劉瑞平,蘇偉明

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)材料系,北京 100083)

納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的研究進展①

劉瑞平,蘇偉明

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)材料系,北京 100083)

文章綜合論述了納米陶瓷結(jié)合劑的性能特點、增強增韌機理以及研究進展,并探討了納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制備過程中存在的問題及對策,指出納米陶瓷結(jié)合劑不僅可以解決目前陶瓷結(jié)合劑低熔點與高強度之間的矛盾,而且對于拓寬cBN砂輪的應(yīng)用范圍、適應(yīng)超高速磨削技術(shù)具有十分重要的意義。

納米陶瓷結(jié)合劑;cBN砂輪;研究進展;綜述

1 引言

由于立方氮化硼(cBN)具有硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、在高溫下與鐵族材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點,已在各類磨削工具中得到了廣泛應(yīng)用。在各類cBN砂輪結(jié)合劑中,金屬結(jié)合劑自銳性差、在加工金屬材料時易發(fā)生黏著,樹脂結(jié)合劑熱穩(wěn)定性較差,而陶瓷結(jié)合劑介于金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑之間,其耐熱溫度較高、自銳性較好、強度高、耐磨性好。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪不僅具有切削鋒利、磨削力小、生產(chǎn)效率高、使用壽命長、易于整形與修銳、磨削精度高等優(yōu)點,而且還具有磨削時工件溫度低,能消除殘余拉應(yīng)力而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,使工件耐用度提高30%～50%的特點。因此,陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪作為一類高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具產(chǎn)品,成為近年來世界磨具研究開發(fā)的重點[1]。

陶瓷結(jié)合劑的開發(fā)研究是陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制造的基本前提,高性能陶瓷結(jié)合劑是制備高性能陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的關(guān)鍵。隨著近年來超高速cBN砂輪的的發(fā)展,對陶瓷結(jié)合劑的性能提出了更高的要求,即要求結(jié)合劑具有高強度、低耐火度、良好的氣孔性、浸潤性、工藝性、化學(xué)穩(wěn)定性的特點且與cBN磨料熱膨脹系數(shù)匹配,然而傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑普遍存在燒結(jié)溫度高、強度低等缺陷[2]。納米陶瓷結(jié)合劑由于其粒度小、比表面積大、燒結(jié)溫度低、強度高、韌性好等優(yōu)點,有望解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑低燒結(jié)溫度和高強度之間的矛盾問題,提高陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的性能,進一步拓寬cBN砂輪的應(yīng)用范圍。

2 納米陶瓷結(jié)合劑的特點

除具有常規(guī)傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點之外,納米陶瓷結(jié)合劑還具有如下獨特的特點[3]:

(1)納米陶瓷結(jié)合劑不僅可以用于超細cBN微粉砂輪的制造,解決常規(guī)陶瓷結(jié)合劑分布不均勻、對cBN磨料把持力小的問題,而且可以解決粗顆粒的cBN砂輪容易產(chǎn)生工具強度低和磨粒把持力不足問題。

(2)納米陶瓷結(jié)合劑引入納米級的顆粒、片晶、晶須和纖維等第二相,不僅降低了cBN磨具的燒結(jié)溫度,而且結(jié)合劑的韌性大大提高,有效解決了cBN磨料-傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑界面應(yīng)力問題,使得粗顆粒工具的強度大幅度提高。

(3)納米陶瓷結(jié)合劑比普通結(jié)合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性。低的軟化溫度使得納米陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)比普通結(jié)合劑的燒結(jié)更加致密化,而好的韌性提高了納米結(jié)合劑的拉應(yīng)力承受極限。

3 納米陶瓷結(jié)合劑的增強增韌機理

自1987年德國Karch等首次報道了納米陶瓷的高韌性、低溫超塑性能后,世界各國對利用納米顆粒以解決陶瓷材料脆性和難加工性寄予厚望。當(dāng)把直徑為納米級的顆粒加入陶瓷中時,其強度和韌性大大提高。納米陶瓷由于晶粒的細化,晶界數(shù)量會極大增加,同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響材料的宏觀強度,結(jié)果可使材料的強度、韌性顯著增加。有關(guān)納米陶瓷復(fù)合材料的增韌強化機理目前不很清楚,說法不一,歸納起來大致有以下幾種[4]:

第一種是細化理論,該理論認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大,使基體結(jié)構(gòu)均勻細化,是納米陶瓷復(fù)合材料強度韌性提高的一個原因。

第二種是穿晶理論,該理論認為基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部,因此在納米復(fù)合材料中存在晶內(nèi)型結(jié)構(gòu),而納米復(fù)合材料性能的提高與晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)的形成及由此產(chǎn)生的次界面效應(yīng)有關(guān)。晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)能減弱主晶界的作用,誘發(fā)穿晶斷裂,使材料斷裂時產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂。

第三種是釘扎理論,該理論認為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生釘扎效應(yīng),從而限制晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生。氧化物陶瓷高溫強度衰減主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和擴散蠕變造成的,因此釘扎效應(yīng)是納米顆粒改善氧化物高溫強度的主要原因。

4 納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的研究進展

納米陶瓷結(jié)合劑是一種新型的超硬磨具結(jié)合劑,它顯著降低了磨具燒結(jié)溫度,大幅度提高了制品強度、韌性和耐磨性,且氣孔可控,為陶瓷結(jié)合劑的應(yīng)用開拓了一個嶄新的領(lǐng)域。近年來國內(nèi)對納米陶瓷結(jié)合劑進行了探索研究。燕山大學(xué)王艷輝課題組系統(tǒng)地研究了納米陶瓷結(jié)合劑制備過程中的一系列關(guān)鍵問題,開發(fā)出了一系列新型的納米陶瓷結(jié)合劑[3,5-7]。研究發(fā)現(xiàn),在納米陶瓷結(jié)合劑中加入20%～30%的水和適量的表面活性劑,可以提高成型密度、毛坯強度和制品的抗折強度,同時,其通過改變造孔劑的粒度和摻入量,可以獲得近于無氣孔的致密型和具有均勻分布的圓形理想氣孔的結(jié)合劑,氣孔孔徑和數(shù)量可控,并且氣孔率可以在大范圍內(nèi)調(diào)整,這種理想型均勻分布的圓型氣孔不僅對結(jié)合劑的強度影響較小,而且可以最大效率地發(fā)揮容屑、斷屑、貯存冷卻液、潤滑劑的作用。

為了解決納米陶瓷結(jié)合劑粉體易于團聚、分散性差的問題,燕山大學(xué)趙玉成課題組采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法(P-G法)制備了用于超精磨削用超硬砂輪陶瓷結(jié)合劑組分。研究表明,采用P-G法制備單組分氧化物粉體(如Al2O3、Mg O、SiO2、Zn O等),由于凝膠過程中所形成的高分子網(wǎng)絡(luò)的阻礙作用,使粒子在溶液中的移動受到限制,在干燥和燒結(jié)過程中,粒子接觸和聚集的機會減少,可以減小團聚的產(chǎn)生,有希望獲得顆粒尺寸小、分散均勻的超細粉體材料,制備得到的氧化物粉末易于確定煅燒溫度,可以制備出物相單一、顆粒形態(tài)近球形、粒度分布窄的納米粉體,但對于化學(xué)性質(zhì)活潑的Na2O、K2O等氧化物的粉體則難以制備[8]。

鑒于溶膠凝膠法在材料制備方面所展示的特點,湖南大學(xué)胡偉達探討了溶膠凝膠法制備Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結(jié)合劑原料及工藝因素的影響,優(yōu)化出的最佳工藝參數(shù)為:加水量r(n H2O/ n TEOS)為60,p H調(diào)節(jié)為4,凝膠化溫度為70℃,后續(xù)凝膠熱處理溫度為500℃,最后經(jīng)球磨處理并過200目篩網(wǎng),制得陶瓷結(jié)合劑粉末[9]。

除此之外,東北大學(xué)張景強等人以超高速陶瓷cBN砂輪的結(jié)合劑低溫高強性能要求為目標(biāo),在以化學(xué)純原料為主的R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃體系基礎(chǔ)上,引入納米改性劑來對陶瓷結(jié)合劑基體進行了改良強化。結(jié)果表明,納米陶瓷結(jié)合劑的抗折強度、耐火度、浸潤性以及線膨脹系數(shù)與普通陶瓷結(jié)合劑相比有著顯著優(yōu)勢[2,10]。

5 納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪存在的問題及對策

與傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑相比,盡管納米陶瓷結(jié)合劑具有強度高、韌性好、燒結(jié)溫度低等優(yōu)點,但由于其粒度較小、比表面積大,在cBN砂輪的制備過程中還存在一些問題,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)由于納米陶瓷結(jié)合劑的細粒度及極大表面積,外觀膨松,密度較低,這可能對磨具的成型帶來一定的困難。因此必須采用適當(dāng)?shù)膲褐乒に?獲得較高的毛坯密度,從而提高燒結(jié)強度,減少燒成收縮。

(2)納米陶瓷結(jié)合劑單組份粉體制備比較容易,但問題是在后續(xù)球磨混合的過程中如何保證其分散性良好且均勻分布。為了解決這一問題,可以采用溶膠-凝膠法制備多組元的混合氧化物陶瓷粉體,實現(xiàn)其分子級別的均勻混合,除此之外,還可以結(jié)合凝膠注模成型工藝的原理,通過球磨后高分子網(wǎng)絡(luò)固化而得到均勻分散的納米陶瓷結(jié)合劑。

(3)由于納米顆粒的活性較高,燒結(jié)過程中易出現(xiàn)晶粒的異常長大且難以致密等缺點。因此,要獲得真正意義上的納米陶瓷結(jié)構(gòu)材料并不容易。為了解決這一問題,可以采用新型的低溫快速燒結(jié)工藝,如SPS等,同時探尋加入抑制納米顆粒異常長大的微量添加劑等。

(4)與傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑相比,對納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的結(jié)構(gòu)(如形狀、含量和大小)和其性能之間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)深入的研究。因此,應(yīng)加強納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的尺寸和含量對其性能的影響規(guī)律的研究。

6 結(jié)束語

納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪是cBN磨具發(fā)展的必然趨勢,其優(yōu)異的性能不僅可以解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪存在的問題,而且可以大大拓寬其加工范圍和應(yīng)用領(lǐng)域,展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。為適應(yīng)超高速磨削技術(shù)對cBN砂輪提出的更高的要求,應(yīng)系統(tǒng)地研究納米陶瓷結(jié)合劑制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題,同時繼續(xù)加強高性能納米陶瓷結(jié)合劑的研究和開發(fā)工作,加強納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在超高速磨削、航空航天等難加工材料磨削方面的應(yīng)用研究。

[1] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2011.

[2] 張景強,王宛山,于天彪,張松.高速陶瓷cBN砂輪納米陶瓷結(jié)合劑性能實驗研究[J].中國機械工程,2014(1):82-87.

[3] 王艷輝,臧建兵.納米陶瓷結(jié)合劑的特點和應(yīng)用[J].超硬材料工程,2013(1):20-24.

[4] 陳華輝,等.現(xiàn)代復(fù)合材料[M].北京:中國物資出版社,1998.

[5] 王艷輝,張向紅,葛恩報,張金輝,臧建兵.納米陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制造工藝[J].金剛石與磨料磨具工程,2008(6):9-16.

[6] 張向紅,王艷輝,臧建兵,成曉哲,張金輝.具有可控氣孔的低熔高強納米陶瓷結(jié)合劑[J].金剛石與磨料磨具工程,2010(4):17-20.

[7] 張向紅,王艷輝,臧建兵,成曉哲,張金輝.低熔高強納米陶瓷結(jié)合劑粗粒度超硬工具[J].金剛石與磨料磨具工程,2011(1):32-34.

[8] 趙玉成,王明智,張貝貝.納米陶瓷結(jié)合劑粉體的網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備與表征[J].金剛石與磨料磨具工程,2012(3):55-58.

[9] 胡偉達.溶膠凝膠法制備陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研究[D].湖南大學(xué)博士論文,2013.

[10] 張景強,王宛山,于天彪.超高速納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制備與實驗[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013(4):588-593.

Research Progress on the Nano Ceramic Bond(cBN)Grinding Wheel

LIU Rui-ping,SU Wei-ming
(Department of materials science and engineering,China university of Mining&Technology(Beijing),Beijing,100083)

In this artical,the performance characteristics,strengthening and toughening mechanism of the nano ceramic bond grinding wheel,as well as its research progress have been comprehensively discussed.The existing problems and solutions of the nano ceramic bond grinding wheel in its manufacturing process have also been discussed.It is indicated that the current existing contradiction between low melting point and high strength for the ceramic bond can be solved by the application of nano ceramic bond.What's more,it has a great significance for broadening the scope of application of cBN grinding wheels and meeting the requirement of ultra-high speed grinding technology.

nano ceramic bond;cBN grinding wheel;research progress;discuss comprehensively

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0040-03

2014-09-28

劉瑞平,男,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程系副教授,博士后,長期從事超硬材料及其制品的研究開發(fā)。