普通磨具用陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展

邊華英 王學(xué)濤 李玉春 段愛(ài)萍 李桂 徐向榮 張昊

摘 要：本文簡(jiǎn)單介紹了燒結(jié)磨具用陶瓷結(jié)合劑：燒結(jié)結(jié)合劑、燒熔結(jié)合劑、低熔結(jié)合劑和磨具的低溫?zé)杉夹g(shù)，對(duì)相關(guān)普通磨具陶瓷結(jié)合劑的研究文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，闡明普通磨具陶瓷結(jié)合劑的發(fā)展方向在于促成磨具的低溫綠色燒成和高強(qiáng)度高速砂輪技術(shù)。

關(guān)鍵詞：普通磨具；陶瓷結(jié)合劑；低溫?zé)?；高速砂?/p>

1 前言

在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域燒結(jié)陶瓷磨具是一個(gè)重要的分支，其主要原材料是陶瓷結(jié)合劑與磨料，普通磨具用磨料主要是剛玉和碳化硅磨料，超硬磨具/工具用磨料主要是CBN和金剛石，另外還有一種成本介于普通磨具與超硬磨具之間性價(jià)比較高的新型SG磨具，其所用磨料包含了一定體積濃度的燒結(jié)剛玉磨料（SG磨料）。而普通磨具用陶瓷結(jié)合劑與后兩者所用陶瓷結(jié)合劑有很大的不同，前者基本為高溫結(jié)合劑，磨具的燒成溫度約為1300℃，后者主要為低溫結(jié)合劑（或稱低熔陶瓷結(jié)合劑），通常認(rèn)為燒成溫度低于 1000℃[1]。在磨具結(jié)構(gòu)中結(jié)合劑將磨粒固結(jié)在一起，以“結(jié)合劑橋”的形式存在，一定程度上決定著陶瓷磨具的強(qiáng)度和其他相關(guān)性能。普通磨具用陶瓷結(jié)合劑在制備時(shí)常采用礦物原料粘土、黃土、滑石、長(zhǎng)石、石英粉、螢石和鋰輝石等與硼玻璃、硼硅玻璃熔塊料配制而成[2-4]；而CBN和金剛石以及SG磨具用陶瓷結(jié)合劑均為熔煉過(guò)的熔塊料。

陶瓷磨具結(jié)合劑一般分為燒結(jié)結(jié)合劑和燒熔結(jié)合劑，燒熔結(jié)合劑又包括半燒熔（半燒結(jié)）和低熔結(jié)合劑。

2 普通磨具常用陶瓷結(jié)合劑

2.1燒結(jié)結(jié)合劑

燒結(jié)結(jié)合劑，在磨具燒成時(shí)產(chǎn)生的液相量少，其顯微結(jié)構(gòu)組成為大量的結(jié)晶相、少量的玻璃相和氣孔。燒結(jié)結(jié)合劑的典型礦物組成為粘土、長(zhǎng)石、石英以及少量的滑石。主要用于碳化硅磨具的生產(chǎn)中，有利于避免黑心缺陷的形成[2]。閆國(guó)進(jìn)[5]等通過(guò)電子探針微區(qū)分析研究了粘土-長(zhǎng)石-石英系燒結(jié)陶瓷結(jié)合劑碳化硅磨具的顯微結(jié)構(gòu)特征，其研究結(jié)果表明結(jié)合劑呈典型的燒結(jié)狀態(tài)，有大量的晶界和微細(xì)裂紋、尺寸較大的氣孔存在，其物相主要為玻璃相和殘留石英，在較大顆粒的殘留石英內(nèi)部及周?chē)l(fā)育有裂紋。燒結(jié)結(jié)合劑的典型化學(xué)成分見(jiàn)表1[2]。

2.2 燒熔結(jié)合劑

燒熔結(jié)合劑的耐火度低于磨具的燒成溫度，在磨具的焙燒過(guò)程中隨著溫度的升高結(jié)合劑發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，物料經(jīng)過(guò)熔融、溶解等過(guò)程產(chǎn)生較多的液相，對(duì)磨粒形成浸潤(rùn)和粘結(jié)，在冷卻后磨具固化凝結(jié)為堅(jiān)硬的整體。燒熔結(jié)合劑所用原材料除粘土（黃土）、長(zhǎng)石、石英之外，更含有較多的催熔原料，比如滑石、螢石、鋰輝石、硼玻璃、硼硅玻璃、硼鉛玻璃、碳酸鈉等。這種結(jié)合劑的燒熔機(jī)理是在加熱過(guò)程中催熔組分、原料中的雜質(zhì)及某些原料的新生化合物之間會(huì)發(fā)生共熔作用而產(chǎn)生液相，繼而催熔組分熔融，液相量增多，將難溶的固相浸溶，直至殘留的固相全部或絕大部分都成為液相。燒熔結(jié)合劑焙燒之后其顯微結(jié)構(gòu)大部分為玻璃相，有時(shí)也會(huì)存在少量的結(jié)晶相。剛玉磨具多采用燒熔結(jié)合劑，主要包含粘土-長(zhǎng)石系列、粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃系列、硼玻璃-石英-純堿系列、粘土-長(zhǎng)石-滑石系列、粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃-滑石系列、粘土-硼玻璃-無(wú)堿玻璃-鋰輝石系列。粘土-長(zhǎng)石系結(jié)合劑由于原材料來(lái)源廣、成本較低、工藝性能穩(wěn)定等原因應(yīng)用較廣，但是對(duì)于粗粒度以及軟級(jí)硬度的磨具還需引入硼玻璃，即采用粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃系列[2]。

粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃系結(jié)合劑是常用的燒熔結(jié)合劑，其所含有的硼玻璃的耐火度較低，介于640 ～ 690℃，是強(qiáng)催熔劑。硼玻璃用于配制結(jié)合劑時(shí)能夠顯著降低結(jié)合劑的耐火度，從而降低磨具的燒成溫度。這種結(jié)合劑流動(dòng)性好、潤(rùn)濕性強(qiáng)，因?yàn)楹蠦2O3可以有效提高砂輪的抗張強(qiáng)度，所以通常要提高砂輪的強(qiáng)度時(shí)常常采用含硼結(jié)合劑。同時(shí)由于含硼結(jié)合劑成本往往較高，所以一般在制造粗粒度及結(jié)合劑用量較少等特殊技術(shù)要求的砂輪時(shí)采用含硼結(jié)合劑，或者用于制造50 ～ 60 m/s的高速砂輪、80 m/s或更高線速度的砂輪，生產(chǎn)上一般采用中硼區(qū)（硼玻璃含量為15 ～ 30%）的結(jié)合劑[2]。燒熔結(jié)合劑的典型化學(xué)成分見(jiàn)表2[2]。

閆國(guó)進(jìn)[6]等通過(guò)電子探針微區(qū)分析研究了粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃系燒熔陶瓷結(jié)合劑剛玉磨具的顯微結(jié)構(gòu)特征，探知結(jié)合劑呈基本均勻的玻璃態(tài)，結(jié)合劑與磨料反應(yīng)明顯，在界面處結(jié)合緊密，剛玉磨料的邊緣被熔蝕，棕剛玉呈鋸齒狀，白剛玉呈港灣狀。借助能譜分析探測(cè)到棕剛玉磨料中的雜質(zhì)主要為T(mén)iO2，而且這種雜質(zhì)隨著磨料的熔蝕進(jìn)入結(jié)合劑玻璃相內(nèi)部或界面處析出金紅石微晶。

燒熔結(jié)合劑相對(duì)比于燒結(jié)結(jié)合劑其應(yīng)用較廣，主要用于各種剛玉磨具，但是為了特殊需要，一部分碳化硅磨具也在趨向使用燒熔結(jié)合劑。半燒熔（半燒結(jié)）結(jié)合劑是一種耐火度接近于磨具焙燒溫度的結(jié)合劑，其性能介于燒熔結(jié)合劑和燒結(jié)結(jié)合劑之間，可以很大程度上改善燒結(jié)結(jié)合劑的流動(dòng)性、反應(yīng)能力、高溫潤(rùn)濕性，只是這種結(jié)合劑磨具的強(qiáng)度較低，磨具硬度與強(qiáng)度易受燒成溫度波動(dòng)的影響，在生產(chǎn)操作上有一定難度。常被用于低濃度碳化硅磨具和細(xì)粒度高硬度剛玉磨具的制造，可以避免使用燒熔結(jié)合劑造成的黑心、發(fā)泡、變形現(xiàn)象[2]。

燒熔結(jié)合劑與燒結(jié)結(jié)合劑相比具有以下優(yōu)勢(shì)[2]：

（1） 一般情況下燒熔結(jié)合劑磨具的機(jī)械強(qiáng)度都比燒結(jié)結(jié)合劑的磨具強(qiáng)度高，能夠保證砂輪具有較高的回轉(zhuǎn)破裂強(qiáng)度，也就是砂輪的使用安全性相對(duì)較高。

（2） 燒熔結(jié)合劑在砂輪燒成時(shí)基本能完全熔融，當(dāng)燒成溫度有波動(dòng)時(shí)仍能保證磨具的硬度、強(qiáng)度的相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)品的組織均勻性相對(duì)較好，質(zhì)量穩(wěn)定。

（3） 燒熔結(jié)合劑的反應(yīng)能力強(qiáng)、高溫潤(rùn)濕性好，有利于改善磨具的性能。

（4） 由于燒熔結(jié)合劑的反應(yīng)能力強(qiáng)，在磨具組成中所占的量少，結(jié)構(gòu)組織相對(duì)較松，氣孔率、磨粒率較高，可提高磨具的磨削效率并減少對(duì)工件的燒傷。

雖然燒熔結(jié)合劑的優(yōu)越性顯著，但是燒熔結(jié)合劑磨具如果在燒成后高溫段冷卻制度控制不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生較多的大晶粒，降低磨具的組織強(qiáng)度和各向均勻性，比如高溫冷卻段速度緩慢時(shí)結(jié)合劑體系內(nèi)首先會(huì)析出鈣長(zhǎng)石、金紅石晶體，這是由于高溫熔體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的能量狀態(tài)較高，有析晶釋放能量的傾向，冷卻段速度越慢會(huì)有更多的晶體析出或晶體長(zhǎng)大，從而會(huì)對(duì)固結(jié)磨具的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)均勻性產(chǎn)生危害，所以需要設(shè)定合理的磨具燒成溫度制度[2]。

3 普通陶瓷磨具的低溫?zé)?/p>

普通陶瓷磨具及其所用結(jié)合劑的發(fā)展方向和趨勢(shì)主要是高速砂輪和低溫?zé)杉夹g(shù)。鑒于環(huán)保的壓力，社會(huì)各階層都在密切關(guān)注環(huán)保、節(jié)能、減排、防霧霾的形勢(shì)，在陶瓷磨具領(lǐng)域推行低溫綠色高強(qiáng)度結(jié)合劑是發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)各砂輪廠生產(chǎn)的陶瓷磨具燒成溫度一般介于1250 ～ 1300℃，為高溫?zé)杉夹g(shù)[1]。在磨具和工具行業(yè)通常所說(shuō)的低溫結(jié)合劑是指用于超硬金剛石或立方碳化硼工具的燒成溫度在1000℃以下的陶瓷結(jié)合劑。對(duì)于普通磨具的中低溫?zé)杉夹g(shù)尚沒(méi)有特別明確的規(guī)定，或可以參考其他陶瓷制品技術(shù)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)規(guī)定。在陶瓷行業(yè)的日用瓷與建筑衛(wèi)生陶瓷領(lǐng)域都在發(fā)展低溫快速燒成技術(shù)，一般認(rèn)為可比原燒成溫度降低80 ～ 100℃以上、燒成時(shí)間相應(yīng)縮短后的產(chǎn)品性能與原燒成工藝條件下燒制的產(chǎn)品性能一致的燒成技術(shù)即為低溫快燒技術(shù)。[7]低溫快燒成比高溫?zé)善鋬?yōu)越性顯著，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1、2]：

（1）節(jié)能。據(jù)熱平衡計(jì)算數(shù)據(jù)可以估算從1050℃升到1320℃時(shí)的熱能消耗約相當(dāng)于1050℃以前的全部熱能消耗，而每降低燒成溫度100℃則可平均節(jié)能1/6。

（2）縮短燒成周期，提高窯爐、窯具等設(shè)備的周轉(zhuǎn)率。以間歇窯燒成Φ400 mm的砂輪來(lái)分析，在整個(gè)升溫階段中，自1000℃起升溫至1300℃所占用的時(shí)間約相當(dāng)于1000℃以前所占用的時(shí)間，這是由于高溫比熱容以及高溫散熱更多的原因。那么，如果燒成溫度降至1100℃，升溫時(shí)間則可縮短約1/3，而降溫冷卻時(shí)間也相應(yīng)縮短，故而可以增加窯爐的周轉(zhuǎn)率，提高生產(chǎn)效率。

（3）燒成溫度降低后對(duì)窯爐的保溫性能等級(jí)要求也可以適當(dāng)降低，即可以減少傳統(tǒng)耐火物的厚度，增大窯容量，同時(shí)能夠延長(zhǎng)窯具耐火物的使用壽命。

（4）磨料中過(guò)量的磁性物質(zhì)在較高的燒成溫度下往往易形成斑點(diǎn)，一方面會(huì)影響產(chǎn)品的外觀，另一方面在磨削時(shí)還易于燒傷工件，若采用低溫結(jié)合劑，則可以減少斑點(diǎn)的形成和數(shù)量，改善商品的質(zhì)量。

（5）低溫?zé)蓵r(shí)剛玉磨具的外觀顏色較好，碳化硅磨具也不易產(chǎn)生黑心、發(fā)紅的缺陷。

（6）低溫?zé)蓵r(shí)對(duì)燃料的要求也適當(dāng)降低了，在環(huán)保達(dá)標(biāo)、燃料熱值和燒成溫度可及的情況下則可以使用質(zhì)量稍次的燃料，能夠適當(dāng)降低燃料成本。

低溫?zé)杉夹g(shù)雖然具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用也需兼顧以下制約因素，比如，由于低溫結(jié)合劑摻用的粘土、石英類原料少，熔劑性原料較多，不宜用于生產(chǎn)高強(qiáng)度和高硬度的磨具，并且由于生坯的強(qiáng)度比較差，會(huì)增大半成品搬運(yùn)廢品，同時(shí)磨具易變形，棕剛玉磨料因燒成溫度低不變色出現(xiàn)與目前工藝情況下外觀顏色不一致的情況。

4 普通磨具用陶瓷結(jié)合劑的相關(guān)研究進(jìn)展

因?yàn)榻Y(jié)合劑的性能主要由結(jié)合劑的成分來(lái)決定，即決定于其化學(xué)組成與礦相組成，而其他因素比如加入添加劑則是因?yàn)楦淖兞私Y(jié)合劑的組成，所以會(huì)對(duì)結(jié)合劑的相關(guān)性能如耐火度、流動(dòng)度以及強(qiáng)度產(chǎn)生影響。張書(shū)森[8]研究了R2O及RO在陶瓷磨具制造中的作用，李志宏等[9-10]研究了含CaO陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度和耐火度情況，在其數(shù)據(jù)列表中可見(jiàn)含10%CaO時(shí)結(jié)合劑的耐火度最低為1198 ± 5℃，磨具抗拉強(qiáng)度基本隨CaO含量的增加而降低；侯永改， 王改民[1]探討了影響低溫?zé)商沾山Y(jié)合劑強(qiáng)度的因素，其團(tuán)隊(duì)以粘土-長(zhǎng)石-硼玻璃系（即Al2O3- SiO2- R2O- B2O3系統(tǒng)）陶瓷結(jié)合劑為基準(zhǔn)結(jié)合劑進(jìn)行了研究，結(jié)果表明加入Li2O或PbO代替Na2O而當(dāng)Li2O加入量在2 ～ 3% 、PbO加入量在3 ～ 5%時(shí)能改善結(jié)合劑的強(qiáng)度；加入氧化鋁粉、石英粉、滑石等對(duì)結(jié)合劑的強(qiáng)度有不同的影響，加入細(xì)粒氧化鋁粉4 ～ 5%時(shí)強(qiáng)度有明顯提高，加入細(xì)粒石英粉1～ 2%強(qiáng)度有少許提高，結(jié)合劑的流動(dòng)在80 ～ 140%時(shí)，其強(qiáng)度較高。劉芳，范文捷等[11]探討了α- Al203 粉在陶瓷磨具結(jié)合劑中的作用，通過(guò)結(jié)構(gòu)表征分析了向結(jié)合劑中加入的α- Al203粉能與陶瓷結(jié)合劑反應(yīng)形成反應(yīng)層起到加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的作用，改善結(jié)合劑的性能，使陶瓷磨具在氣孔率較高的情況下仍然具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。范文捷，劉芳等[12]對(duì)粘土-鉀長(zhǎng)石-硼玻璃、粘土-鉀/鈉長(zhǎng)石-硼玻璃、粘土-鉀長(zhǎng)石-鈣玻璃、粘土-鉀長(zhǎng)石-鋰輝石等系統(tǒng)的結(jié)合劑進(jìn)行研究探討了陶瓷高速砂輪結(jié)合劑中的不同成分對(duì)砂輪強(qiáng)度的影響，通過(guò)對(duì)其實(shí)驗(yàn)研究分析得知在現(xiàn)行燒成工藝條件下，在常用的粘土-鉀長(zhǎng)石-硼玻璃系統(tǒng)中引入鈉長(zhǎng)石部分替代鉀長(zhǎng)石，當(dāng)其質(zhì)量比占結(jié)合劑總量的21%時(shí)，所制備的結(jié)合劑生產(chǎn)的陶瓷砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度應(yīng)為最高。根據(jù)文中分析可發(fā)現(xiàn)加入鈣玻璃和鋰輝石等也會(huì)提高結(jié)合劑的強(qiáng)度，同時(shí)具有降低結(jié)合劑的耐火度和磨具燒成溫度的作用。

程寶珠，馬秋花等[13]研究了陶瓷結(jié)合劑對(duì)高速砂輪強(qiáng)度的影響，其結(jié)論是在一般陶瓷結(jié)合劑中增加硼玻璃，能夠提高結(jié)合劑的強(qiáng)度；而在結(jié)合劑中其它成分含量相同的情況下，鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石同時(shí)存在且二者等比例加入時(shí)砂輪的平均破裂速度比單獨(dú)采用鉀長(zhǎng)石時(shí)達(dá)到最高值；而單獨(dú)采用鉀長(zhǎng)石比只用鈉長(zhǎng)石時(shí)砂輪的平均破裂速度要高。程寶珠，李淼等[14]探討了燒成溫度制度對(duì)陶瓷結(jié)合劑高速砂輪強(qiáng)度的影響，研究結(jié)論為不同的窯型、不同的燒成曲線對(duì)較小規(guī)格Φ400 mm砂輪的破裂速度影響較小， 而對(duì)于較大規(guī)格Φ600 mm砂輪的 影響較大，可通過(guò)采用緩慢升溫、增加駐點(diǎn)保溫時(shí)間、適當(dāng)延長(zhǎng)最高燒成溫度段保溫時(shí)間的方法提高砂輪強(qiáng)度，使Φ600 mm砂輪的平均破裂速度達(dá)到108 m /s， 為其使用速度的1.8倍。

在普通磨具的低溫?zé)煞矫婧隗?，于慶茂等[15]基于硅硼網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行了剛玉砂輪陶瓷低溫結(jié)合劑的試驗(yàn)研究，控制結(jié)合劑的B2O3 12%以內(nèi)、R2O15%左右，對(duì)120#以粗剛玉磨料砂輪實(shí)現(xiàn)了以貝克萊引進(jìn)窯爐990℃燒成，制得產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度全部符合技術(shù)指標(biāo)要求。董曉烽、肖卓豪等[16]稱通過(guò)采用傳統(tǒng)熔體冷卻法制備K2O-B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結(jié)合劑，在1000℃保溫2 h的條件下制備出了性能優(yōu)良的剛玉砂輪樣品。王福成[17]探討了采用低熔結(jié)合劑用于碳化硅磨具的低溫?zé)桑兄屏艘环N結(jié)合劑V2，耐火度910℃，磨具燒成溫度970℃。

在綠色陶瓷結(jié)合劑發(fā)展方面王學(xué)濤，楊雪峰等[18] 發(fā)明了一種添加建筑玻璃廢料的白剛玉陶瓷砂輪結(jié)合劑，由鉀長(zhǎng)石、粘土、滑石、回收的建筑玻璃廢料磨細(xì)粉復(fù)配制成，耐火度1020 ～ 1050℃，在用于白剛玉陶瓷砂輪生產(chǎn)時(shí)最高燒成溫度不超過(guò)1260℃。利用此結(jié)合劑技術(shù)制造的白剛玉砂輪使用線速度可達(dá)63 m/s以上，回轉(zhuǎn)破裂線速度達(dá)到126 m/s 以上，砂輪的耐用度、磨削效率、加工精度均較高，工件無(wú)燒傷裂紋等缺陷。主要是可在一定程度上消解固體廢棄物廢舊建筑玻璃，促進(jìn)三廢的利用，符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的宗旨。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合文獻(xiàn)和專利技術(shù)以及磨具企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)工藝和技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，用于普通磨具的高強(qiáng)度結(jié)合劑和低溫?zé)杉夹g(shù)仍需加強(qiáng)研究，趁著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和國(guó)家對(duì)大眾創(chuàng)新萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)支持和鼓勵(lì)的東風(fēng)，對(duì)于適用于普通磨具的低溫綠色燒成和高強(qiáng)度高速砂輪技術(shù)的結(jié)合劑一定能更好地攻克難關(guān)并有長(zhǎng)足發(fā)展。

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