結(jié)合劑復(fù)合坯體，經(jīng)干燥、燒結(jié)獲得燒結(jié)體。旨在探索一種新的原位凝膠成型體系，將陶瓷結(jié)合劑與砂輪的制備合二為一，探究能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)的細(xì)化、提高結(jié)合劑對(duì)磨料的粘結(jié)強(qiáng)度以及改善砂輪組織結(jié)構(gòu)均勻性的新工藝，探索通過(guò)無(wú)機(jī)溶膠的原位凝膠制備陶瓷結(jié)合劑超精磨具的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 金剛石/陶瓷結(jié)合劑砂輪的制備

表1所列為陶瓷結(jié)合劑配方。按表1配方計(jì)算對(duì)應(yīng)的硝酸鹽用量。將硝酸鹽溶于去離子水中，加熱到一定溫度后，在攪拌情況下緩慢加入固含量約為25wt% 的SiO2溶膠，然后再加入一定比例的萘系分散劑，制得混合溶膠。按照文獻(xiàn)[10]的方法，用KH550甲苯溶液對(duì)金剛石微粉(2～4 μm)進(jìn)行改性。將表面改性后的金剛石微粉加入到混合溶膠中，制備出金剛石-陶瓷結(jié)合劑混合漿料(金剛石微粉與氧化物結(jié)合劑的質(zhì)量比為17∶3)。對(duì)漿料進(jìn)行真空除泡，然后靜置于80℃的干燥箱中使其快速凝膠，再采用階梯干燥工藝進(jìn)行干燥，具體的干燥工藝如下：常溫下自然干燥24h，40℃/3h，50℃/3h，60℃/2h，80℃/2h，100℃/2h，120℃/2h，得到干凝膠，即金剛石-氧化物陶瓷結(jié)合劑復(fù)合坯體。另外在不加入金剛石微粉的情況下，采用相同的工藝制備陶瓷干凝膠，進(jìn)行TG/DSC分析。最后在850℃/1.5h條件下對(duì)金剛石-氧化物陶瓷結(jié)合劑復(fù)合坯體進(jìn)行燒結(jié)，制成金剛石/陶瓷結(jié)合劑砂輪。

表1 陶瓷結(jié)合劑配方

1.2 性能測(cè)試

采用日本Rigaku2550型(18kW)X射線衍射儀分析陶瓷干凝膠的物相組成，CuKα輻射耙，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描范圍10°～80°。

將復(fù)合漿料在圓形模具中凝膠成型，干燥后切割成尺寸為40mm×5mm×5mm的長(zhǎng)條狀試樣，利用DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度，跨距為28mm。利用阿基米德原理，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1966-1996測(cè)試燒結(jié)試樣的氣孔率。采用QUANTA-200環(huán)境掃描電鏡觀察試樣的顯微形貌。

砂輪磨削試驗(yàn)在MT1332B×500型外圓磨床(上海機(jī)床廠有限公司)上進(jìn)行，砂輪規(guī)格：1A1 400 mm×40 mm×305×10mm，砂輪轉(zhuǎn)速30m/s，磨削工件為YG8硬質(zhì)合金，采用原位凝膠法(固含量為60vol%)和粉末壓制法制備的砂輪磨削硬質(zhì)合金工件表面，觀察被磨工件表面形貌，并利用日本CCI1000型白光干涉儀檢測(cè)被磨工件表面的粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷干凝膠的物相組成和SEM圖片

圖1示為不同溫度處理的陶瓷結(jié)合劑XRD譜。對(duì)比PDF卡片，未經(jīng)煅燒處理的干凝膠中沒(méi)有明顯的X射線衍射峰，經(jīng)800℃熱處理后，結(jié)合劑中的主晶相為γ0-LZS晶體(Li2ZnSiO4)和β-石英固溶體(Li2Al2Si3O10)，熱處理溫度升到850℃時(shí)，因?yàn)棣?石英固溶體為介穩(wěn)相，Li+和Al3+進(jìn)一步取代β-石英固溶體中的Si4+，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的β-鋰輝石固溶體(LiAlSi2O6)，主晶相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?-LZS和β-鋰輝石固溶體，其衍射峰強(qiáng)度大，峰型尖銳，說(shuō)明晶體含量較多，晶型較完整[11]。

圖1 不同溫度處理的陶瓷結(jié)合劑XRD譜Fig.1 XRD patterns of vitrified bond at different calcinating temperature

圖2所示為不同熱處理溫度下的SEM圖片，當(dāng)溫度為800℃時(shí)，晶體的析出不夠充分，形狀不規(guī)則，排列較疏松，針狀的Li2SiO3晶體被包裹在玻璃相中，晶粒尺寸較小。當(dāng)溫度為850℃時(shí)，結(jié)合劑中針狀及顆粒狀晶體的含量明顯增多，這是由于β-石英固溶體是由鋰霞石和二氧化硅形成的固溶體，鋰霞石的各向異性很明顯，在溫度升高的過(guò)程中，更容易各向異性生長(zhǎng)，生成纖維狀晶體，所以在圖中可以觀察到β-石英固溶體細(xì)小的針狀以及小顆粒狀晶體形態(tài)，晶體含量較多，晶型較完整，分布較致密。

圖2 不同熱處理溫度下的SEM圖Fig.2 SEM photographs of sample treated at different temperature (a)800℃; (b)850℃

2.2 金剛石/陶瓷復(fù)合燒結(jié)體的性能

2.2.1 孔隙率

圖3所示為混合料漿中的固相含量對(duì)金剛石/陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)體孔隙率的影響。由圖可知，固含量(體積分?jǐn)?shù))≤60%時(shí)，隨固含量增加，燒結(jié)體的孔隙率逐漸下降到最小值26.2%；繼續(xù)增加固含量，氣孔率明顯上升。在原位溶膠-凝膠工藝中，由于是定模成型，體系的固含量越高，顆粒間的距離就越小，則燒結(jié)體的致密度越大，孔隙率相應(yīng)降低。當(dāng)固含量過(guò)大時(shí)，混合漿料中顆粒間距過(guò)小，容易發(fā)生團(tuán)聚而形成絮凝結(jié)構(gòu)，漿料黏度增大，導(dǎo)致氣泡不易排除，致使燒結(jié)體的孔隙率急劇升高；并且在燒結(jié)過(guò)程中，由于受到的熱應(yīng)力不均衡，團(tuán)聚體與周?chē)Y(jié)合劑之間易形成裂紋，在砂輪對(duì)工件的磨削過(guò)程中，團(tuán)聚的磨料和結(jié)合劑出現(xiàn)整塊脫落，磨削質(zhì)量明顯降低。 傳統(tǒng)方法氣孔率為15.6%，固含量(體積分?jǐn)?shù))為60%時(shí)，溶膠-凝膠法制備的砂輪氣孔率為26.5%，砂輪的相對(duì)密度達(dá)到97%。另外較高的氣孔率更有利于在精密磨削過(guò)程中起冷卻和容屑的作用。

圖3 固含量對(duì)金剛石/陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)體孔隙率的影響 Fig.3 Effect of solid content on porosity of the vitrified bond diamond grinding wheel

2.2.2 抗彎強(qiáng)度

圖4所示為混合料漿中的固含量對(duì)金剛石/陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度的影響。由圖可見(jiàn)，隨固含量增加，抗彎強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)固含量(體積分?jǐn)?shù))為60%時(shí)達(dá)到最大值68MPa。材料的抗彎強(qiáng)度與相對(duì)密度相關(guān)聯(lián)，相對(duì)密度越大，組織越致密，結(jié)合劑之間的鍵橋越短，抵抗外應(yīng)力的能力增強(qiáng)。

材料的孔隙越大或者孔隙數(shù)量越多，則裂紋擴(kuò)展需要的應(yīng)力δf越小，材料越易斷裂。圖5所示為不同固含量條件下制備的金剛石/陶瓷燒結(jié)體與傳統(tǒng)粉末壓制法制備的金剛石/陶瓷燒結(jié)體的斷面形貌。從圖3和圖5(a)-(c)可看出，在固含量≤60%時(shí)，隨固含量升高，燒結(jié)體的孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更致密，裂紋由孔隙進(jìn)行擴(kuò)展需要的應(yīng)力增大，燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度隨之升高；固含量>60%時(shí)，由于漿料黏度過(guò)大，氣泡無(wú)法排除致使燒結(jié)體中出現(xiàn)明顯的大氣孔，且結(jié)合劑與金剛石之間形成孤立的陶瓷團(tuán)聚體(見(jiàn)圖5(c))，材料結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合劑與磨料之間的連接強(qiáng)度變?nèi)酰瑢?dǎo)致燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度急劇下降。傳統(tǒng)方法的抗彎強(qiáng)度是45MPa，溶膠-凝膠法制備的砂輪在固含量為60vol%時(shí)的強(qiáng)度為68MPa，比傳統(tǒng)方法制備的高出33.8%，使得結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力更強(qiáng)。

圖4 固含量對(duì)復(fù)合燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of solid content on bending strength of the vitrified bond diamond grinding wheel

圖5 金剛石/陶瓷燒結(jié)體的斷面形貌Fig.5 Fracture images of the vitrified bond diamond grinding wheel with different solid content(a),(b),(c) solid content is 45%,60% and 65%respectively. (d) is the traditional powder compacting method.

2.3 金剛石/陶瓷復(fù)合燒結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)

圖5所示為不同固含量條件下制備的金剛石/陶瓷燒結(jié)體與傳統(tǒng)粉末壓制法制備的金剛石/陶瓷燒結(jié)體的斷面形貌。從圖5(a)-(c)可看出，隨固含量增加，燒結(jié)體的孔徑先減小后增大，固含量為60%時(shí)孔徑最小。圖5(b)可見(jiàn)固含量為60%時(shí)燒結(jié)體內(nèi)部形成相互連通的不規(guī)則孔隙結(jié)構(gòu)，且孔隙分布均勻，無(wú)尖銳棱角；包覆金剛石磨料的結(jié)合劑在燒結(jié)過(guò)程中形成燒結(jié)頸，彼此相互聯(lián)結(jié)，形成較完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，金剛石與結(jié)合劑分布均勻，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象；溶膠-凝膠法制備的結(jié)合劑結(jié)構(gòu)細(xì)小，細(xì)化、均化了砂輪的微觀結(jié)構(gòu)。圖5(d)所示為傳統(tǒng)粉末壓制法制備的金剛石/陶瓷復(fù)合燒結(jié)體的微觀形貌，可見(jiàn)結(jié)合劑和金剛石在試樣局部都出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，結(jié)合劑不能對(duì)金剛石表面形成較完整的包覆，組織均勻性較差，結(jié)合劑與金剛石之間的連接強(qiáng)度變?nèi)酰@是由于粉末壓制法存在原料混合不均勻以及壓制過(guò)程中受力不均等造成的。

2.4 金剛石/陶瓷結(jié)合劑砂輪的磨削性能

采用原位凝膠法(固含量為60vol%)和粉末壓制法制備的砂輪進(jìn)行磨削硬質(zhì)合金工件表面的對(duì)比，圖6所示為磨削后的工件表面形貌和表面粗糙度。工件表面粗糙度分別為0.112μm和0.049μm。

從圖6可看到，與粉末壓制法制備的砂輪相比，采用原位凝膠法所制的砂輪磨削后的工件表面一致性較好，未見(jiàn)有較深的劃痕。這是由于原位凝膠法所制備的砂輪的組織均勻性好，結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料形成較完整的包裹，兩者之間的把持力增強(qiáng)，磨料多以磨損和微破碎的形式消耗掉；在原位成型中各組分是以溶液的形式加入，可達(dá)分子級(jí)水平的均勻性，結(jié)合劑粒徑較細(xì)，可明顯降低被加工工件的表面粗糙度，提高砂輪磨削過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖6 不同工藝制備的金剛石/陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削硬質(zhì)合金工件的表面形貌與粗糙度Fig.6 Surface topography and roughness of carbide alloy workpiece grinding using vitrified bond diamond grinding wheel manufactured by different technology(a), (c): In-situ sol-gel method (b), (d): Mechanical mixing method

3 結(jié)論

(1)采用原位凝膠法制備的陶瓷結(jié)合劑經(jīng)850℃/1.5h燒結(jié)后析出大量晶型完整的晶體，晶體含量較多。

(2)采用溶膠原位凝膠法制備的砂輪，結(jié)構(gòu)均勻致密，結(jié)合劑對(duì)磨料形成較完整的包裹，隨固含量增加，燒結(jié)體的氣孔率先降低后升高，抗彎強(qiáng)度先升高后降低。當(dāng)固含量(體積分?jǐn)?shù))為60%時(shí)，砂輪燒結(jié)體可達(dá)到理論密度的97%,基本實(shí)現(xiàn)致密化，氣孔率達(dá)到最小值26.5%，而抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值68MPa，分別比粉末壓制法制備的復(fù)合燒結(jié)體高出約41.1%和33.8%。

(3)采用溶膠原位凝膠法制備的金剛石-陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削硬質(zhì)合金，被磨工件表面一致性較好，且未見(jiàn)較深的劃痕，表面粗糙度為0.049μm，與粉末壓制法制備的砂輪相比，被磨工件的表面粗糙度降低了56.25%。

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