第21卷第2期 超 硬 材 料 工 程V o l.21 2009年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A p r.2009纳米陶瓷结合剂超硬磨具的制造工艺① 王艳辉1，张向红1,2，葛恩报1，张金辉1，臧建兵1
(1.亚稳材料制备科学与技术国家重点实验室，燕山大学西校区材料学院，秦皇岛066004
2.河北建材职业技术学院，秦皇岛066004)
摘 要：纳米陶瓷结合剂是一种新型的超硬磨具结合剂，采用它能显著降低磨具烧结温度，大幅度提高制 品的强度、韧性和耐磨性，且气孔可控，为陶瓷结合剂的应用开拓了一个崭新的领域。文章阐述了纳米陶瓷 的性能及应用。结果表明：纳米陶瓷结合剂抗折强度高于100M Pa，经过烧结，纳米陶瓷结合剂与金刚石和
c BN超硬磨料润湿性良好、结合力大，在烧结过程中与超硬磨料不发生反应、不腐蚀损伤超硬磨料。成功用
于磨削PCD复合片的金刚石陶瓷砂轮。
关键词：纳米陶瓷结合剂；超硬磨具；低温高强；可控气孔
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)02-0012-04
D evelop m en t of a new nano-v itr if ied bond for superhard tools
W AN G Yan2hu i1,ZHAN G X iang2hong1,2,GE En2bao1,ZHAN G J in2hu i1,Z AN G J ian2b ing1
(1.S tate K ey L aboratory of M etastable M aterials S cience&T echnology,Colleg e of M aterials
S cience and E ng ineering of Y anshan U niversity,Q inhuang d ao066004,Ch ina;
2.H ebei V ocational&T echnical Colleg e of B u ild ing M aterials,Q inhuang d ao066004,Ch ina)
Abstract:N ano2vitrified bond fo r superhard too ls is a new developed bonding system,
表贴式永磁同步电机
w h ich endow s the too ls w ith the sign ifican tly decreasing sin tering tem peratu re,the great2
ly i m p roving strength,toughness and w ear resistance,and con tro llab le po res structu re
leading to a b rand new app licati on fields fo r vitrified bond.In th is paper the p roperties
and p rep arati on s of the bond,especially the sin tering p rocess of the superhard too ls w ere
studied.T he experi m en tal resu lts show that the bending strength of sin tered p roducti on
超导液is over100M Pa.T he w ettab ility of diam ond and c BN w ith the nano2vitrified bond is ex2
cellen t and the bonding strength betw een them is strong.T he bond w ou ld no t react w ith
the ab rasive grits and have no dam age to grits du ring sin tering.T h is bond has app lied
successfu lly in diam ond w heel fo r grinding PCD.
Keywords:nano2vitrified bond;superhard too ls;low tem peratu re and h igh strength;con2
tro llab le po res
0 引言
金属结合剂对磨粒的把持较好，强度高，韧性较好，但其自锐性差，气孔率低，修整困难，尤其是在
加工金属材料时，容易发生工件粘着、烧伤和工具堵塞的情况；树脂结合剂自锐性能良好，不易堵塞，很少修整，磨削效率较高，磨削温度较低，而且本身具有一定弹性，能起抛光作用，但其耐热性差，在磨削过程中产生的大量的热容易导致树脂软化或分解，致使其粘结力下降，导致昂贵的磨料还没有完全发挥作用就大量
①收稿日期:2009-03-10
作者简介：王艳辉，男，河北人，燕山大学教授，博士生导师，博士学位，研究方向：超硬材料及制品Em ail:diamondzjb@163。
脱落；陶瓷结合剂是目前应用日益广泛的一种结合剂，其性能介于金属结合剂和树脂结合剂之间，特别值得一提的是，由于陶瓷结合剂超硬磨具具有较多的气孔，有利于冷却、容屑和排屑，故磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，能够很好地满足难加工材料和一般材料的磨削和高效磨削的需要锌合金压铸工艺
。
图1 陶瓷磨具三构造要素间的基本关系
F ig .1 Basic relati onsh i p among th ree key
facto rs of vitrified grinding w heel
图1为超硬陶瓷磨具的“磨粒-结合剂-气孔”三角坐标图[1]。图中A 区为普通陶瓷磨具制造范围;C 区为金属超硬磨具的制造范围;B 区为超硬磨料陶
瓷磨具合适的制造范围。由图可见，金属超硬磨具气孔率较小，结构致密，而陶瓷结合剂超硬磨具含有较多的气孔，气孔所占体积分数在10vo l %～40vo l %范围内。
常见的陶瓷结合剂超硬磨具主要有砂轮、油石、研磨条、磨盘和磨头等。这些制品已在工具、汽车、轴承、机床、航天、军工等行业中得到了不同程度的应用。但是，国内陶瓷结合剂超硬磨具目前的发展缓慢，产品质量低，应用效果不理想，而决定陶瓷结合剂磨具性能的关键是结合剂的性能。而结合剂性能的提高要求的烧结温度较高，但由于金刚石的热稳定性不好，在温度高于800℃的情况下，易发生氧化或石墨化等化学反应；而c BN 在高温下将转变为类石墨的六方结构而失去其超硬性，并且在陶瓷结合剂中含有的起催熔作用的碱金属氧化物(N a 2O 、K 2O 、L i 2O 等)会在800℃以上强烈腐蚀c BN [1-2]。
为充分发挥超硬磨料的磨削潜力，解决问题的思路之一是降低烧结温度，但是降低烧结温度往往意味
着牺牲结合剂的强度，多年来，大家都在致力寻这样一种低熔高强的陶瓷结合剂，既能最大限度的发挥超硬磨料的磨削能力，又能保证结合剂的把持强度。但利用传统的方法比较困难，烧结温度高、强度低，抗冲击、抗疲劳性能差，为改善其性能及避免高温对超硬磨料的伤害，我们将纳米技术引入到陶瓷结合剂中，开发研制出一种新型的纳米陶瓷结合剂，以解决目前传统陶瓷结合剂存在的问题。
随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷材料也随之产生变化，由于它的粒度小、比表面积大，而表现出明显的小尺寸效应、量子尺寸效应以及表面界面效应，使之具有不同于传统陶瓷的独特性能，如强度高[3]、韧性好[4]、烧结温度低等。因而用纳米粉进行烧结，致密化的速度快、烧结温度低，具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性。纳米陶瓷烧结温度约比传统晶粒陶瓷低400℃～600℃[3]，烧结过程也大大缩短。
基于纳米材料的优异特性，我们采用新型纳米陶瓷结合剂，解决了陶瓷结合剂低温高强的矛盾问题，工业化应用的实践证明，采用纳米材料作为结合剂显著降低了烧结温度，大幅度提高了制品强度、韧性和耐磨性，实验结果的稳定性和重现性良好，并成功获得了工业化应用。
1 纳米陶瓷结合剂性能及试验
纳米陶瓷材料，具有不同于传统陶瓷的独特性
能，而纳米陶瓷粉体的制备方法有多种，一般可分为物理方法和化学方法两大类。物理方法有蒸发-冷凝法、高效机械球磨法等；化学方法主要有化学沉淀法、化学气相法、水热法、溶胶-凝胶法、水解法、高温蔓延合成法等。
我们研制的纳米陶瓷复合结合剂是在陶瓷结合剂基体中引入纳米级的颗粒、片晶、晶须和纤维等第二相而形成的一种纳米复合材料，在该材料中，至少一相为纳米尺寸。其主要性能特点是：烧结温度低，用于金刚石磨具的陶瓷结合剂烧结温度800℃～850℃；用于c BN 磨具的陶瓷结合剂烧结温度850℃～900℃；结合剂抗折强度高于100M Pa 。具有良好的强度、韧性、硬度和耐磨性综合性能。
低熔点高强度纳米陶瓷结合剂适用于金刚石和立方氮化硼陶瓷砂轮，具有操作简单、性能稳定、适应性好的特点。
纳米陶瓷复合结合剂分为有气孔的A 类(气孔率
约为30%)结合剂及无气孔的B类结合剂两种，如对气孔率有特殊要求，可以单独定制。
纳米陶瓷复合结合剂适用于各种粒度的超硬磨具制造。只需按照用户对磨具粒度和浓度的要求，直接在结合剂中加入超硬磨料，经过传统的混合、成型、烧结等工序即可制成各类金刚石或c BN磨具，不需加入其它任何组分。
注意结合剂与超硬磨粒混合均匀，混料时间大于2小时。
纳米陶瓷复合结合剂烧结在空气下进行，不需要保护气氛。金刚石磨具烧结温度800℃～850℃;c BN 结合剂850℃～900℃。为了防止软化变形，成型块可以埋在石英砂或刚玉粉中烧结。柴油车尾气处理
根据磨具尺寸大小保温1～3小时。对于简单形状及小尺寸磨具，可以随炉升温，随炉冷却；对于复杂形状及大尺寸磨具，可以在升温和降温过程中,500℃～700℃区间设置保温平台。
本结合剂密度为2.68g c m3。具体磨具的填料量，根据结合剂的量及超硬磨料的含量经过理论计算初步确定，计算公式如下:
Θ(理论密度)=1 [(结合剂重量百分比 2.68) +(超硬磨料重量百分比 3.52)]
成型压力>30M Pa；烧成收缩约10%，取决于超硬磨料加入量及成型密度；请根据试验确定模具放尺。
由于纳米材料的细粒度及极大表面积，外观膨松，必须采用适当的压制工艺，获得较高的毛坯密度，从而提高烧结强度，减少烧成收缩。
原料经过混合后，加入一定量水或活性剂水溶液，混合均匀；填入模具中，以不同压力压制成40×8×4mm的试块。测量毛坯密度和抗折强度。
将毛坯在800℃空气环境烧结1小时，随炉冷却，测量抗折强度；用体视显微镜和场发射扫描电子显微镜观察断口显微结构。
2 实验结果分析讨论
各种粉末在成型压制过程中，颗粒摩擦造成压力损耗，压坯各处的压力分布是不均匀的，靠近压头的外表面压力高，成型密度大，而压坯芯部压力小，成型密度低，这样会导致产品密度不均匀，为了改善纳米陶瓷结合剂粉体压制性能，我们在粉体中加入水及表面活性剂水溶液。水的加入，尤其是表面活性剂水溶液明显提高了坯体的成型密度，这是因为水及表面活性剂水溶液在纳米粉体表面形成水化膜，在坯体压制过程中起了润滑作用，减少了颗粒摩擦造成的压力损耗。此外，毛坯抗折强度也随着水的加入，尤其是表面活性剂水溶液的加入明显提高，便于成型操作。图2是湿润剂及成型压力对纳米结合剂烧结体抗折强度的影响，结果表明，在纳米陶瓷结合剂中加入20%～30%的水和适量的表面活性剂，烧结体抗折强度普遍高于100M Pa
。
图2 湿润剂及成型压力对纳米结合剂
烧结体抗折强度的影响
F ig.2 Influence of w etting agent and mo lding p ressure on
bending strength of sintering nano2bond
纳米陶瓷结合剂与金刚石和c BN超硬磨料润湿性良好、结合力大，在烧结过程中与超硬磨料不发生反应、不腐蚀损伤超硬磨料。图3是纳米陶瓷复合结合剂与W5金刚石制成的超细陶瓷磨具的显微结构，由图可见超细金刚石磨料与结合剂分布均匀、结合剂对金刚石微粉浸润良好
。
图3 纳米陶瓷结合剂与W5金刚石制成
的超细陶瓷磨具的显微结构
F ig.3 M icro structure of ultrafine vitrified grinding
w heel m ade by nano2vitrified bond and W5diamond
我们研制的纳米陶瓷结合剂分为致密的和均匀气孔型两大类；按照不同的应用需要，经过烧结之后，可以获得近于无气孔的致密制品和具有均匀分布的圆形气孔，如图4所示。在纳米陶瓷结合剂中引入造孔剂，可以获得孔径和数量可控的圆形气孔，并且根据用户要求气孔率可以在大范围调整，适合制备较大磨削接触面积的工具，如抛磨工具等
。
汽车香水瓶
图4 气孔可控的纳米陶瓷结合剂
F ig .4 N ano 2vitrified bond w ith contro llable po res
目前，随着我国先进加工领域的扩大，对陶瓷结合剂超硬工具的需求越来越多，国内超硬工具制品厂家正在积极开发陶瓷结合剂金刚石和c BN 工具，一
些工具种类已成功取代了昂贵的进口工具。但是，国内超硬工具制品厂家自行配制、融制玻化陶瓷结合剂，工序繁杂，影响结合剂性能的因素众多，导致制品稳定性差。采用我们开发的纳米陶瓷结合剂，有一定工具制造基础的厂家就可以直接使用，工艺和工序简化，投资少，极易上马，有利于开发出适合用户自己市场特的各类工具。
骨刺消痛膏纳米陶瓷复合结合剂适用于各种粒度，尤其是制造细粒度、微粉、精细磨削工具和刃磨工具，具有普通陶瓷结合剂不可比拟的优势。该产品成功用于磨削PCD 复合片，获得厂家好评。参考文献:
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35.
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29.
(上接第11页)
涂层后的试样d 能谱图(图4(4))中W 元素峰值完全消失,C 峰明显增大，表明基体已为沉积的金刚石层所覆盖。
a 至e 五个试样涂层前后的能谱曲线均表现出了相似的特征。预处理之前Co 被有效的去除，涂层生长之后基体为金刚石所覆盖。
3 结论
(1)进行酸碱处理可提高硬质合金基体表面粗糙
度，有利于提高CVD 金刚石膜与基体的附着强度;
(2)硬质合金基体表面粗糙度随着金刚石粉粒度的增大而增大，涂层的结合力也随之有增大的趋势。但是随着粗糙度的进一步加大，结合力略有降低;
(3)不同的表面粗糙度需与涂层的沉积工艺相匹配方可得到最佳的膜基结合力。
研究工作表明，金刚石层与基体间的附着强度是
影响CVD 金刚石涂层材料推广应用至关重要的因素，科学合理的附着强度的检测方法将有利于CVD 金刚石涂层材料的研究进展。参考文献:
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