陶瓷结合剂金刚石磨具的研究与应用

陶瓷结合剂金刚石磨具的研究与应用

杜建涛 黄丽君

河南工业大学材料科学与工程学院 河南省郑州市 450000

摘要：对国内外陶瓷结合剂金刚石磨具的研究进行了分析，讨论了当前陶瓷结合剂金刚石磨具存在的问题，并对其在工业生产中的实际应用进行了探讨。

关键词：陶瓷结合剂；金刚石磨具；研究与应用

1 前言

陶瓷结合剂金刚石磨具具有优异的性能，不仅具备金刚石的高硬度、高耐磨度、高导热率、磨粒锋利等特点，另一方面也结合了陶瓷结合剂的各方面优点，具有良好的耐热、耐水、耐油和耐酸碱等方面的特点，这使其不仅具有比普通磨粒更强的磨削能力，而且磨耗比较小，具有较长的使用寿命，能承受的磨削温度也较高，同时具有较高的磨削精度。磨具可以长时间保持良好的形状，此外陶瓷结合剂金刚石磨具还具有较多的气孔，从而可以方便实现冷却和排屑，磨削时不容易出现堵塞和烧伤工件等问题。陶瓷结合剂金刚石磨具自锐性好，修整时间间隔长；修整容易，维护费用低^[1]。正是由于陶瓷结合剂金刚石磨具性能非常优异，因此在工业生产中具有十分重要的应用。在其出现之后，欧美发达国家将其应用于晶圆（半导体硅片和太阳能硅片），金刚石复合片，金刚石聚晶，金刚石刀具，立方氮化硼，硬质合金，新型工程结构陶瓷，宝石，水晶，稀土材料（磁性材料）等高硬脆材料的机械加工中，通过对其的应用，极大的提升了相关产业的经济效益^[2]。陶瓷结合剂金刚石磨具在我国应用也比较多，我国陶瓷结合剂超硬磨具技术发展也十分迅速，但是就目前而言，陶瓷结合剂金刚石磨具的生产技术水平还不够高，和西方发达国家的差距还比较大。随着我国工业的发展，汽车、航天和机床加工等行业对陶瓷磨具的需求进一步扩大，因此对加强陶瓷结合剂金刚石磨具相关工艺的研究，提高我国陶瓷结合剂金刚石磨具生产制造水平，对于我国相关行业的发展具有十分重要的意义。

2 陶瓷结合剂金刚石磨具研究现状

2.1 国外研究现状

陶瓷结合剂金刚石磨具已经有较长时间的历史，国外对于陶瓷结合剂金刚石磨具的研究起于上个世纪，上个世界40年代美国公司就首次生产出了陶瓷结合剂金刚石磨具，随后其它国家也相继研发出了这一产品，出现了很多生产陶瓷结合剂金刚石磨具的企业，诸如日本的日陶集团、德国的温特公司和英国的尤妮康公司等。

日本对于陶瓷结合剂金刚石磨具的研究有着很长时间的历史，早在1911年，桥本充生采用传统的培炼法制备方法，生产出了高性能的陶瓷结合剂磨具。在惰性气氛下经过935K低温烧结所制备的磨具用于磨削工程陶瓷和磁性材料效果良好。日淘公司通过在R₂O-B₂-Al₂O₃-SiO₂基础结合剂体系中加入成核剂ZnO，通过这样的工艺让金刚石磨具在烧成过程中形成微晶玻璃，有效的提升了结合剂对金刚石磨料的把持强度^[3]。

欧美国家对于陶瓷结合剂金刚石磨具也比较多。具体来说，美国公司和奥地利公司釆用微晶玻璃结合剂体系，在1073-1173k烧结，并且通过热处理，制造出了一种陶瓷磨具，这种磨具在PCD刀具磨削中得到了非常好的效果^[4]。

2.2 国内研究现状

我国针对于陶瓷结合剂的研究起步比较晚，当前的技术水平相对较低。国内研究陶瓷结合剂金刚石磨具的单位主要有天津大学、燕山大学、河南工业大学等。要制造出高性能的陶瓷结合剂金刚石磨具对于陶瓷结合剂的理论和性能都有比较多的要求，当前国内在这些方面水平还都不够高，所以当前国内的相关产品和发达国家还有比较大的差距。

通过对国内外陶瓷结合剂金刚石磨具的的研究情况进行全面的分析，发现当前陶瓷结合剂金刚石磨具主要存在以下几方面问题：

（1）在陶瓷结合剂烧结过程中，采用加入大量碱性氧化物的方式来降低其耐火度，由于引入了碱性氧化物，陶瓷结合剂的很多性能都受到影响，包括耐火度、强度、膨胀系数和烧结强度等。

（2）金刚石和陶瓷结合剂之间润湿性比较差，进而导致了实际应用过程中存在磨料脱落快、磨耗大等问题。

（3）在陶瓷结合剂金刚石磨具烧结过程中，需要复杂的物理化学变化，为了达到良好的效果，需要对烧结制度进行良好的控制，但是当前这方面还存在一些问题。

3 陶瓷结合剂金刚石磨具的应用

陶瓷结合剂金刚石磨具在实际应用中具有广泛的应用，这主要是由于其性能优异，其不仅具有金刚石的特点，而且结合了陶瓷结合剂的特点，这使其相较于普通刚玉、SiC磨料等，具有更小的磨削力和更低的磨削温度，同时可以很好的保持形状，加工精度也更高。此外，由于其有大气孔，利于容屑和散热；自锐性好，几乎无需修整，因此其在国内外使用日益广泛。陶瓷结合剂金刚石磨具的主要应用领域包括：金刚石刀具、立方氮硼刀具、硬质合金及新型工程陶瓷材料的粗磨、精磨及超精磨，以及金属陶瓷、铸铁、宝石。铁氧体。混凝土、耐火材料、晶体材料、纤维增强塑料的磨削与加工^[5]。

金刚石磨具也应用于PCD复合片的磨削加工。对PCD刀具的磨削方面，由于树脂结合剂较软，磨削出的PCD刀具难以满足尺寸精度；金属结合剂由于对磨料的结合能力太强而使磨具旳自锐性差，而且金属结合剂砂轮磨削时发热量太大；综合考虑磨削效率、磨具耐用度和工具表面的加工质量，陶瓷结合剂金刚石砂轮是磨削PCD刀具最合适的选择。

对于硬质合金刀具的磨削加工来说，目前大多数厂家选择的还是树脂金刚石砂轮，虽然也可以得到我们想要的磨削效果，但是磨削效率较低。对于树脂金刚石砂轮来说，一般采用100-120目的粒度进行粗加工，而对于陶瓷金刚石砂轮来说，一般釆用粗粒度进行粗加工，即使是更高的金属切除率，仍然可以得到更好的表面光洁度。陶瓷结合剂比树脂结合剂粘接金刚石更牢固，而且磨粒和结合剂之间具有更大的气孔，每个气孔相当于单点切削刀具上刃口容屑空间。对于相同的磨削余量，陶瓷金刚石砂轮的磨削效率较树脂金刚石砂轮要提高一倍左右且使用寿命更是树脂金刚石砂轮的2-3倍。

对于新型工程陶瓷的加工，由于这些陶瓷材料加工时易产生裂纹，并且还伴随着大量的加工问题。陶瓷结合剂的刚性、大气孔率、耐高温、耐化学腐烛，并且可以根据需要调节磨具的硬度和气孔等特点可以很好地适用于对新型工程陶瓷材料的加工且有利于磨削性能的提髙。

另外陶瓷结合剂金刚石磨具可用于对汽车曲轴、液压菜齿轮颈的精密加工。还可以应用于对电视机显像管焚光屏的粗磨和精磨。用陶瓷结合剂金刚石磨具加工集成电路用高性能硅片，加工精度高，加工粗糙度低，且加工磨削后硅片无金属离子污染，加工产品的合格率高。

结论

陶瓷结合剂金刚石磨具具有非常多的优点，包括磨削的精度高、效率高、温度低等，而且具有较长的使用寿命，自锐性好，耐酸碱、耐腐蚀，正是由于其具有优异的性能，因此在硬脆材料加工领域具有非常广泛的应用。当前我国在陶瓷结合剂金刚石磨具领域，技术水平和发达国家还有一定的差距，需要进一步加强研究，提高技术水平，制造出性能更加优异的陶瓷结合剂金刚石磨具，从而更好地为我国工业发展服务。

参考文献

[1]王丽晶, 栗正新, 郑致富,等. 陶瓷结合剂对金刚石磨具把持力的影响及其研究进展[J]. 中国陶瓷, 2018, 054(008):1-5.

[2]冯继松. 金刚石磨具用陶瓷结合剂的研究[D]. 天津大学, 2010.

[3]瞿晓波, 李艳玲, 鲁涛,等. 陶瓷结合剂CBN砂轮在凸轮轴加工中的应用[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2008(04):70-73.

[4]程文胜, 刘一波, 刘伟,等. 镀覆金刚石对陶瓷结合剂磨具力学性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2012(05):19-21.

[5]边华英, 段爱萍, 王学涛. 金刚石磨具用陶瓷结合剂及其研究进展[J]. 佛山陶瓷, 2018, 28(10):6-11.