低温烧成陶瓷结合剂磨具.pdf

中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）低温烧成陶瓷结合剂磨具河南工业大学材料科学与工程学院侯永改陶瓷结合剂磨具具有强度较高，耐热性能好，切削锋利，磨削效率高，磨 削过程 中不易 发热和 堵塞，热 膨胀量 小，易 控制加 工精度 ，且容 易修整等特点陶 瓷结合 剂磨具 一般用 于粗磨 、半精 磨、精 磨及某 些产品 的抛光 ，接触面积较 大的成型磨削，超硬磨料烧结体的磨削等 陶瓷结合剂磨具广泛应用于机械制造行业， 许多重要的机器零件都要进行磨加工如喷汽发动机， 水压汽轮机，一般用螺旋浆， 轴承部件等 在这些零件的加工中陶瓷结合剂磨具都发挥了很好的作用陶瓷磨具产量比较大， 从过去到现在， 陶瓷磨具在磨具总的构成中一直占主要地位，尽管随着结合剂材料种类的不断发展和磨具种类的扩大，陶瓷磨具产量在磨具总产量中呈下降趋势，但仍占有较大比例 因此，有必要对陶瓷结合剂磨具进行进一步的研究， 比如降低烧成温度以节约能源， 改善磨具的结构与性能等一．低温烧成陶瓷结合剂磨具的优势1．低温烧成含义就这个问题我从多方面进行了查找, 没有一个确定的答案, 下面有几个方面的例子 : 通过配方调整使工业硬瓷的烧成温度从1400℃降低到 1300℃是低温烧成；日用有骨质瓷外观的陶瓷的烧成温度从约1200℃降低到 1050～1080℃是低温烧成；工艺陶瓷烧成温度已经达到850～900℃的低温；低温烧成、低膨胀性陶瓷釉料可在700～1000℃的低温范围烧成，并具有低的膨胀系数（热膨胀系数α≤6.0 ×10－6／℃）。

所以一般说来， 凡烧成温度有较大幅度降低 （60~100℃）且产品性能与通常烧成产品性能相近的烧成方法可称为低温烧成对我们陶瓷磨具来说烧成温度从约1250℃降低到 1150℃、1050℃也是低温烧成，但人们习惯上把烧成温度在1000℃以上称为高温烧成，在1000℃以下称中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）为低温烧成2．低温烧成是陶瓷磨具优势与不足为什么要进行低温烧成呢？低温烧成是陶瓷磨具的主要有如下优点：（1）节约能源，降低烧成燃料成本陶瓷磨具生产中燃料费用占生产成本的比例很大，一般在30%以上据有关资料介绍，烧成温度1050℃以下消耗的热能量约相当于1050～1320℃之间消耗的热能量，这就是说高温下单位温升所消耗的热能量比低温下的要高的多，在高温下每降低100℃，节能约 1／6同时，低温烧成还可以缩短烧成时间，利于实现快速烧成， 对于节约能源具有显著效果 当在同一隧道窑内烧成陶瓷磨具时，根据热平衡计算， 单位产品的热量消耗量 Q 为：tQKA N式中： t烧成时间， h；N窑内容车数，辆；K，A常数从上式可知，单位制品的热耗与烧成时间呈直线关系， 烧成时间每缩短10%，产量可增加 10%，单位热耗可降低4%，快速烧成既可以节约燃料，又可以提高产量，使生产成本大幅度降低。

2）充分利用原料资源低温烧成的普通陶瓷磨具，其配方组成中一般都应含有较多的熔剂成分 我国地方性原料含量比较丰富， 这些地方性原料或低质原料（如瓷土尾矿、 低质滑石等） 及某些可以新开发的原料 （如硅灰石、 透辉石、霞石正长岩、 含锂矿物原料等） 往往含有较多的低熔点成分，来源丰富， 价格低廉，很适合制作低温陶瓷磨具坯料，或者快速烧成陶瓷磨具坯料因此，低温烧成能充分利用原料资源，并且能促进新型陶瓷磨具原料的开发利用3）提高窑炉与窑具的使用寿命陶瓷磨具产品的烧成温度在很大幅度的降低后，可以减少匣钵的破损和高温荷重变形对于砌窑材料的材质要求也可降低，减少了建窑费用， 同时还可以增加窑炉的使用寿命，延长检修周期在匣钵和耐火棚架支撑产品的材质方面也可降低性能要求，延长其使用寿命4）缩短生产周期，提高生产效率低温烧成除了节能和提高产量外，还可以大大地缩短生产周期和显著地提高生产效率通常的陶瓷磨具仅烧成一道工中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）序就占 50 70h， 而采用低温烧成时， 总的烧成时间不足20h， 当其它工序不变时，仅采用快速烧成就可以大大缩短生产周期5）提高磨具的外观和内在质量，减少烧成废品。

低温烧成时， 白刚玉、碳化硅磨具不会出现发红、 铁斑等现象， 碳化硅磨具也不易产生“黑心”，有利于磨具的商品化陶瓷磨具大都采用1250~1300℃左右的高温烧成而且对SiC 磨具来说，高温烧成高硬度部分容易产生“黑心” 为避免“黑心”产生常采用酸碱比较大的烧结结合剂， 这时为达到磨具所要求的高硬度，必须引入大量的结合剂， 这又将导致磨具组织紧密，磨具磨削时粉尘大，磨削性能不好低温烧成还可以防止SiC 磨粒中铁从 FeC3中分解出来，还可以减轻SiC 磨粒地分解，从而防止SiC磨具的发红和黑心现象，提高SiC 磨具内在及外观质量6）可防止磨料性能因高温作用而产生的性能劣化① SG及新型聚晶烧结刚玉磨料SG磨料，采用引晶凝胶烧结工艺生产而成，是带有革命性的新一代氧化铝磨料，具有比普通白刚玉小几千倍的晶粒尺寸，一个粒度为 60 目的 SG磨粒内实际上有几百万个微粒， 其破碎时为沿晶界碎裂， 能持续不断地露出新切削刃保持锐利的切削状态磨粒强度高, 有微破碎性能具有硬度高，韧性好，锋利度强等优点，与普通刚玉磨料相比，SG 具有磨耗比高，保行性强，工件表面加工质量好，砂轮修整量少， 磨削效率高等优势性。

因此，日本专家增预测未来普通氧化铝磨料将逐渐消失，市场销售的三分之二将被CBN 磨料取代，另外三分之一被 SG 磨料取代 SG 砂轮特别适应于航空航天用合金、淬火刚、工具钢、硬铬、硬铸铁等的磨削因SG磨料价格较贵，通常SG 可以根据不同场合的磨削要求，以一定比例同白刚玉 （或其他刚玉磨料） 进行混合制成砂轮， 已达到磨削效果和砂轮成本的最佳组合 在磨削难磨材料和要求高磨削效率及高精度的场合,具有优异的特性 , 同时可以大大减少砂轮的修整量,延长砂轮的使用寿命新型聚晶烧结刚玉磨料与SG磨料一样，同属于陶瓷刚玉烧结磨料多晶体，不同的是它能在较小磨削力情况下产生较好的自锐性（如低速研磨盘），当磨料受到磨削力作用时， 它的钝化部分会沿着晶面分解，新的锋口随即出现并参与到切削作用中，自锐性的功效得以体现中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）这一类的细晶磨料均为在低温烧结而成，在磨具高温下烧成时， 受高温作用会促使晶粒长大而破坏其原有微晶结构和性能为充分发挥其性能 , 开发了专用的高效低温结合剂，使磨具的烧成温度最好在1000℃以下②特细粒度及有特殊性能要求的的磨具，如用于汽车减振器、 纺织机械、 轴承等行业加工的超精磨石，其磨料粒度在W2.5～W28 之间，由于粒度特细，在高温下的分解氧化及反应能力都比较强。

为减轻其分解氧化程度，也使磨具满足超精低温加工要求，最好采用低温结合剂③超硬材料陶瓷磨具超硬材料陶瓷磨具（ vitrified bond superabrasive tools ），是用陶瓷结合剂将超硬磨料粘结成一定的形状，用于磨削、研磨和抛光作用的一类高性能磨加工工具其中，超硬磨料主要是指金刚石和立方氮化硼（CBN ），它们是目前已知材料中最硬的材料， 几乎可以用于磨削加工各种材料 陶瓷结合剂具有耐热、耐油、耐水、耐酸碱性好等优点 因此超硬材料陶瓷磨具具有磨削能力强，磨具磨损小；适应多种冷却液下磨削； 磨具形状保持性好， 磨削精度高； 磨具中有较多的气孔， 有利于冷却和排屑， 磨削时不易堵塞， 不易烧伤工件； 磨具有较好的自锐性，修整间隔较长，比其它结合剂磨具更容易修整超硬材料陶瓷磨具适合数控磨床和自动化生产线上的各种特种磨床磨削加工要求，能够很好地满足难加工材料和一般材料的高精磨削和高效磨削需要，特别是普通磨料难以加工的材料，超硬材料陶瓷磨具有极其突出的优点例如，用金刚石陶瓷磨具加工硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、半导体材料、石材、混凝土等非金属材料用陶瓷结合剂立方氮化硼磨具加工工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金、耐磨钢、高钒高速钢、 淬硬钢等黑色金属， 能够获得满意的加工效果；如在加工 9Cr18 合金钢衬套内孔、 Cr4Mo4V、W9Cr4 V2 Mo 高温轴承钢套圈、高温高速钢刀具等磨削方面取得了良好的加工效果；在磨削加工滚珠丝杠、 导轨、齿轮、轴承、曲轴、凸轮轴、钛合金等方面，陶瓷结合剂CBN 磨具具有优异的特性。

金刚石在纯氧中 700～800℃可燃烧，在空气中不断加热至850～1000℃时即可燃烧人造金刚石在大气条件下氧化温度约740～838℃之间在惰性气体及约 1700℃高温下，将全部石墨化金刚石的氧化主要取决于晶体的完整程度，中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）结晶完整的人造金刚石晶体氧化温度高，非完整晶体氧化温度低 立方氮化硼的热稳定性比金刚石要高一些，约在1200℃左右，结晶不完全，有缺陷的磨粒，耐热性能更差 为避免超硬磨料的氧化与石墨化，避免磨料性能的劣化， 超硬磨料陶瓷磨具必须使用低温陶瓷结合剂在较低的烧成温度下制造目前国内外超硬磨料陶瓷磨具大多采用1000℃以下低温烧成 CBN 磨具多采用 900℃以下低温烧成，金刚石磨具多采用800℃以下低温烧成低温烧成陶瓷磨具生产中容易产生的一些问题：其一是低温烧成使用的低熔结合剂由于引入较多的低熔物，如固体水玻璃， 窗玻璃等瘠性物， 粘土的含量相对减少，磨具坯体的强度差； 其二是磨具强度、 硬度不易控制， 不易生产高硬度的磨具；另外还有棕刚玉磨具的色泽问题现在有很多新型粘结湿润剂， 有比较好的粘结湿润能力， 完全可以满足成型料的性能及坯体湿干强度要求；对于低温烧成棕刚玉的色泽， 可以通过磨料的改性及磨具的着色达到其高温烧成的外观色泽。

下面主要谈谈提高磨具成品强度与硬度的问题二．改善低温烧成陶瓷结合剂磨具强度、硬度的途径砂轮由磨料、 结合剂和气孔三部分组成， 要改善磨具的强度与硬度， 也只有从这三方面进手低温烧成陶瓷结合剂磨具的研究也是从这一点着手的1．影响低温烧成陶瓷磨具强度的因素强度尤其是抗拉强度是影响陶瓷砂轮使用的关键性因素若强度不够， 砂轮在磨削加工时易产生迥转破裂现象，这将对人身及设备造成危害砂轮的强度与磨料的种类、所用的结合剂种类及性能、磨具的硬度、组织、密度、混料以及热处理工艺，磨具形状、砂轮外径与孔径之比等因素有关陶瓷结合剂是陶瓷砂轮的主要组成部分，直接影响到砂轮的强度等多项性能，如果结合剂的强度不够，就不可能生产出高强度的陶瓷砂轮①成份对结合剂强度的影响理论上，陶瓷结合剂在完全玻化状态时，CaO、BaO、B2O3(含量在 15％以下)、Al2O3、ZnO 等对强度的提高作用较大，MgO、Fe2O3等对抗拉强度的影响不大各氧化物对玻璃抗拉强度的提高作用次序为：CaO＞B2O3＞BaO＞A12O3＞PbO＞K2O＞Na2O 中国机床工具工业协会磨料磨具分会主办——中国磨料磨具网（）使用上面的规律， 结合剂的相态要以玻璃相为主，且组成要符合玻璃形成理论。

实践证明，当CaO 以晶态存在时，会破坏结合剂物相的均匀性，反而会降低结合剂的强度采用粘土—长石—硼玻璃系统(即 Al2O3-SiO2-R2O-B2O3系统)为基准陶瓷结合剂该系统中由于引入了硼玻璃， 其耐火度比较低， 可以降低结合剂的耐火度，同时由于在结合剂中引入B2O3，在 R2O/B2O3摩尔比接近于1 时，B2O3中的 B将由三价转化为四价， 从而使 B2O3由[BO3]三角形结构转化为 [BO4]四面体结构，。