纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的研究进展①

刘瑞平,苏伟明

(中国矿业大学(北京)材料系,北京 100083)

纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的研究进展①

刘瑞平,苏伟明

(中国矿业大学(北京)材料系,北京 100083)

文章综合论述了纳米陶瓷结合剂的性能特点、增强增韧机理以及研究进展,并探讨了纳米陶瓷结合剂cBN砂轮制备过程中存在的问题及对策,指出纳米陶瓷结合剂不仅可以解决目前陶瓷结合剂低熔点与高强度之间的矛盾,而且对于拓宽cBN砂轮的应用范围、适应超高速磨削技术具有十分重要的意义。

纳米陶瓷结合剂;cBN砂轮;研究进展;综述

1 引言

由于立方氮化硼(cBN)具有硬度高、耐磨性好、热稳定性好、在高温下与铁族材料不发生化学反应等优点,已在各类磨削工具中得到了广泛应用。在各类cBN砂轮结合剂中,金属结合剂自锐性差、在加工金属材料时易发生黏着,树脂结合剂热稳定性较差,而陶瓷结合剂介于金属结合剂和树脂结合剂之间,其耐热温度较高、自锐性较好、强度高、耐磨性好。陶瓷结合剂cBN砂轮不仅具有切削锋利、磨削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高等优点,而且还具有磨削时工件温度低,能消除残余拉应力而产生残余压应力,使工件耐用度提高30%～50%的特点。因此,陶瓷结合剂cBN砂轮作为一类高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具产品,成为近年来世界磨具研究开发的重点[1]。

陶瓷结合剂的开发研究是陶瓷结合剂cBN砂轮制造的基本前提,高性能陶瓷结合剂是制备高性能陶瓷结合剂cBN砂轮的关键。随着近年来超高速cBN砂轮的的发展,对陶瓷结合剂的性能提出了更高的要求,即要求结合剂具有高强度、低耐火度、良好的气孔性、浸润性、工艺性、化学稳定性的特点且与cBN磨料热膨胀系数匹配,然而传统的陶瓷结合剂普遍存在烧结温度高、强度低等缺陷[2]。纳米陶瓷结合剂由于其粒度小、比表面积大、烧结温度低、强度高、韧性好等优点,有望解决目前传统陶瓷结合剂低烧结温度和高强度之间的矛盾问题,提高陶瓷结合剂cBN砂轮的性能,进一步拓宽cBN砂轮的应用范围。

2 纳米陶瓷结合剂的特点

除具有常规传统陶瓷结合剂的优点之外,纳米陶瓷结合剂还具有如下独特的特点[3]:

(1)纳米陶瓷结合剂不仅可以用于超细cBN微粉砂轮的制造,解决常规陶瓷结合剂分布不均匀、对cBN磨料把持力小的问题,而且可以解决粗颗粒的cBN砂轮容易产生工具强度低和磨粒把持力不足问题。

(2)纳米陶瓷结合剂引入纳米级的颗粒、片晶、晶须和纤维等第二相,不仅降低了cBN磨具的烧结温度,而且结合剂的韧性大大提高,有效解决了cBN磨料-传统陶瓷结合剂界面应力问题,使得粗颗粒工具的强度大幅度提高。

(3)纳米陶瓷结合剂比普通结合剂具有更低的软化温度和更好的韧性。低的软化温度使得纳米陶瓷结合剂的烧结比普通结合剂的烧结更加致密化,而好的韧性提高了纳米结合剂的拉应力承受极限。

3 纳米陶瓷结合剂的增强增韧机理

自1987年德国Karch等首次报道了纳米陶瓷的高韧性、低温超塑性能后,世界各国对利用纳米颗粒以解决陶瓷材料脆性和难加工性寄予厚望。当把直径为纳米级的颗粒加入陶瓷中时,其强度和韧性大大提高。纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响材料的宏观强度,结果可使材料的强度、韧性显著增加。有关纳米陶瓷复合材料的增韧强化机理目前不很清楚,说法不一,归纳起来大致有以下几种[4]:

第一种是细化理论,该理论认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,是纳米陶瓷复合材料强度韧性提高的一个原因。

第二种是穿晶理论,该理论认为基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部,因此在纳米复合材料中存在晶内型结构,而纳米复合材料性能的提高与晶内型结构的形成及由此产生的次界面效应有关。晶内型结构能减弱主晶界的作用,诱发穿晶断裂,使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂。

第三种是钉扎理论,该理论认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生钉扎效应,从而限制晶界滑移和孔穴、蠕变的发生。氧化物陶瓷高温强度衰减主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和扩散蠕变造成的,因此钉扎效应是纳米颗粒改善氧化物高温强度的主要原因。

4 纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的研究进展

纳米陶瓷结合剂是一种新型的超硬磨具结合剂,它显著降低了磨具烧结温度,大幅度提高了制品强度、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。近年来国内对纳米陶瓷结合剂进行了探索研究。燕山大学王艳辉课题组系统地研究了纳米陶瓷结合剂制备过程中的一系列关键问题,开发出了一系列新型的纳米陶瓷结合剂[3,5-7]。研究发现,在纳米陶瓷结合剂中加入20%～30%的水和适量的表面活性剂,可以提高成型密度、毛坯强度和制品的抗折强度,同时,其通过改变造孔剂的粒度和掺入量,可以获得近于无气孔的致密型和具有均匀分布的圆形理想气孔的结合剂,气孔孔径和数量可控,并且气孔率可以在大范围内调整,这种理想型均匀分布的圆型气孔不仅对结合剂的强度影响较小,而且可以最大效率地发挥容屑、断屑、贮存冷却液、润滑剂的作用。

为了解决纳米陶瓷结合剂粉体易于团聚、分散性差的问题,燕山大学赵玉成课题组采用高分子网络凝胶法(P-G法)制备了用于超精磨削用超硬砂轮陶瓷结合剂组分。研究表明,采用P-G法制备单组分氧化物粉体(如Al2O3、Mg O、SiO2、Zn O等),由于凝胶过程中所形成的高分子网络的阻碍作用,使粒子在溶液中的移动受到限制,在干燥和烧结过程中,粒子接触和聚集的机会减少,可以减小团聚的产生,有希望获得颗粒尺寸小、分散均匀的超细粉体材料,制备得到的氧化物粉末易于确定煅烧温度,可以制备出物相单一、颗粒形态近球形、粒度分布窄的纳米粉体,但对于化学性质活泼的Na2O、K2O等氧化物的粉体则难以制备[8]。

鉴于溶胶凝胶法在材料制备方面所展示的特点,湖南大学胡伟达探讨了溶胶凝胶法制备Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂原料及工艺因素的影响,优化出的最佳工艺参数为:加水量r(n H2O/ n TEOS)为60,p H调节为4,凝胶化温度为70℃,后续凝胶热处理温度为500℃,最后经球磨处理并过200目筛网,制得陶瓷结合剂粉末[9]。

除此之外,东北大学张景强等人以超高速陶瓷cBN砂轮的结合剂低温高强性能要求为目标,在以化学纯原料为主的R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃体系基础上,引入纳米改性剂来对陶瓷结合剂基体进行了改良强化。结果表明,纳米陶瓷结合剂的抗折强度、耐火度、浸润性以及线膨胀系数与普通陶瓷结合剂相比有着显著优势[2,10]。

5 纳米陶瓷结合剂cBN砂轮存在的问题及对策

与传统的陶瓷结合剂相比,尽管纳米陶瓷结合剂具有强度高、韧性好、烧结温度低等优点,但由于其粒度较小、比表面积大,在cBN砂轮的制备过程中还存在一些问题,具体表现在以下几个方面:

(1)由于纳米陶瓷结合剂的细粒度及极大表面积,外观膨松,密度较低,这可能对磨具的成型带来一定的困难。因此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。

(2)纳米陶瓷结合剂单组份粉体制备比较容易,但问题是在后续球磨混合的过程中如何保证其分散性良好且均匀分布。为了解决这一问题,可以采用溶胶-凝胶法制备多组元的混合氧化物陶瓷粉体,实现其分子级别的均匀混合,除此之外,还可以结合凝胶注模成型工艺的原理,通过球磨后高分子网络固化而得到均匀分散的纳米陶瓷结合剂。

(3)由于纳米颗粒的活性较高,烧结过程中易出现晶粒的异常长大且难以致密等缺点。因此,要获得真正意义上的纳米陶瓷结构材料并不容易。为了解决这一问题,可以采用新型的低温快速烧结工艺,如SPS等,同时探寻加入抑制纳米颗粒异常长大的微量添加剂等。

(4)与传统陶瓷结合剂相比,对纳米陶瓷结合剂中气孔的结构(如形状、含量和大小)和其性能之间的关系缺乏系统深入的研究。因此,应加强纳米陶瓷结合剂中气孔的尺寸和含量对其性能的影响规律的研究。

6 结束语

纳米陶瓷结合剂cBN砂轮是cBN磨具发展的必然趋势,其优异的性能不仅可以解决目前传统陶瓷结合剂cBN砂轮存在的问题,而且可以大大拓宽其加工范围和应用领域,展现出巨大的应用前景。为适应超高速磨削技术对cBN砂轮提出的更高的要求,应系统地研究纳米陶瓷结合剂制备的基础科学问题,同时继续加强高性能纳米陶瓷结合剂的研究和开发工作,加强纳米陶瓷结合剂cBN砂轮在超高速磨削、航空航天等难加工材料磨削方面的应用研究。

[1] 方啸虎,邓福铭,郑日升.现代超硬材料与制品[M].杭州:浙江大学出版社,2011.

[2] 张景强,王宛山,于天彪,张松.高速陶瓷cBN砂轮纳米陶瓷结合剂性能实验研究[J].中国机械工程,2014(1):82-87.

[3] 王艳辉,臧建兵.纳米陶瓷结合剂的特点和应用[J].超硬材料工程,2013(1):20-24.

[4] 陈华辉,等.现代复合材料[M].北京:中国物资出版社,1998.

[5] 王艳辉,张向红,葛恩报,张金辉,臧建兵.纳米陶瓷结合剂超硬磨具的制造工艺[J].金刚石与磨料磨具工程,2008(6):9-16.

[6] 张向红,王艳辉,臧建兵,成晓哲,张金辉.具有可控气孔的低熔高强纳米陶瓷结合剂[J].金刚石与磨料磨具工程,2010(4):17-20.

[7] 张向红,王艳辉,臧建兵,成晓哲,张金辉.低熔高强纳米陶瓷结合剂粗粒度超硬工具[J].金刚石与磨料磨具工程,2011(1):32-34.

[8] 赵玉成,王明智,张贝贝.纳米陶瓷结合剂粉体的网络凝胶法制备与表征[J].金刚石与磨料磨具工程,2012(3):55-58.

[9] 胡伟达.溶胶凝胶法制备陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究[D].湖南大学博士论文,2013.

[10] 张景强,王宛山,于天彪.超高速纳米陶瓷结合剂cBN砂轮制备与实验[J].东北大学学报(自然科学版),2013(4):588-593.

Research Progress on the Nano Ceramic Bond(cBN)Grinding Wheel

LIU Rui-ping,SU Wei-ming
(Department of materials science and engineering,China university of Mining&Technology(Beijing),Beijing,100083)

In this artical,the performance characteristics,strengthening and toughening mechanism of the nano ceramic bond grinding wheel,as well as its research progress have been comprehensively discussed.The existing problems and solutions of the nano ceramic bond grinding wheel in its manufacturing process have also been discussed.It is indicated that the current existing contradiction between low melting point and high strength for the ceramic bond can be solved by the application of nano ceramic bond.What's more,it has a great significance for broadening the scope of application of cBN grinding wheels and meeting the requirement of ultra-high speed grinding technology.

nano ceramic bond;cBN grinding wheel;research progress;discuss comprehensively

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0040-03

2014-09-28

刘瑞平,男,中国矿业大学(北京)材料科学与工程系副教授,博士后,长期从事超硬材料及其制品的研究开发。