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综述与评述Summary &Review1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。
边华英1，段爱萍1，王学涛2（1.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，郑州450002；2.中国机械工业国际合作有限公司，郑州450018）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。
金刚石磨具，低熔陶瓷结合剂（1971~），女，汉族，河南柘城人，硕士，高级工程师，主要从事陶瓷研究工作。
河南省重点科技攻关项目（142102210545）；河南省科学院重点研发项目（微波烧结法制备陶瓷刚玉磨料及其绿色专用结合剂的研究）。
树脂结合剂金刚石工具性能的研究树脂结合剂金刚石磨具是金刚石磨具中使用量最大的一类。
和金属结合剂金刚石磨具和陶瓷结合剂金刚石磨具相比,树脂结合剂金刚石磨具有磨具硬化温度低,只需200℃左右,远远低于金属结合剂和陶瓷结合剂金刚石磨具的热压成型温度;生产周期短,生产设备简单,生产能耗少,规模生产可降低成本;形成自锐性,提高磨具锋利性;被加工工件的表面光洁度高,适用于镜面磨削;其缺点是寿命短,耐热性差,易老化。
其中最根本原因是:树脂结合剂胎体对金刚石的把持力小。
为了提升树脂结合剂磨具的寿命,通常采用两种方法进行改进。
一种方法是尝试新型树脂或者对现有树脂进行改性,提高树脂的耐热性;另一种方法是对金刚石进行镀覆,提高树脂对金刚石的把持力。
镀覆金刚石在金属结合剂和陶瓷结合剂的磨具中应用的相应研究较多,但镀覆金刚石在树脂结合剂中的研究却鲜有报道。
本文通过采用对无镀层金刚石、镀覆刚玉金刚石和金属镀层金刚石制备的金刚石树脂结合剂磨具性能进行对比分析,研究镀覆种类对两种树脂结合剂磨具的锋利性、耐用性、力学性能以及对树脂结合剂的结构和致密度的影响,获得如下结论:(1)采用聚酰亚胺树脂(PI)作为结合剂,在金刚石、聚酰亚胺(PI)、氧化铬等组分确定的前提下,实验填料的最佳配比为碳化硅微粉30(vol)%,合金粉4(vol)%,冰晶石4(vol)%,此时,树脂金刚石磨具磨削比最大,达到2.286,具备良好的磨削性能,使用性价比较高。
(2)按照最佳填料配方,采用无镀层金刚石、镀覆金属(钛、铜、镍)镀层金刚石和镀覆刚玉镀层金刚石压制两组平行实验试样进行性能对比分析。
结果表明:在其他组分含量保持不变的前提下,对金刚石进行表面镀覆处理可以明显提高磨具的磨削比,提高磨具的磨削效率,并且可以提高试样的抗弯强度、硬度等力学性能。
三种金属镀层(钛、铜、镍)中,钛镀层的镀覆效果最好,对树脂磨具的磨削性能和力学性能提升明显,无机物刚玉镀层镀覆效果优于金属镀层。
金刚石磨具用陶瓷结合剂的研究陶瓷金刚石磨具有着广泛的应用前景,本课题针对金刚石磨具用陶瓷结合剂进行了系统的研究,探讨了陶瓷结合剂的组成以及制备工艺对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能的影响。
实验利用三点弯曲剪力仪、扫描电子显微镜,X射线衍射等分析测试仪器,对R<sub>2</sub>O-MO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Al<sub>2</sub>O<sub>3</s ub>-SiO<sub>2</sub>体系陶瓷结合剂的耐火度、流动性、磨具的抗折强度及磨具的显微结构等进行了深入研究。
实验结果表明:当基础陶瓷结合剂的（R<sub>2</sub>O+MO）/（A1<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>）比值在0.916-1.044之间时较为合适,陶瓷结合剂的耐火度为670℃,流动度为170%,磨具试样抗折强度达到55MPa。
向基础陶瓷结合剂中加入不同含量的AlF<sub>3</sub>添加剂,随着AlF<sub>3</sub>添加量的增加,结合剂耐火度下降,流动性增大,添加质量百分比为1%AlF<sub>3</sub>的磨具试样的抗折强度提高到60MPa,向基础结合剂中添加不同含量的TiO2添加剂,随着TiO<sub>2</sub>添加量的增加,结合剂耐火度上升,流动性不变,添加质量百分比为1%TiO<sub>2</sub>的磨具试样的抗折强度提高到59MPa。
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。
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具有磨削精度高、磨削效率高、磨削温度低、使用寿命长、耐酸碱、耐腐蚀、自锐性好等特点,在现代材料加工特别是硬脆材料加工领域应用广泛。
本文主要针对陶瓷结合剂金刚石磨具制备过程中的低温陶瓷结合剂的制备,金刚石磨料的表面改性,润湿剂的选用,烧结工艺和磨削应用等方面进行了研究,并取得了一定的成效。
其主要的研究工作及实验结果概括如下：1)自制HO结合剂,其熔点约为650℃,烧结范围较宽；陶瓷结合剂金刚石磨具的烧成温度在735℃时抗折强度达到最大为90.08MPa；确定了HO陶瓷结合剂金刚石磨具的升降温烧结工艺；HO陶瓷结合剂金刚石磨具烧成后为产生微晶相锂辉石(LiAlSi2O6),提高磨具强度。
2)对金刚石表面进行镀钛、镀镍和镀铜处理,在与陶瓷磨具同样的温度工艺处理后,冷压自由烧结,表面金属镀层在含氧气氛中会发生化学反应,导致镀层疏松、脱落,并且会使金刚石表面与结合剂的结合处产生缝隙,最终导致陶瓷磨具的强度下降。
3)使用乙醇为溶剂的树脂液作为润湿剂并且其加入量为4wt%时,成型料的成型性最好,生坯强度可达到5.93MPa,磨具强度最高可达到91.28MPa。
4)金刚石粒度为140/170目的陶瓷结合剂金刚石磨具磨削牌号为YG8的硬质合金后粗糙度为0.5μm～0.9金刚石粒度270/325目的陶瓷磨具磨削后粗糙度为0.1μm～0.3μm,并且磨削效率较高,但表面光洁度相对于同粒度树脂砂轮较差。
磨削PCD材料时,自制每片磨具可磨削1304型PCD1233片,且磨削效率高。
使用HO低温陶瓷结合剂生产的金刚石磨具,相比国内同类产品,在耐磨性、锋利度以及所磨削的工件质量方面,具有一定优势。
陶瓷磨具相对于树脂磨具有以下优势：(1)陶瓷砂轮的磨削效率高；(2)对于陶瓷砂轮可以采用大的进给量,树脂砂轮当采用进给量超过一定数时,会磨不动；(3)陶瓷结合剂金刚石磨具磨削时几乎不用修整,树脂磨具需要隔段时间修整一次；(4)由于陶瓷砂轮形状保持性好,所以磨削精度相对于树脂砂轮高。
超精磨陶瓷结合剂纳米金刚石磨具的研制纳米金刚石的可分散性和抗氧化能力的好坏直接影响着超精磨陶瓷结合剂纳米金刚石磨具的性能。
本实验综合利用二氧化硅包覆法和高分子网络凝胶法（P-G法）来提高纳米金刚石的可分散性和抗氧化能力以及制备低温陶瓷结合剂，为研制性能优良的超精磨陶瓷结合剂纳米金刚石磨具奠定基础。
以PVP为偶联剂，TEOS为SiO<sub>2</sub>前驱体，通过二氧化硅包覆法合成二氧化硅包覆纳米金刚石（ND/SiO<sub>2</sub>）的复合体。
采用X射线衍射仪（XRD）、高分辨透射显微镜（HRTEM）对ND/SiO<sub>2</sub>复合体的结构和颗粒形貌进行分析；运用综合热分析（DSC-TG）和马尔文激光粒度仪分析ND/SiO<sub>2</sub>复合体的抗氧化性和粒度分布状态。
实验结果显示：ND/SiO<sub>2</sub>复合体为核/壳结构，无定形SiO<sub>2</sub>均匀包覆在纳米金刚石表面，包覆层厚约为5nm；ND/SiO<sub>2</sub>复合体的抗氧化温度比原始纳米金刚石的提高约100℃，同时其能稳定分散在多组分无机盐水溶液中，平均粒度约为200nm。
通过P-G法制备陶瓷结合剂以及ND/SiO<sub>2</sub>-陶瓷结合剂复合粉体，并对陶瓷结合剂和含ND/SiO<sub>2</sub>的陶瓷磨具的烧结温度进行考察。
运用DSC-TG、XRD和FESEM（场发射电子显微镜）对凝胶体的热分解、烧结后试样的物相组成、显微组织以及磨具中纳米金刚石颗粒分布状态进行分析；利用三点弯曲法和热膨胀仪测定烧结试样的抗折强度和陶瓷结合剂的热膨胀系数。
实验结果显示：凝胶体在500℃煅烧时，可得到组分均匀的陶瓷结合剂粉体；陶瓷结合剂的最佳烧结温度为630℃，其组织结构较为良好，抗折强度为62.7MPa，热膨胀系数为6.0×10<sup>-6</sup>/℃；磨具试样的最佳烧结温度为640℃，抗折强度为73.1MPa，气孔率为26.17%。
金刚石磨具低温结合剂的研究
本文通过熔制玻璃料，研究了化学成份对陶瓷结合剂专用玻璃料的影响。
并对结合剂的热膨胀系数、耐火度、高温润湿性等进行测定，利用XRD、SEM等分析方法，对金刚石磨具低温陶瓷结合剂进行了研究。
1．通过研究Na<sub>2</sub>O—B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>—
SiO<sub>2</sub>、Li<sub>2</sub>O—B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>—
SiO<sub>2</sub>、K<sub>2</sub>O—B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>—
SiO<sub>2</sub>三种体系的预熔玻璃料，结果表明Na<sub>2</sub>O—
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>—SiO<sub>2</sub>预熔玻璃料耐火度为630℃～650℃，抗折强度为55.4MPa，具有适宜的膨胀系数和润湿性，是低温陶瓷结合剂优良的基础玻璃料。
2．通过研究基础玻璃料中分别加入PbO、CuO、
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>等氧化物对结合剂性能的影响，发现在烧结温度下，加入适量，结合剂的湿润角从58°降到38°，流动性由130％提高到150％～160％，抗折强度明显提高。
但PbO的加入会增大结合剂的线膨胀系数，PbO的加入量控制在3％～4％内，改善了结合剂的综合性能。
3．通过研究基础玻璃料中分别添加HZ812合金、Cu、Al等金属粉末对结合剂性能的影响。
实验表明，结合剂中加入HZ812合金8％～10％，结合剂的抗折强度由
55.4MPa提高到约67MPa，冲击强度由2KJ／m<sup>2</sup>提高到4KJ／
m<sup>2</sup>。
4．综合结果表明，低温陶瓷结合剂的组成是：以
Na<sub>2</sub>O—B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>—SiO<sub>2</sub>系为基础玻璃料，同时添加3％～4％的PbO和8％～10％的HZ812合金粉。
结合剂的主要性能如下：耐火度：650℃～750℃；热膨胀系数：＜5.5×10<sup>-6</sup>℃<sup>-1</sup>；结合剂的抗折强度：55MPa～66.5MPa；抗冲击强度、润湿性等性能优良；利用上述结合剂制得的陶瓷结合剂金刚石磨具具有优良的磨削性能。
