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新型陶瓷刚玉磨具低温陶瓷结合剂的研究与制备随着高精、高速、高效磨削加工技术的发展以及难加工材料的广泛应用，传统的电熔刚玉、碳化硅磨具已经很难满足现代磨削的发展需求。
新型陶瓷刚玉磨具具有极佳的磨削特性和性价比，应用前景十分广阔。
本课题针对新型陶瓷刚玉磨具用低温陶瓷结合剂展开了研究。
先后制备了传统陶瓷结合剂以及微晶玻璃陶瓷结合剂，并探讨了陶瓷结合剂组成以及烧结制度对陶瓷结合剂及陶瓷刚玉磨具性能的影响。
研究表明：（1）粘土-长石-硼玻璃体系传统陶瓷结合剂随着铝硅比的增加，陶瓷结合剂的耐火度显著增加。
当硼玻璃含量达到58.17%wt时，磨具耐腐蚀性能最好，随着硼玻璃含量的进一步增大，磨具耐腐蚀性能下降明显。
当向基础陶瓷结合剂中引入冰晶石时，陶瓷结合剂的耐火度迅速下降。
结合剂的流动性随着冰晶石添加量的增加呈现先增大后降低的趋势，当冰晶石含量为6%wt时达到最大值。
当冰晶石在结合剂中的含量为15%wt，烧结温度在930℃时，陶瓷刚玉磨具试条的强度达到最大值55.19MPa，且此时磨具的耐腐蚀性能良好。
当向基础陶瓷结合剂中引入MgO时，陶瓷结合剂的耐火度和流动性都略有上升。
当MgO添加量为2%wt时，陶瓷刚玉磨具试条的抗折强度达到最大值。
此外，向基础陶瓷结合剂中引入MgO后，磨具的耐腐蚀性能较未添加MgO时均有所提升。
（2）Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub >-R2O-MgO-F体系微晶玻璃陶瓷结合剂在基础体系中引入7.17%wt Na3AlF6和3%wtCeO<sub>2</sub>均有助于降低结合剂的耐火度、Tg以及Tp，同时增强结合剂的析晶能力。
改性后的结合剂具有较高的流动性和润湿能力，其热膨胀系数也更接近于陶瓷刚玉磨料。
金刚石磨具用陶瓷结合剂及成型技术的研究金刚石是自然界最硬的材料，同时具有很高的强度和耐磨性，因而被制成磨削工具，用于加工其它难加工的材料，如硬质合金、金刚石复合片、陶瓷材料等。
由于金刚石高温下稳定性差，容易被氧化，使金刚石晶体受到破坏，导致磨具的磨削性能大幅度降低，因此，研制新型金刚石磨具就成为磨削应用领域的一个研究重点。
目前，金刚石磨具常用的结合剂种类有树脂、金属和陶瓷等。
其中，陶瓷结合剂金刚石磨具具有其他种类磨具无可比拟的优点，如加工效率高、形状保持性好、刚性好、加工成本低等，具有非常好的应用前景。
金刚石磨具要求陶瓷结合剂低熔点、高强度和低热膨胀系数等，以满足磨具的低温烧成，节约能源，及在低温烧结下具有一定的强度。
金刚石磨具的成型工艺在超硬材料制品行业中一直是个薄弱环节，不被人们所重视。
冷等静压成型工艺制备的坯体密度高而均匀，可以解决传统成型工艺过程中形成的组织不均匀和裂纹等结构缺陷问题，为进一步加工提供了不可估量的保证作用。
因此，寻求低熔融温度、高强度、低热膨胀系数的陶瓷结合剂和探索冷等静压成型工艺对陶瓷结合剂金刚石磨具性能的影响是本论文研究的目的。
论文以Al2O3-B2O3-SiO2系中加入三元碱为基础陶瓷结合剂（编号1#），在基础陶瓷结合剂中，再添加碱土金属氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2（编号2#），及在2#陶瓷结合剂中，再添加稀土氧化物CeO2（编号3#），研究添加剂对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能和结构的影响。
采用上述某种陶瓷结合剂，研究了冷等静压成型工艺、配方和烧结工艺对陶瓷结合剂金刚石磨具性能的影响，综合分析后，优选出性能较好的陶瓷结合剂金刚石磨具配方和烧结工艺，在单向冷压、双向冷压和冷等静压三种不同成型工艺下制备成规格为D45W5砂轮，进行模拟磨削试验，系统地分析了成型工艺因素对砂轮磨削性能的影响。
研究结果表明：（1）增大陶瓷结合剂的碱土金属用量，可以明显提高陶瓷结合剂的力学性能，显著降低陶瓷结合剂的熔融温度，且陶瓷结合剂的热膨胀系数从6.61×10-6/℃降到5.37×10-6/℃。
低温陶瓷结合剂低温陶瓷结合剂是一种广泛应用于陶瓷工艺制品制造的材料。
它具有多种优点，不仅能够提高陶瓷制品的结合性能，还能够降低制造过程中的能耗和环境污染。
下面将从不同方面对低温陶瓷结合剂进行介绍，并提供一些指导意义的建议。
首先，低温陶瓷结合剂具有出色的结合性能。
由于其特殊的化学成分和物理性质，该结合剂能够有效地将陶瓷颗粒连接在一起，形成强大的结合力。
这使得陶瓷制品具有很高的强度和耐久性，能够经受住长时间的使用和外部环境的冲击。
其次，低温陶瓷结合剂能够降低制造过程中的能耗。
相比于传统的高温烧结工艺，低温陶瓷结合剂无需经历高温烧结，能够在相对较低的温度下完成结合过程。
这不仅减少了能源消耗，还缩短了制造周期，提高了生产效率。
同时，低温结合剂还能够降低烧结过程中产生的废气和废水排放，减少对环境的污染。
另外，低温陶瓷结合剂还具有一定的可调性。
通过调节结合剂的成分和配比，可以控制结合剂的粘度和流动性，从而实现对陶瓷制品的形状和尺寸的精确控制。
这使得陶瓷制造过程更加灵活多样化，满足了不同产品的需求。
然而，在使用低温陶瓷结合剂时，仍需注意一些问题。
首先，结合剂的精确控制至关重要。
应根据具体的制造要求和工艺参数，选择合适的结合剂和配比，以确保结合剂性能和制品质量的稳定性。
其次，结合剂的安全性也需要重视。
应选择绿色环保的结合剂，并遵循正确的使用和处理方法，减少对人体和环境的危害。
总之，低温陶瓷结合剂在陶瓷工艺制品制造领域具有广阔的应用前景。
它的出色结合性能、低能耗和环保特性，为制造业带来了巨大的好处。
因此，在实际应用中，我们应注重结合剂的选择和控制，以确保制品质量和生产效率的提高。
同时，也要注意结合剂的安全性，保护好自己和环境的健康。
专利名称：一种低温陶瓷结合剂及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：不公告发明人
申请号：CN201611059809.7
申请日：20161129
公开号：CN108115580A
公开日：
20180605
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种低温陶瓷结合剂及其制备方法，该陶瓷结合剂由下列重量分数的物质组成：SiO36~45份，BO 23~33份，FeO 30~40份，CaO 2~8份，LiCO 7~10份，KNO3~5
份，NaO 6~9份。
将所有原料在球磨机中充分混合，在加入水，球磨10~15h，然后静置3~4h，将水倒出，在90~105℃条件下烘干，再球磨、过筛制备得到陶瓷结合剂。
本发明所制备的陶瓷结合剂具有耐火度低、强度高的特点。
申请人：房世俊
地址：224222 江苏省盐城市东台市三仓镇新农村五组78号
国籍：CN
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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：t=-+Q K AN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①SG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。
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，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。
