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一、陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪具有金剛石和陶瓷結(jié)合劑的共同特點，與普通剛玉、碳化硅砂輪相比，它的磨削力強，磨削時溫度比較低，砂輪磨損比較小；可以適應(yīng)各種冷卻液的作用；磨削時砂輪的形狀保持性好，磨出工件的精度高;砂輪內(nèi)有較多的氣孔，磨削時有利于排屑和散熱，不易堵塞、不易燒傷工件;砂輪的自銳性比較好，修整間隔的時間長，修整比較容易。因此陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在國外一些發(fā)達國家的使用日益增多。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新型材料不斷增長，機械加工向高質(zhì)量、高精度、高效率、自動化方向的不斷發(fā)展，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用范圍越來越廣，用量不斷增加。主要應(yīng)用于金剛石刀具、立方氮化硼刀具、硬質(zhì)合金及新型工程陶瓷材料的粗磨、精磨及超精磨，金屬陶瓷、鑄鐵、陶瓷、寶石、鐵氧體，混凝土、耐火材料、纖維增強塑料的磨削和加工。

金剛石刀具主要集中在PCD復(fù)合片、化學氣相沉積(CVD)涂層刀具和單晶金剛石刀具等方面。選擇合理的工藝參數(shù)，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪研磨單晶金剛石，研磨效率比金屬結(jié)合劑砂輪高，磨耗比非常小，加工成本低，因此采用陶瓷結(jié)合劑砂輪研磨單晶金剛石，可極大的提高破天研磨效率。在磨削PCD刀具方面，由于樹脂結(jié)合劑較軟，磨削時容易變形，不能有效地磨削PCD刀具；金屬結(jié)合劑由于對磨粒的結(jié)合能力太強而使砂輪自銳性差，磨削效率低，而且金屬結(jié)合劑砂輪會造成PCD刀具邊緣產(chǎn)生最最嚴重的破壞；綜合磨削效率、砂輪耐用度及工件表面的加工質(zhì)量，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪是磨削PCD刀具的最合適選擇。

細粒度陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪用于對鉻淬火鋼軸承滾柱做精密尺寸加工。

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪用于對汽車、拖拉機曲軸、液壓泵齒輪頸做精密加工。

有較好韌性的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪用于對電視機顯像管螢光屏做粗磨和精磨。用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪加工集成電路用高性能硅片，加工精度高，加工粗糙度低，且磨后硅片無金屬離子污染，加工產(chǎn)品的合格率高。

新型工程陶瓷材料由于其自身的優(yōu)良性能，如高硬度，高耐磨性，耐高溫性，抗腐蝕性,高剛度重量比，低密度和極強的化學惰性等，使其在科學和工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。如MgO單晶體廣泛用高溫超導(dǎo)、薄膜基片、激光零件，這些新型材料的使用，由于性脆，加工時易產(chǎn)生裂紋，往往也伴隨著大量的加工問題。金剛石是自然界中最硬的材料，用它制成的砂輪解決了玻璃、陶瓷等高硬度材料的加工問題。對于新發(fā)展的氮化硅等工程陶瓷，用樹脂或金屬結(jié)合劑金剛石砂輪進行磨削時，容易出現(xiàn)結(jié)合劑對磨粒的把持力不夠，磨耗增大；或結(jié)合劑的韌性過大，砂輪中氣孔少，磨削力下降，砂輪磨鈍后難以修整等，使整個磨削加工比較困難。陶瓷結(jié)合劑是陶瓷質(zhì)或玻璃質(zhì)的，結(jié)合劑剛性好，能耐高溫，磨削時適于精修整，不會產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象。且陶瓷結(jié)合劑對磨粒粘附力強，棱角保持性能好，能進行高精度磨削。另外，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在制造過程中可以進行硬度和氣孔上的調(diào)整，有利于磨削性能的提高，通過合理配比及生產(chǎn)控制，不會產(chǎn)生變形，這一點也是使砂輪加工精度高的原因。

歸納起來用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削時，具有以下優(yōu)點：

(1) 磨削效率高;

(2) 具有很高的耐磨性：砂輪的耐磨性高，磨粒消耗少，特別是在磨很硬又很脆的工件時最明顯;

(3) 磨削力小，磨削溫度低;

(4) 磨削的工件精度高、表面質(zhì)量好，工件的形狀保持性好。

因此陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在陶瓷等一些特殊材料的磨削加工中，具有越來越明顯的優(yōu)勢，在金剛石砂輪的發(fā)展中有著良好的前景。被認為是高速、高效、高精、低磨削成本、低環(huán)境污染的高性能砂輪，具有越來越廣泛的應(yīng)用，是近來世界各國磨削工具競相研究開發(fā)的熱點。

二、存在的問題

但是由于金剛石的特性，使它對陶瓷結(jié)合劑的各項性能有特殊的要求，因此目前國內(nèi)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪還沒有得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)的金剛石砂輪主要為樹脂和金屬結(jié)合劑，陶瓷結(jié)合劑的用量還很少。其主要原因是：（1）由于生產(chǎn)金剛石砂輪用低溫結(jié)合劑，為降低耐火度，結(jié)合劑中引入大量堿性物料，這樣得到的低溫陶瓷結(jié)合劑，其各項性能(耐火度低，低熱膨脹系數(shù)，強度等)不易控制；（2）在生產(chǎn)制造時，由于超硬材料的惰性，使結(jié)合劑對磨粒的潤濕和粘結(jié)能力差，降低了結(jié)合劑對磨粒的結(jié)合強度，砂輪在磨削加工時，磨粒脫落快，磨耗大；（3）在磨削加工中，由于陶瓷的脆性大，砂輪在使用時的抗沖擊能力、抗疲勞性能都很差，使用中容易發(fā)生脆裂現(xiàn)象，從而影響砂輪的磨削特性，而且陶瓷的導(dǎo)熱性能差，磨削區(qū)域局部溫度高，使超硬磨粒容易熱損耗，也會影響砂輪的磨削特性。這就直接影響了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的使用。

三、研究現(xiàn)狀

為解決上述問題，科技工作者從多方面進行了研究，其中低溫陶瓷結(jié)合劑的性能是影響陶瓷接合劑金剛石砂輪內(nèi)存質(zhì)量和發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，研究高強度、低溫、低膨脹系數(shù)等性能優(yōu)良的低溫陶瓷接合劑是國內(nèi)外超硬材料陶瓷砂輪研究的重點。

Tanaka T，Esaki S，Nishida K等通過有選擇地在砂輪內(nèi)增加氣孔的數(shù)量和大小，可以使超硬材料套次砂輪的自銳性得到進一步的改善。

Jackson MJ，Barlow N，Mills B通過控制超硬材料陶瓷砂輪內(nèi)的氣孔結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)的砂輪具有高粘結(jié)強度、磨削加工時有良好磨削效率和冷卻性能。通過熱機械分析、Raman光譜分析等手段，Kuan-Hong Lin，Shih-Feng Peng，Shun-Tiab Lin對燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)時間對超硬材料陶瓷砂輪燒成收縮率及金剛石的燒損進行了研究，并研究了了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的燒結(jié)參數(shù)與磨削特性。俄羅斯學者選用的超硬材料陶瓷結(jié)合劑配方主要以化學成分進行配比，選擇硼玻璃或硼鉛玻璃體系作為理論研究對象。還對鉛玻璃結(jié)合劑進行了比較深入的研究，但鉛是一種有毒物質(zhì)，高溫下容易分解。

早在上世紀90年代日本研究者研究了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪高效高精磨削時，砂輪濃度、磨粒要求等選擇要求。研究Na₂O-B₂O₃-SiO₂為基本成分的硼硅酸鹽玻璃體系結(jié)合劑的超硬材料砂輪的磨削性能；陶瓷結(jié)合劑的配方主要以化學成份進行配比，選擇硼玻璃或硼鉛玻璃體系作為理論研究對象。

國外的研究中，對陶瓷結(jié)合劑開始進行增韌補強研究，如對結(jié)合劑玻璃相進行微晶化處理，結(jié)合劑中加入適量合適的晶須。他們發(fā)現(xiàn)在結(jié)合劑中添加硼酸硅晶須，一方面可以抑制方石英的生成，防止方石英在100°C～200°C時因體積急劇膨脹而使砂輪產(chǎn)生裂紋；另一方面硼酸鋁晶須本身可以起到晶須增強的效果，從而提高結(jié)合劑的抗拉強度。

從國內(nèi)對超硬材料陶瓷砂輪的研究報道中發(fā)現(xiàn)，研究的方向主要有：

對超硬材料磨粒表面進行涂覆，形成過渡層增加結(jié)合劑對磨粒的粘著力。

利用玻璃、陶瓷等相關(guān)理論探討以Na₂O-B₂O₃-SiO₂為基本成分的硼硅酸鹽玻璃，通過R₂O或RO提供的自由氧，硼氧三角體[BO₃]轉(zhuǎn)化為完全由橋氧組成的硼氧四面體[BO₄]，使硼的結(jié)構(gòu)由層狀體轉(zhuǎn)化為與硅氧四面體[SiO₄]相似的三度空間架狀結(jié)構(gòu)，從而加強網(wǎng)絡(luò)，使玻璃的某些性質(zhì)在性質(zhì)變化曲線上呈現(xiàn)出極大值和極小值。而強度高，只是砂輪的一項特性指標，還必須考慮砂輪市場的抗沖擊韌性、耐磨性等性能指標。

陶瓷結(jié)合劑金剛石的研究主要從幾個方面：（1）低溫、高強、低膨脹系數(shù)陶瓷結(jié)合劑的研究；（2）陶瓷結(jié)合劑的性能改善研究；（3）陶瓷結(jié)合劑與金剛石磨粒之間潤濕研究；（4）金剛石磨粒表面改性研究；（5）砂輪結(jié)構(gòu)的改善研究；（6）砂輪最佳制備工藝參數(shù)研究；（7）最佳磨削工藝參數(shù)及磨削方式的研究等。

由于陶瓷結(jié)合劑與金剛石磨料結(jié)合時，難度系數(shù)比較大等因素，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研發(fā)和生產(chǎn)受到了阻礙。河南磨澳超硬材料有限公司工程師克服了陶瓷結(jié)合劑金剛石的技術(shù)難題，并制定了多種砂輪規(guī)格，得到了金剛石加工領(lǐng)域的青睞。研發(fā)的磨PCD/PCBN刀具陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪、磨金剛石復(fù)合片陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪等系列陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在市場取得了良好的口碑。目前陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪還遠沒有發(fā)揮它應(yīng)有的作用，河南磨澳超硬材料有限公司研發(fā)室肩負著陶瓷結(jié)合劑性能、砂輪的結(jié)構(gòu)、砂輪制備的工藝參數(shù)及磨削加工方法、工藝參數(shù)等方面作進一步的研究，以滿足目前國內(nèi)市場急需的要求。

（來源：河南磨澳超硬材料有限公司）