1、引言
陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪是目前發(fā)展比較迅速的一種超硬材料磨具，與樹脂結(jié)合劑磨具相比其形狀保持性好，加工尺寸精度高；與金屬結(jié)合劑磨具相比其具有砂輪易于修整、磨削時不易堵塞及不易燒傷工件等優(yōu)點。同時由于樹脂及金屬結(jié)合劑砂輪通常采用熱壓法制備，難以獲得足夠的氣孔用于儲存磨削液及提高砂輪自銳性，而陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪可以很方便地控制氣孔率的大小。目前，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪主要應(yīng)用于刀具、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、鐵氧體、液壓泵齒輪頸、寶石、普通陶瓷及新型工程陶瓷材料的磨削和加工，具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前在歐美日俄等發(fā)達國家陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的使用已較普遍，相應(yīng)的產(chǎn)品日漸豐富，而國內(nèi)對其研究仍處于實驗室階段或試用階段。與樹脂或金屬結(jié)合劑砂輪不同，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪須通過燒結(jié)制備，因此燒結(jié)溫度成為影響其性能的一個很重要因素。一個性能優(yōu)異的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪應(yīng)當是在金剛石粒度、燒結(jié)溫度及結(jié)合劑含量上均取得一個平衡的結(jié)果。對其進行研究可以對砂輪的生產(chǎn)起指導(dǎo)性作用，有利于提升其性能。
2、試驗
2.1 試驗步驟
采用實驗室用某結(jié)合劑與不同粒度的工業(yè)金剛石磨料為主要成分，以白剛玉作為填充料，在常溫20MPa下壓制成試片，在不同燒結(jié)溫度下燒成，試樣參數(shù)如表1所示。
表1 各試樣配料比及燒結(jié)溫度
2.2 試樣表征
將每個燒成試樣在HR-150DT洛氏硬度儀上測其硬度，取其5點平均值。在FEIQUANTA-200環(huán)境掃描電鏡上觀察試樣表面形貌，在EDS上分析元素組成。
3、結(jié)果討論與分析
3.1 金剛石粒度對砂輪性能的影響
圖1為1#、2#和3#試樣的洛氏硬度值，由圖可知當砂輪中結(jié)合劑含量一定時，其隨金剛石粒度的增大而減小。圖2分別為2#、3#試樣的表面微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖2(a)可知該試樣已經(jīng)明顯發(fā)泡，而圖2(b)中試樣結(jié)合劑與金剛石結(jié)合較好，未有發(fā)泡跡象。一般情況下，磨料粒度越小比表面積越大，活性越高，越容易與結(jié)合劑起反應(yīng)。而我們的試驗結(jié)果卻表明金剛石粒度越大越容易被結(jié)合劑氧化。
圖1 不同粒度金剛石洛氏硬度值
圖2 不同磨料制備的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪顯微結(jié)構(gòu)
由圖3可知金剛石微觀結(jié)構(gòu)呈多孔狀，且粒度越粗其表面起伏越大，孔結(jié)構(gòu)越粗大。由于金剛石是在觸媒處最先生長，其最終結(jié)構(gòu)可能是觸媒占據(jù)了金剛石中一定空間，而在酸洗過程中觸媒被腐蝕故而金剛石表面會留下孔狀結(jié)構(gòu)，因為粗顆粒表面粗糙度更大，可能使粗顆粒磨料的表面活性提高。
圖3 不同粒度金剛石顆粒表面顯微結(jié)構(gòu)
對上述兩種粒度金剛石顆粒進行EDS分析，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出兩者成分大致相同，但是圖4(b)即粒度為230/270的金剛石表面含有少量的Al，這可能是金剛石合成中使用的觸媒含有Al，在金剛石磨料的酸洗過程中金屬Al被氧化成Al2O3而殘留于磨料表面。金剛石粒度越細其比表面積越大，殘留的Al含量越高，在燒結(jié)過程中它們會奪取結(jié)合劑中的自由氧，從而在一定程度上抑制了金剛石的氧化。
圖4 不同粒度金剛石顆粒EDS
3.2 燒結(jié)溫度對砂輪性能的影響
圖5為同配方試樣在不同溫度下燒結(jié)時其洛氏硬度值，由圖可知，隨著溫度的上升，試樣的洛氏硬度值緩慢上升，當溫度到達800℃時硬度達到最大值126，但隨著溫度的進一步升高試樣硬度值迅速下降。
圖5 不同溫度下試樣硬度值
砂輪的硬度表征的是結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合強度。理論上講，燒結(jié)溫度越高結(jié)合劑的流動性越好，一方面，可以提高結(jié)合劑與金剛石之間的潤濕性；另一方面可及時排出結(jié)合劑中的氣孔，提高結(jié)合劑對磨料的把持力。故試樣的硬度值在一定范圍內(nèi)隨溫度的升高而增大。
當燒結(jié)溫度在800℃以上時，金剛石將變得不穩(wěn)定，金剛石將與結(jié)合劑中堿金屬氧化物起反應(yīng)并在界面處產(chǎn)生氣孔，使結(jié)合劑對金剛石的把持力急劇下降。如圖6中試樣在820℃時表面已經(jīng)有明顯的發(fā)泡痕跡，因為在該溫度下金剛石與氧氣或結(jié)合劑反應(yīng)生成CO2，由于氣泡的存在使得結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合力大大下降。
圖6 820℃試樣表面微觀結(jié)構(gòu)
3.3 結(jié)合劑的含量
圖7為不同結(jié)合劑含量對試樣硬度的影響。當結(jié)合劑含量較低時試樣硬度值隨結(jié)合劑含量的增大而緩慢增加，當結(jié)合劑含量到達34%時試樣硬度最高。繼續(xù)增加結(jié)合劑含量，試樣硬度急劇下降。圖8為不同結(jié)合劑含量試樣的表面微觀結(jié)構(gòu)，圖8(a)中試樣已經(jīng)發(fā)泡嚴重，而由圖8(b)可知其結(jié)合劑與金剛石包裹性良好。
圖7 不同結(jié)合劑含量試樣硬度值
圖8 不同結(jié)合劑含量試樣表面微觀結(jié)構(gòu)
燒結(jié)體中的氣孔主要來源于兩個方面：一方面是有機粘結(jié)劑在高溫下分解產(chǎn)生氣體，留下氣孔；另一方面是結(jié)合劑與金剛石起反應(yīng)，在一定燒結(jié)溫度下，結(jié)合劑含量越高燒結(jié)體中液相越多，產(chǎn)生的氣體越難排出，容易殘留在燒結(jié)體內(nèi)產(chǎn)生大量氣孔。
4、結(jié)論
�。�1）金剛石的粒度對陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的燒結(jié)有一定的影響，粒度越細在相同結(jié)合劑含量和燒結(jié)溫度條件下砂輪硬度越大；
（2）陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的燒結(jié)溫度對金剛石磨具的硬度有很大影響，溫度過低時結(jié)合劑流動性差，對金剛石潤濕性差，溫度過高時，金剛石容易與結(jié)合劑中堿金屬氧化物反應(yīng)產(chǎn)生氣孔，影響磨具硬度和強度；
�。�3）結(jié)合劑在磨具中的加入量對燒結(jié)后磨具的硬度有一定的影響，結(jié)合劑含量較低時燒結(jié)體強度不高，砂輪硬度低，當結(jié)合劑含量過高時燒結(jié)體中容易產(chǎn)生氣孔，磨具硬度大幅下降。
