金刚石磨具用陶瓷结合剂及其研究进展

边华英 段爱萍 王学涛

摘 要：陶瓷结合剂金刚石磨具烧成温度通常在800℃以下， 所用结合剂为低熔结合剂，低熔陶瓷结合剂常由各种氧化物直接配制熔炼而成。本文概述了金刚石磨具用低熔陶瓷结合剂及其研究进展，对于近年来各高校、企业研究团队在相关金刚石磨具及其所用陶瓷结合剂方面研究的文献技术资料进行了简单分析 。

关键词：超硬磨具，金刚石磨具，低熔陶瓷结合剂

1 前言

金刚石磨具属于超硬材料磨具的一种，超硬材料磨具所使用的磨料主要有金刚石和CBN，结合剂主要有树脂结合剂、金属结合剂以及陶瓷结合剂。采用陶瓷结合剂的普通磨具烧成温度通常在1250℃以上，而陶瓷结合剂的超硬磨具的烧成温度一般不能超过1000℃，且通常情况下金刚石磨具比CBN磨具的烧成温度还要低一些，这类磨具所用的陶瓷结合剂被称为低熔结合剂[1、2]。金刚石磨具具有磨料硬度高、磨粒锋利、导热率高、磨削温度较低、磨削能力强、磨具磨损小、使用寿命长的特点，与树脂、金属结合相比，陶瓷结合剂金刚石磨具同时还具有耐热性好、耐油、耐水、耐酸碱腐蚀性好的特点，能适应不同冷却液条件下的磨削，保形性好、磨削精度高，且由于陶瓷磨具中气孔较多，有利于冷却和排屑，磨削时也不易堵塞和发热，较少发生烧伤工件的情况。磨具自锐性好、修整周期长，易于修整且修整维护费用适中，能够很好地满足难加工材料和一般材料的高精度磨削，磨削效率高，适合用于数控磨床和自动化生产线上的磨削加工等。[3]随着科技的发展和新型材料的涌现，机械加工范围在不断扩大，对加工质量的要求也越来越高，陶瓷结合超硬材料磨具的市场越来越大。

金刚石磨具可广泛用于合金、陶瓷、金属陶瓷、宝石、石材、铁氧体、混凝土、耐火材料、纤维增强材料等多种材料的磨削加工，并且用量和范围越来越大。我国在超硬材料磨具方面的开发起步不算太晚，自1963年我国成功研制金刚石磨料以来，1970年投入了工业化生产，1990年产量达到3600万克拉，1998年达到5亿克拉。而陶瓷结合剂CBN磨具的研发始于20世纪70年代末，一些高校、科研院所和企业研发高速高效高精数控自动化磨床及配套修整装置已经取得了较大进展，部分投入了应用[3、4]。但是陶瓷结合剂金刚石磨具的研究起步较晚，笔者搜索到我国对于陶瓷结合剂金刚石砂轮的报道大概始于1992 ～ 1993年间日本东北大学教授庄司克雄投递到《磨料磨具与磨削》现《金刚石磨料磨具工程》杂志上连续刊载的陶瓷结合剂金刚石砂轮的修整研究系列论文[5 ～ 7]，其后自2003年起对于陶瓷结合剂金刚石砂轮或磨具的研究文献才逐渐增多，2004年磨料磨具通讯登载了贾英伦翻译的俄罗斯专利RU 2101164金刚石磨具用的陶瓷结合剂[8]，2006年李合庆译自日本专利陶瓷结合剂及其砂轮的制造方法[9]中提供了一种用于金刚石、CBN砂轮的陶瓷结合剂，烧结温度在680 ～ 720℃，磨料粒度60 ～ 1000#，组织中金刚石磨粒或CBN磨粒与普通磨料合计容积率为35 ～ 55%，结合剂的容积率为13 ～ 30%，气孔容积率为20 ～ 40%。但是，目前我国对陶瓷结合剂金刚石磨具及其所用陶瓷结合剂的研究仍需继续加强。

本文作为团队课题研究的一部分，阐述了低熔陶瓷结合剂的特点、制备及其原材料，对近些年来金刚石磨具用陶瓷结合剂以及陶瓷结合剂金刚石磨具的研究进展进行了简单分析和总结。

2 金刚石磨具用低熔陶瓷结合剂体系的特点

超硬材料金刚石和CBN的热稳定性不高，为了避免磨料性能的劣化，需要采用低温（低熔）结合剂。金刚石磨料在空气中受热达到700℃以上时即开始氧化和石墨化，表面结构变化、强度降低，所以國内外统一采用低于1000℃的烧成温度，我国金刚石陶瓷磨具通常的烧成温度在800℃以下，金刚石磨具用陶瓷结合剂的主要技术要求如下。[3、4]

2.1 耐火度较低

由于金刚石陶瓷磨具的烧成温度要低于800℃，所以结合剂的耐火度必须低于800℃，才能满足不使磨料氧化或性能劣化的要求。

2.2 强度较高

磨削加工已经向高速高效发展，高速砂轮必须有足够高的耐回转破裂强度才能保证在高速运转加工工件时避免破裂造成事故，因此要求其结合剂必须为高强度结合剂。

2.3 结合剂的膨胀系数必需与磨料的热膨胀系数相匹配

结合剂与磨料的膨胀系数匹配即其值尽量接近，避免相差过大，以免在生产中受热作用时磨料与结合剂之间产生分离或裂纹、结合不牢固。由于金刚石的热膨胀系数为2.7×10-6/℃，所以通常采用含有Li2O和B2O3的低膨胀低熔结合剂体系。

2.4 高温润湿性要好

结合剂在高温熔融后对磨料的高温润湿性好，则对磨料的粘结性也好、把持强度高，结合牢固，磨具的均一性好。

2.5 结合剂与磨料之间无明显的化学反应

超硬磨料的强度和硬度很高，如果在结合剂与磨料表面发生化学反应则生成的新物质一般是有害于磨料和磨具强度的，所以为了保持磨料原有的高强度和高硬度特征，结合剂与磨料之间应不发生明显的化学反应。

2.6 导热性好

良好的导热性可以快速将磨削热转移避免烧伤工件。

2.7 好的成型工艺性能

要实现磨具的规模化生产和低废品率，要求配方料具有良好的成型工艺性能、素坯具有较高的干、湿坯强度、磨具高温稳定性好、烧结范围宽、不易变形、开裂、发泡等，而磨料本身为瘠性料，这些性能的实现必须依赖于结合剂。

3 低熔陶瓷结合剂的玻璃网络体系及其制备时主要功能组分的引入

超硬材料陶瓷磨具结合剂通常有两种类型，一种是纯玻璃料类，另一种是由非玻璃料与玻璃料两部分构成的。非玻璃料一般为粘土，粘土主要用来改善结合剂的可塑性与成型性能，调整结合剂的耐火度和烧结范围，增加生坯的强度、减少变形，提高生产过程中的可操作性，但是粘土会提高结合剂的耐火度，故很多情况下并不掺用粘土或者仅限于少量掺用。玻璃料是基于软化温度低、强度高、化学稳定性好的SiO2-ZnO-B2O3系玻璃、Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系玻璃、SiO2-Al2O3-TiO2-BaO-B2O3系玻璃等体系，根据需要添加了相应成分获得低熔点、低膨胀、高强度、良好湿润性等性能[3、4]。低熔陶瓷结合剂或玻璃料中的功能组分及配制时的常用原材料如下[3、4、10]：

3.1 玻璃网络形成氧化物SiO2、B2O3、Al2O3

玻璃网络形成氧化物SiO2、B2O3、Al2O3形成玻璃网络骨架，增加网络的强度和黏度，使玻璃液具有粘结性。SiO2，是最常见的玻璃网络构成体氧化物，以硅氧四面体[SiO4]的结构单元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架，单一的SiO2可以在1800℃以上的高温下熔制成石英玻璃，熔点为1713℃。在钠钙硅酸盐玻璃中SiO2可以降低热膨胀系数，提高玻璃的热震稳定性、化学稳定性、软化温度、耐热性、硬度、机械强度和黏度。常由石英砂、砂岩引入，也可以由化工试剂SiO2引入，要求纯度达到98 ～ 99%。

B2O3，在硼硅酸盐玻璃中与[SiO4]硅氧四面体共同构成玻璃网络，以[BO3]硼氧三角体和[BO4]硼氧四面体为结构单元，具有硼反常现象，能够降低玻璃的膨胀系数、提高玻璃的热稳定性和化学稳定性。常以硼酸（H3BO3）或硼砂（Na2B4O7·10H2O）为原材料，但是由于硼砂会引人较多的钠离子，致使玻璃的膨胀系数与金刚石失配，所以一般采用硼酸作为原材料。

Al2O3是一种中间体氧化物，当Na2O与Al2O3的摩尔比大于1时，在玻璃中形成[AlO4]铝氧四面体并与[SiO4]硅氧四面体形成连续的网络，而当Na2O与Al2O3的摩尔比小于1时，在玻璃中形成八面体，作为网络外体处于硅氧网络的空穴中。Al2O3能够降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的化学稳定性，热稳定性、机械强度和硬度。常由工业氧化铝、氢氧化铝、长石或粘土等引入，能够提高结合剂的耐火度和强度。

3.2 碱金属氧化物Na2O、K2O、Li2O

碱金属氧化物Na2O，K2O，Li2O具有破网能力，使玻璃液流动性增加。

Na2O是玻璃网络外体氧化物，处于网络的空穴中，能够提供游离氧使玻璃结构中的O/Si比增加发生硅氧键断键，降低玻璃料的黏度和耐火度，提高其流动性。通常由纯碱、无水碳酸钠、芒硝或硝酸钠、苛性碱、硼砂等引入，工业品纯碱含有少量氯化物、磷酸盐与NaHCO3，工业品烧碱含有少量氯化钠、碳酸钠，吸湿性强，易溶于水并放出大量溶解热。

K2O与Na2O相似，也是玻璃网络外体氧化物，只是K+的半径比Na+大，钾玻璃比钠玻璃的黏度大，能降低玻璃的析晶倾向，常由钾碱（K2CO3）、硝酸钾或钾长石引入。

Li2O与K2O、Na2O在玻璃中具有相似的作用和性质，但是其离子半径小，具有强催熔作用，使玻璃的膨胀系数变小，能够改善结合剂对金刚石的润湿性能。常由锂辉石、碳酸锂、亚锰酸锂引入。

3.3 碱土金属类氧化物CaO、BaO、ZnO

碱土金属类氧化物CaO、BaO、ZnO等属于网络外体氧化物，CaO具有稳定剂的作用，增加玻璃的化学稳定性和机械强度，但含量较高时能使玻璃增大结晶倾向，易使玻璃发脆。高温时降低玻璃液的黏度但是温度降低又使黏度增加很快。常由碳酸钙、白垩、石灰石、萤石等引入。

BaO，少量加入起助熔作用，可以由重晶石、锌钡白、Ba（OH）2·7H2O、BaCO3等原料引入，降低结合剂耐火度，改善结合剂和磨料的粘结性能，提高磨具强度。

ZnO，以锌氧八面体[ZnO6]的形式作为网络外体氧化物，当玻璃中的游离氧足够多时可以形成锌氧四面体[ZnO4]进入玻璃的网络结构中，使玻璃的结构更趋于稳定，并能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性和热稳定性，可以与硼酐一起形成硼锌玻璃，一般由工业纯氧化锌和菱锌矿引入，工业纯氧化锌中ZnO>95%，菱锌矿的主要成分是ZnCO3，原矿精选后可以直接使用。

3.4 中间体氧化物TiO2

在硅酸盐玻璃中一部分TiO2以钛氧四面体[TiO4]进入网络中，一部分TiO2以钛氧八面体[TiO6]处于结构之外，可以提高玻璃的化学稳定性，在含有B2O3、Al2O3、MgO的玻璃中，TiO2低温时容易失透，可以作为铝硅酸盐微晶玻璃的晶核剂。由工业纯钛白粉引入，具有一定的催熔作用，可以改善结合剂对金刚石的润湿性能。

3.5 F-

常由萤石、冰晶石、氟硅酸钠引入，具有助熔剂、乳浊剂、澄清剂的作用。

4 国内在金刚石磨具用陶瓷结合剂方面的研究进展

由于在磨削硬脆材料时陶瓷结合剂金刚石磨具与树脂结合剂和金属结合剂磨具相比具有显著的优点，而我国与国外相比陶瓷结合剂金刚石磨具技术尚处于起步阶段，近年来颇有一些高校和机构的团队投入力量进行陶瓷金刚石磨具和结合剂的研发，主要有燕山大学、湖南大学、天津大学和河南工业大学团队，另外中南大学、北京科技大学、西安建筑科技大学、武汉理工大学、钢铁研究总院等也有一些导师与学生团队进行陶瓷结合剂金刚石磨具的研究，郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司、郑州华晶和广东奔朗新材料股份有限公司以生产应用性研究为主。

4.1 燕山大学团队

燕山大学的郭志敏、张向红等[11]以黏土、硼玻璃和铅玻璃为主要原料配制了一种低熔高强陶瓷结合剂，结合剂的化学组成为 SiO2：30，Al2O3：1，B2O3：24，CaO：0.1，MgO：0.1，K2O：1，Na2O：2，Pb3O4：25，ZnO：17，Fe2O3：0.1。耐火度600℃，热膨胀系数 4.89×10-6/℃，对金刚石和CBN 颗粒具有良好的高温润湿性，采取6.5：3.5的砂结比在850 ℃烧成时结合剂呈纯玻璃态，其热压烧结试块的抗折强度為 125.7 MPa。侯永改[12]、赵东鹏[13]、李亚朋[14]、郑璐[15] 先后在燕山大学攻读研究生期间研究了陶瓷结合剂金刚石磨具。

4.2 河南工业大学团队

河南工业大学主要以侯永改、邹文俊、栗正新教授及其学生团队为主对陶瓷金刚石磨具的结构和性能以及陶瓷结合剂、金属/陶瓷结合剂的性能、结合剂对金刚石颗粒的把持力等进行了较为系统的研究[16-23]，相关研究论文有《烧结方式对陶瓷结合剂金刚石磨具性能影响的研究》、《烧结温度对低温陶瓷结合剂性能的影响》《纳米AlN对低温陶瓷结合剂金刚石磨具结构与性能的影响》、《Yong gai Houa，Gui ying Qiao etc. Effect of porosity on the grinding performance of vitrified bond diamond wheels for grinding PCD blades》、《纳米氧化锆对金刚石磨具用陶瓷结合剂结构与性能的影响研究》、《金属钴对低温铁基金属/陶瓷结合剂性能和结构的影响》、《金刚石、陶瓷结合剂界面结合对金刚石把持力的影响》、《陶瓷结合剂对金刚石颗粒把持力的研究》等等。天津大学的李志宏、朱玉梅及其学生团队也做过对金刚石等超硬磨具用低温陶瓷结合剂的研究[24-26]，比如冯继松、陈学伟、姜蓉蓉分别发表了学位研究论文《 金刚石磨具用陶瓷结合剂的研究》、《磨PCD刀具用陶瓷结合剂金刚石磨具的研究》、《金刚石磨具用低温陶瓷结合剂的研究》。

4.3 湖南大学团队

湖南大学的王志起等[27-30] 对金属-陶瓷结合剂金刚石磨具进行了制备与性能研究，着重研究了Ti、Ni、铁族金属对结合剂性能的影响。马文闵[31]、刘小磐[32]等都以学位论文的形式对陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备、磨削性能都进行过研究，胡伟达[33]将溶胶-凝胶工艺用于制备陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究。

4.4 北京科技大学团队

北京科技大学的李彩霞，关岩等[34]对陶瓷结合剂金刚石磨具用于陶瓷干磨进行了研究，对比试验表明陶瓷结合剂金刚石磨边轮用于陶瓷砖干磨时不会产生树脂结合剂磨具的易于磨损、产生黑痕的状况以及金属结合剂发生的粘刀、被磨瓷砖表面光洁度低的情况，陶瓷金刚石磨具自锐性好、加工的瓷砖没有黑痕且表面光洁度高。叶青[35]对陶瓷结合剂金刚石磨块进行了研究，试制了无铅微晶玻璃料取代铅玻璃作结合剂来制备金刚石磨块，并对磨块寿命进行了简单评估。

4.5 中南大学团队

中南大学的张小福、卢安贤[36、37]等研究了高温下微晶玻璃结合剂对金刚石磨料的浸润性，以Li2O-ZnO -SiO2 系微晶玻璃结合剂代替普通玻璃结合剂进行研究，得到结论：烧成温度从963 K升高至993 K，浸润角减小、浸润性得到改善；较多的B2O3 有助于结合剂对磨料的浸润；而Na2O的存在虽然可以降低玻璃的黏度使其流动性变好，但是并不能使浸润性增强；当金刚石磨料表面镀钛之后与结合剂的浸润性变好。周军林[38]研究的也是微晶玻璃结合剂及其金刚石砂轮制品。李启泉、彭振斌等[39]在陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究中提出陶瓷结合剂金刚石砂轮是磨削PDC最佳的选择，而陶瓷结合剂超硬磨具发展的重点在于低温、高强、低膨胀系数陶瓷结合剂的综合研究以及磨具耐用度的提高。长沙理工大学的夏清、叶昌等[40]在陶瓷结合剂金刚石磨具制备工艺研究中以75%左右的金刚石磨料、25%左右的陶瓷结合剂成型金刚石磨具，在720 ～ 750℃的温度下烧结4 ～ 8 h，制得磨具的气孔分布、显微结构、抗弯强度、磨削性能等基本达到国外同类产品的指标。磨具的气孔率、显微结构、抗弯强度、磨削性能等与磨料组成、结合剂加入量、成型压力、烧结温度和保温时间等工艺因素具有相关性。

4.6 西安建筑科技大学团队

西安建筑科技大学的李青[41、42]研究了金刚石磨具用结合剂及其成型技术，通过添加一些碱土金属氧化物、氟化物、稀土氧化物进行试验，得到结论：增大结合剂的碱土金属用量可以明显提高结合剂的力学性能、显著降低结合剂的熔融温度，膨胀系数由6.61×10-6/℃降低至5.37×10-6/℃，适量添加稀土氧化物CeO2效果更好，基础结合剂引入MgO、ZnO、CaF2和CeO2后高温润湿性好，能与金刚石磨料很好地结合、提高结合剂对金刚石的把持力，并尝试采用等静压技术制备金刚石磨具。

4.7 其他研究团队

郑州大学的张红霞[43]、张书森[44]、赵仕敬[45、46]等前后分别研究了金刚石砂轮用低温陶瓷结合剂的制备工艺与性能。武汉理工大学的周琪[47、48]等也进行了金刚石砂轮用高强低温陶瓷结合剂的研究。钢铁研究总院的程文胜[49]在其学位论文中也进行了陶瓷结合剂金刚石磨具的研究，利用自配制的HO结合剂制作的金刚石磨具烧成温度在735℃时抗折强度达到最大值90.08 MPa。北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司的刘一波、刘伟等[50]发表了复合片外圆磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮的研制及应用的论文。河南建筑材料研究设计院近些年来也在陶瓷材料研究的基础上介入了超硬磨具、普通磨具[51]以及SG砂轮结合剂的研究工作，并在逐步形成一些成果。

5 结论与展望

金刚石磨具用陶瓷结合剂及其玻璃料常用的原材料通常为分析纯化学试剂或化工原料，较少采用矿物质原材料。玻璃料的制备流程在于首先确定配方、准备相应的原材料，然后，按配比称料、混合、熔炼、水淬、磨细至80μm以下，使结合剂的粒度不大于磨料粒度的1/4 ～ 1/6，并干燥至含水率小于5%后备用。

当前，金刚石磨具用低熔陶瓷结合剂及陶瓷金刚石磨具方面的研究已经得到了国内高校、科研机构和企业的重视。各家金刚石磨具及其结合剂产品技术一般自成体系，采用以结合剂的化学组成为依据进行计算倒推各种试剂原料的用量，使用化学试剂配制的方法能够较准确的控制和保证玻璃料的化学组成，虽然结合剂的成本相对较高，然而对于金刚石磨具来说结合剂的成本相对于金刚石磨料的成本来说几可忽略，所以，需要投入大量的精力和资金研发的采用矿物质原材料的超硬磨具通用陶瓷结合剂项目尚不被重视。但是，随着对于节能减排的重视以及降低综合成本、调节产品和产业结构、进行供给侧改革的需要，便于产业化生产、符合原料标准化生产和管理、有利于集约式发展的矿物质超硬磨具通用陶瓷结合剂产品和技术一定是未来的发展趋势。

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Abstract： The firing temperature of the vitrified bond diamond tools is usually below 800 degree centigrade， the bond is the low-melting one， often prepared and melted directly from oxides. Brief introduction of the research and progress on low-melting vitrified bond for diamond tools and the simple analysis of the literature and technical data of the research teams from the universities and enterprises on the research of low-melting vitrified bond and the diamond tools of these bond was given in this paper.

Keywords： Super abrasive tools； Diamond tools； Vitrified bond melting at low temperature