多孔陶瓷磨具的性能特點(diǎn)及研究進(jìn)展

王 照，徐三魁，韓 平，彭 進(jìn)，鄒文俊

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

磨具是用以磨削、研磨和拋光的工具，被稱為“工業(yè)的牙齒和美容師”。磨具的三個(gè)主要元素是磨料、結(jié)合劑和氣孔。氣孔是指在研磨工具中的磨料之間的空隙以及在磨料與結(jié)合劑之間的空隙。作為磨具的三大要素之一，氣孔在磨削過(guò)程中起到了重要的作用，它既可以容納磨屑、排屑散熱以降低磨削溫度，也為磨具的高質(zhì)量表面加工和更高的磨削效率提供了保障[1]。與金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑磨具相比，陶瓷結(jié)合劑磨具的一個(gè)重要特點(diǎn)是氣孔的數(shù)量和大小可以根據(jù)使用要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，它具有更好的形狀以保持性能，易于修整，同時(shí)具有更高的研磨效率，是一種優(yōu)異的理想加工工具[2]。陶瓷結(jié)合劑砂輪的硬度和強(qiáng)度與氣孔的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此根據(jù)不同的磨削用途和加工過(guò)程來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和控制磨具內(nèi)部孔的數(shù)量、大小、形狀和分布具有重要的意義。

1 多孔磨具的結(jié)構(gòu)

1.1 氣孔的分布和氣孔率的計(jì)算

磨具中的氣孔有兩種分布形式：(1)氣孔分布在結(jié)合劑中，在磨粒之間形成結(jié)合橋，如圖1(a)所示。這種氣孔在磨削過(guò)程中起著有益作用;(2)氣孔位于磨粒之間，如圖1(b)所示，容易使磨粒在磨削過(guò)程中脫落，把持力減弱，起到不利作用，微氣孔也存在于結(jié)合劑橋中，使結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度變差[3]。

(a)氣孔分布在結(jié)合劑中

陶瓷結(jié)合劑中的氣孔可以在燒結(jié)過(guò)程中坯體致密收縮自然形成，也可以人為制造。氣孔的多少常用氣孔率的大小來(lái)表示，氣孔率用于衡量磨具中的氣孔所占據(jù)的體積。磨具的氣孔率可以通過(guò)調(diào)節(jié)造孔劑的加入量來(lái)控制。氣孔率一般用排水法來(lái)測(cè)定，氣孔率的計(jì)算公式為

式中，r——排水法測(cè)得試樣體積密度(g/cm3)；

r真——真實(shí)試樣體積密度(g/cm3)；

V%——試樣氣孔率(%)。

1.2 多孔磨具的組織

磨具的一個(gè)重要特征是其組織，而磨具中氣孔率的大小會(huì)影響磨具的組織。普通砂輪的組織，也稱為“磨粒率”，表示為磨料體積相對(duì)于砂輪體積的百分比，它反映了磨料在砂輪組織內(nèi)分布的疏密情況。砂輪中的“組織號(hào)”是一種劃分砂輪組織疏密的方法。

普通砂輪的組織號(hào)(N)與磨粒率(Vg)的關(guān)系為Vg=62-2N，即磨粒率62%對(duì)應(yīng)組織號(hào)“0”，磨粒率32%為組織號(hào)“15”。圖2是陶瓷磨具內(nèi)磨粒K、結(jié)合劑b、氣孔P的體積百分?jǐn)?shù)相圖[4]。

圖2 陶瓷磨具內(nèi)磨粒K、結(jié)合劑b、氣孔P的體積百分?jǐn)?shù)相圖

圖2中的P區(qū)是用于普通磨料的陶瓷結(jié)合劑砂輪的組織范圍，結(jié)合劑量為5～25(vol%)，磨粒的體積比為40～68(vol%)，氣孔的體積比例為17～55(vol%)。在圖2中，P區(qū)域中的AE線是磨料的最小填充密度極限，BC線是磨料的最大填充密度極限，AB線是最小結(jié)合劑當(dāng)量，DE是最大結(jié)合劑當(dāng)量。圖2中的S區(qū)是cBN(立方氮化硼)陶瓷砂輪的組織范圍，用于制造cBN陶瓷砂輪的結(jié)合劑的量為25～70(vol%)，cBN磨料的量為14～58(vol%)，并且氣孔為17～34(vol%)。

磨具組織的疏松與緊密，決定了磨具中氣孔率的大小。丁玉龍等[5]研究了砂輪的組織對(duì)磨削性能的影響，隨著砂輪組織逐漸疏松，氣孔率越大，自銳性越好。多孔陶瓷磨具的組織號(hào)在10～20之間，以其疏松的組織、較多的氣孔，能夠減少磨削過(guò)程的堵塞，降低磨削溫度，減少修整頻次,因此，造孔被廣泛用于陶瓷結(jié)合劑砂輪。

2 造孔劑的特性和選擇

磨具中的氣孔可以在燒結(jié)中自然形成(氣孔率在30%以下)，也可以添加造孔劑生成氣孔(氣孔率可達(dá)50%～80%)。但一般通過(guò)陶瓷砂輪燒結(jié)自然形成的氣孔的尺寸不超過(guò)0.02 mm，并且氣孔率有限，沒(méi)有足夠的空間來(lái)容納大量的工件磨屑，造成磨削效果不佳的狀況。為了改善磨具的容屑排屑和散熱性能，并滿足特定的研磨性能要求，通常需要加入一些物質(zhì)來(lái)促進(jìn)磨具中的氣孔的形成，我們把這類物質(zhì)稱為造孔劑[6]。而造孔劑種類繁多，造孔效果也會(huì)有所差別。理想的固體造孔劑應(yīng)具有以下特性[7]：

(1)造孔劑顆粒應(yīng)具有一定的形狀和強(qiáng)度，以使其在混料和壓制過(guò)程中不會(huì)破裂和變形而影響氣孔的大小和形狀，并且可以做到大小和形狀的可控性。

(2)造孔劑與磨具的坯體具有良好的潤(rùn)濕性，并且與磨料和結(jié)合劑能夠具有相近的密度，有利于氣孔均勻地分布在成型料中，并使磨具的強(qiáng)度不致于過(guò)低。

(3)有機(jī)造孔劑要求揮發(fā)性和可燃性優(yōu)良，燃燒后沒(méi)有殘?jiān)?，以保證磨具的內(nèi)在質(zhì)量和外觀色澤。

(4)原料易得，價(jià)格相對(duì)便宜，無(wú)毒且對(duì)環(huán)境友好或污染小。

最初在普通磨具中添加萘、核桃殼和木炭等造孔劑，在磨具的壓制過(guò)程中占據(jù)一定的空間大小，并且在隨后燒結(jié)的高溫條件下碳化為灰燼，并形成一定量的氣體，從而達(dá)到造孔的目的。碳質(zhì)材料以其低硬度、燃燒性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于造孔，由高溫?zé)Y(jié)和氧化形成的氣體也起到了造孔的作用。但萘對(duì)人體有毒性且對(duì)環(huán)境有污染，目前已被禁止使用；木炭和核桃殼用在精密磨削的超硬磨具中氣孔形狀不易控制，成型性較差。因此，國(guó)內(nèi)外都在積極探索新型的成孔材料。

3 造孔原理及方法

在磨具中有很多種不同形狀的孔洞，例如立方形、圓柱形、金字塔形或球形，但最好的是球形。磨具的氣孔率可以通過(guò)改變?cè)炜讋┑奶砑恿縼?lái)調(diào)控。根據(jù)造孔的不同原理，可分為燒結(jié)法，空間占位法和產(chǎn)生氣體(發(fā)泡)法[8]。

3.1 燒結(jié)法

燒結(jié)法包括不完全燒結(jié)法和過(guò)燒法，結(jié)合劑在不添加造孔劑時(shí)燒結(jié)也會(huì)產(chǎn)生收縮而產(chǎn)生氣孔，產(chǎn)生的氣孔大小與坯體粉料粒徑和燒結(jié)溫度有關(guān)，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到燒結(jié)點(diǎn)時(shí)結(jié)合劑達(dá)到最大的致密度，氣孔率最低。當(dāng)結(jié)合劑不完全燒結(jié)時(shí)坯體疏松多孔，其氣孔率和燒結(jié)密度之間的關(guān)系如圖3所示[9]。過(guò)燒法是結(jié)合劑的燒結(jié)溫度比最佳燒結(jié)溫度高，結(jié)合劑中液相增多，高溫流動(dòng)性變強(qiáng)，留在內(nèi)部的氣孔無(wú)法排出體外，溫度繼續(xù)增加，氣泡變大，出現(xiàn)過(guò)燒發(fā)泡現(xiàn)象，收縮率降低。燒結(jié)法產(chǎn)生的氣孔大小、形狀不易控制，氣孔率受燒結(jié)制度影響較大，磨具容易在使用過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中從而影響磨削性能。因而探究合理的燒結(jié)制度對(duì)燒結(jié)造孔至關(guān)重要。張立斌[10]研究了燒結(jié)制度對(duì)過(guò)燒發(fā)泡法的影響，并得出了升溫-降溫-升溫的燒結(jié)制度具有良好的試樣強(qiáng)度和造孔效果。苗衛(wèi)朋[11]等通過(guò)對(duì)磨具生坯的DSC-TG曲線確定了脫水、排膠、燒結(jié)和冷卻階段的升溫速率和保溫時(shí)間，在730℃下保溫90 min最終制造了氣孔率為78%的金剛石砂輪。

圖3 密度和氣孔率之間的示意圖

3.2 空間占位法

空間占位法又分為三類，燒蝕造孔、可溶性填充造孔和空心球造孔。

燒蝕造孔是以核桃皮、碳顆粒、有機(jī)或高分子材料(如聚甲基丙烯酸酯)等作為造孔劑，它們?cè)谀ゾ叩膲褐七^(guò)程中會(huì)占據(jù)一定的空間，燒結(jié)時(shí)在高溫條件下，這些造孔劑會(huì)碳化燃燒、縮小或揮發(fā)，在原來(lái)的位置留下空間，在磨具中產(chǎn)生了氣孔。張習(xí)敏[12]等以石墨為造孔劑，研究了石墨對(duì)陶瓷磨具的影響，實(shí)驗(yàn)表明石墨不與結(jié)合劑浸潤(rùn)，阻礙了結(jié)合劑的高溫流動(dòng)，玻化生成的結(jié)合橋小，嚴(yán)重降低磨具強(qiáng)度，所以添加量不宜超過(guò)15%。張志剛[13]系統(tǒng)地研究了不同造孔劑對(duì)金剛石油石結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明，核桃殼粉和硅藻土具有優(yōu)良的造孔效果，內(nèi)部氣孔分布均勻，基體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。Lv X.F.等[14]研究了聚甲基丙烯酸酯(PMMA)相比與活性炭對(duì)陶瓷結(jié)合劑砂輪性能的影響，發(fā)現(xiàn)PMMA分解后生成的孔結(jié)構(gòu)接近球形，造孔效果好于活性炭，是一種有利的成孔材料。

可溶性填充造孔是把一些可溶性的物質(zhì)(如無(wú)機(jī)鹽、糖類等)作為造孔劑，這類造孔劑根據(jù)熔點(diǎn)的高低或在燒結(jié)過(guò)程中溶解揮發(fā)，或在磨削過(guò)程中接觸冷卻液，并溶解在冷卻液中從而在砂輪內(nèi)部留下氣孔。欒時(shí)勛[15]以NH4HCO3為造孔劑系統(tǒng)地探究了不同NH4HCO3含量對(duì)金屬磨削性能的影響，當(dāng)砂輪氣孔率較高時(shí)，金剛石磨粒的出刃高度增加，砂輪與金屬件的磨削比增大，磨削效率有所提升。劉一波[16]等采用NH4F、NH4Cl、(NH4)2SO4和NH4HCO3四種無(wú)機(jī)銨鹽作為陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的造孔劑，發(fā)現(xiàn)NH4HCO3造孔劑性能最佳，氣孔可調(diào)性好，大氣孔數(shù)多。Mao J.B.等[17]把蔗糖作為陶瓷結(jié)合劑cBN磨削砂輪的造孔劑，研究發(fā)現(xiàn)砂糖添加量不超過(guò)9%時(shí)，對(duì)砂輪的氣孔率、氣孔形貌、氣孔大小以及氣孔的分布都比較可控。

空間占位法另外一類是添加空心球，這些空心球熔點(diǎn)高，燒結(jié)時(shí)不會(huì)分解，從而在磨具中留下封閉可控的氣孔。最初在磨具中加入剛玉空心球[18]，剛玉空心球在磨具中既是造孔劑，又可以當(dāng)作磨料。使用剛玉空心球作為造孔劑的磨具具有強(qiáng)度高、磨削性能好的特點(diǎn)，還可以通過(guò)加入量和粒度來(lái)有效地控制氣孔率和組織號(hào)。陳衛(wèi)東[19]等將不同類型造孔劑用于陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪，發(fā)現(xiàn)造孔劑含量越高，結(jié)合劑強(qiáng)度的下降越明顯，但Al2O3空心球和空心玻璃微珠造孔劑對(duì)結(jié)合劑強(qiáng)度影響較小。房佳斌[20]在金剛石陶瓷結(jié)合劑中添加了由碳化硅晶須上沉積SiO2涂層獲得的SiC@SiO2核-殼結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)體，同時(shí)作為造孔劑制備出機(jī)械強(qiáng)度高的磨具樣條。王超超[21]把空心玻璃微珠作為金剛石陶瓷磨具的造孔劑，通過(guò)改變空心玻璃微珠的含量和粒徑來(lái)控制氣孔率和氣孔的粒徑，結(jié)果表明，隨著空心玻璃微珠含量的增加，磨具的氣孔率提升的同時(shí)抗折強(qiáng)度和硬度下降明顯，細(xì)粒徑的造孔效果比粗粒徑的造孔效果好。Yin Y.H.等[22]采用二氧化硅作為保護(hù)殼，在粉煤灰微珠表面沉積二氧化硅形成FA@SiO2核-殼結(jié)構(gòu)，用以造孔，表現(xiàn)出與粉煤灰造孔相比更低的強(qiáng)度損失。

3.3 產(chǎn)生氣體法(發(fā)泡法)

產(chǎn)生氣體法是通過(guò)在磨具中加入一些受熱分解產(chǎn)生氣體的物質(zhì)作為造孔劑，在燒結(jié)過(guò)程中分解，從而在陶瓷結(jié)合劑的燒熔狀態(tài)下產(chǎn)生氣泡，并且在冷卻后殘留并成為氣孔[23]，氣孔率可以用添加的造孔劑的量來(lái)計(jì)算。該方法最典型的物質(zhì)是碳酸鈣，碳酸鈣用于造孔，氣孔均勻分布且孔壁光滑[24]。在制造砂輪過(guò)程中，通過(guò)調(diào)控砂輪自然形成的孔和人為造孔的結(jié)構(gòu)和分布，多氣孔造成的低硬度的問(wèn)題可以得到有效地解決[25]。李坤[9]采用碳酸鈣作為造孔劑探究氣孔調(diào)控效果，碳酸鈣生成的氣孔多為近球型且氣孔分布均勻，氣孔率能夠較好的控制，可以用作超硬磨具的制造。此外，除了固體造孔劑壓制成型，水澆注成型[26]制備多孔陶瓷磨具也是利用液體造孔劑雙氧水受熱分解生成的氣體達(dá)到造孔的目的。

迄今為止，多孔陶瓷結(jié)合劑磨具的造孔劑的選擇與應(yīng)用仍然是研究的熱點(diǎn)。在添加氣孔可變量的研究通常以造孔劑的含量、粒度大小為變量添加在陶瓷磨具中，制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的磨具，以滿足不同的磨削要求。

4 多孔陶瓷磨具的特點(diǎn)和應(yīng)用

多孔陶瓷磨具的氣孔率在50%以上，是具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的特定磨削用途的一種新型磨具。蜂窩結(jié)構(gòu)增加了砂輪的容屑和排屑空間，由于孔隙率高、硬度高，并且具有較低的磨削比能(去除工件所需的能量與工件的體積比)、易維修、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)[27]。在磨削工件時(shí)結(jié)合劑易破碎脫落，具有較好的自銳性并且耐腐蝕性能好，可以適應(yīng)各種冷卻液。這種多孔結(jié)構(gòu)有助于將冷卻液輸送至研磨接觸區(qū)域，降低磨削溫度。多孔磨具結(jié)合劑多以Li2O、ZnO、MgO、Na2O、CaO等一些金屬氧化物作為結(jié)合劑原料，具有孔隙率高、結(jié)合強(qiáng)度高、燒成溫度低的特點(diǎn)。多孔陶瓷結(jié)合劑磨具的缺點(diǎn)有塑性差、結(jié)合劑基體之間受沖擊力易形成裂紋、抗沖擊性能差、在發(fā)生磨削碰撞時(shí)、砂輪易破損[28]等。

多孔陶瓷磨具的應(yīng)用以磨削的精度分為兩個(gè)方面：普通磨削和精密磨削。

普通磨削主要是磨削一些特殊的對(duì)象時(shí)，需要用到大氣孔的多孔磨具[29]，例如軟金屬加工、橡膠、皮革及薄片磨削等非金屬材料，特別適于磨削大平面、薄壁工件及其他受熱易變形的工件。隨著大深切緩進(jìn)給新磨削工藝的發(fā)展，其磨削深度大，進(jìn)給速度低的特點(diǎn)使其產(chǎn)生磨削熱增多，因而需要?dú)饪茁矢叩哪ゾ邅?lái)適應(yīng)這類磨削工藝。此外，多孔磨具廣泛用于平面磨削和外圓磨削。這類磨削以粗磨和半精磨為主。

多孔陶瓷結(jié)合劑磨具制造砂輪用于精密磨削加工，體現(xiàn)在對(duì)硬脆材料的減薄、精磨和拋光等方面，對(duì)工件表面磨削質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。隨著航空航天、熱力學(xué)、光子學(xué)和光學(xué)成像技術(shù)的快速發(fā)展，包括玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金和半導(dǎo)體在內(nèi)的硬脆材料(HBMs)已成為這些技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)鍵部件的首選材料，尤其是硅片晶圓和碳化硅襯底材料加工需要達(dá)到納米級(jí)別的表面光潔度，此時(shí)的磨削方式為端面自旋轉(zhuǎn)磨削，采用傳統(tǒng)的非多孔結(jié)構(gòu)的磨具對(duì)硬脆材料進(jìn)行磨削加工，易產(chǎn)生延性變形而導(dǎo)致磨痕[30]；同時(shí)非多孔結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石有很好的把持力，導(dǎo)致磨具的自銳性不高，磨削溫度上升燒傷工件，表面質(zhì)量變差。有研究表明，通過(guò)在磨具中引入高氣孔率可有效改善這個(gè)問(wèn)題[31]，多孔結(jié)構(gòu)陶瓷磨具可有效增加對(duì)硬脆材料磨削的鋒利性，在背面研磨硅片時(shí)，高氣孔率有助于提高切削效率，減少對(duì)基底的損壞，并延長(zhǎng)磨具壽命[28]。此外，孔隙率對(duì)研磨硅片的粗糙度也有很大影響。隨著砂輪中孔隙體積百分比的增加，研磨硅晶片的表面粗糙度降低，多孔陶瓷磨具的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是顯著提高了砂輪的自銳性。Miao W.P[32]等采用凝膠注模成型工藝和添加單分散聚苯乙烯(PS)微球造孔劑成功制備出孔隙率接近75%的超高氣孔率金剛石陶瓷砂輪，其磨削實(shí)驗(yàn)表明，砂輪表現(xiàn)出優(yōu)異的自銳性，研磨后硅片的表面粗糙度和損傷層分別約為5.0 nm和0.21 μm，顯著提高了磨削效率和工件質(zhì)量。

5 展望

隨著人們對(duì)超硬材料的日益關(guān)注，多孔陶瓷超硬磨具作為一種重要的磨具吸引了越來(lái)越多人的關(guān)注，雖然其制備已經(jīng)取得了不少成果，但是其在工業(yè)應(yīng)用上還缺乏可陳，超精密磨削多孔磨具的技術(shù)瓶頸仍然被國(guó)外DISCO等公司掌控著，國(guó)內(nèi)還有許多不足需深入研究：

(1)目前利用造孔劑造孔的多孔陶瓷磨具易造成氣孔的大小和分布不一，且開孔和閉孔不好掌握，需根據(jù)特定加工工況獲得具有特定磨削用途的孔結(jié)構(gòu)梯度和組分。

(2)傳統(tǒng)的多孔功能陶瓷制備工藝如溶膠凝膠法、發(fā)泡法、有機(jī)泡沫浸漬法等工藝用于制造磨具方面的研究還不多。需要進(jìn)一步研發(fā)新的多孔陶瓷磨具成型工藝，豐富多孔磨具的成型工藝。

(3)由于多孔陶瓷磨具疏松多孔的結(jié)構(gòu)使得結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力和結(jié)合劑與結(jié)合劑之間的結(jié)合劑橋體積比較小，普通的陶瓷結(jié)合劑使多孔磨具強(qiáng)度降低，耐磨性下降，因此需要開發(fā)多孔磨具專用的低溫高強(qiáng)度陶瓷結(jié)合劑以進(jìn)一步增強(qiáng)多孔陶瓷磨具的強(qiáng)度及壽命。

總之，多孔陶瓷磨具作為一類超精密磨削的磨具，具有多種特殊的磨削用途，具有更廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，也是對(duì)超硬材料及其制品發(fā)展的進(jìn)一步完善與挑戰(zhàn)。