超硬磨具納米陶瓷結合劑研究進展

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒

(河南工業大學材料科學與工程學院，鄭州 450001)

超硬磨具納米陶瓷結合劑研究進展

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒

(河南工業大學材料科學與工程學院，鄭州 450001)

文章分析了超硬磨具用納米陶瓷結合劑的典型特征，針對其制備方法和最新研究現狀進行了綜述，討論了目前納米陶瓷結合劑研究中可能存在的問題及對策。納米陶瓷結合劑的研究有助于超硬磨具進一步適應超高速和超精密等特種磨削技術的基本要求，并對其應用領域的拓展具有重要作用。

超硬磨具;納米材料;陶瓷結合劑;研究進展

1 引 言

超硬磨具是以人造金剛石或立方氮化硼為磨粒，加上陶瓷、樹脂或金屬等不同種類結合劑所制成的磨具［1］。由于超硬磨具具有磨損少、使用周期長、磨削比高和切削鋒利等特點，在材料磨削加工方面具有重要應用前景。在超硬磨具中，對磨具有關鍵性影響的是結合劑［2-3］。陶瓷結合劑與其它結合劑相比，具有良好的自銳性、抗熱性，對酸、堿和油等環境有很好的惰性，還具有把持力強，硬度高，應用范圍廣等特點，可以滿足各種精度要求的磨削加工［4-7］。但是，普通的無機陶瓷結合劑較高的燒結溫度、較低的抗折強度及自身脆性等，嚴重限制了超硬磨具在超高速和超精密等特種磨削加工方面的應用［8-10］。為了解決這一問題，圍繞如何降低燒結溫度和改善陶瓷結合劑的脆性等問題，國內外學者開展了不少研究，取得了一定進展;其中通過開發納米陶瓷結合劑較好地實現了對傳統陶瓷結合劑的增韌補強［11-12］。納米陶瓷結合劑一般是在基礎陶瓷結合劑中加入納米級的粉體而得到的一種納米復合材料。這種納米陶瓷結合劑由于納米材料的添加，自身表現出良好的特性，可在一定程度上解決陶瓷結合劑的低溫高強問題。目前，納米陶瓷結合劑的研究熱點主要集中在制備方法、添加納米物種類和相關機理研究等方面。

本文從分析納米陶瓷結合劑的典型特征入手，綜述了納米陶瓷結合劑的制備方法和研究現狀。正因為納米陶瓷結合劑具有獨特的結構和性能，日益成為超硬磨具用新型陶瓷結合劑的研究熱點。

2 納米陶瓷結合劑的典型特征

通過學者們多年的研究，超硬磨具用納米陶瓷結合劑在理論和實踐應用方面有了較大進展。分析起來，納米陶瓷結合劑具有以下幾個方面的典型特征:

(1)用于超高速磨削加工的納米陶瓷結合劑一定程度上解決了普通陶瓷結合劑強度低的問題。這是因為在陶瓷結合劑中納米材料的混入一定程度上修復了陶瓷結合劑結構本身以及氣孔生成的細微缺陷，較大程度改善了陶瓷結合劑的抗折強度以及韌性，起了增韌補強作用，因而可以廣泛用在超高速磨削加工中。

(2)陶瓷結合劑納米材料的引入在一定程度上提高了對超硬磨料的把持力，磨削效果顯著提高。這是由于添加了納米材料的陶瓷結合劑的浸潤能力的改善，在燒結過程中，納米陶瓷結合劑可以對磨料有顯著的結合和包覆，也就增加了對磨料的把持力，使得在磨削加工時的效果更加顯著。

(3)在燒結過程中，添加了納米材料的納米陶瓷結合劑有效降低了燒結溫度和更致密化燒結。這是由于加入的納米材料具有表面效應，納米材料具有很高的一些高活性的粒子與周圍的粒子發生作用相對容易，這就增強了陶瓷結合劑的反應能力，結果就是陶瓷結合劑的燒結溫度的降低。

3 納米陶瓷結合劑制備方法

納米陶瓷結合劑的制備方式，目前主要有三種:直接混料法，球磨法和溶膠－凝膠法。研究表明:超硬磨具用納米陶瓷結合劑制備方法的不同，其對磨具的影響也不同。直接混料法是目前大多數研究者使用的方法，它的做法就是讓納米添加劑直接加入到預先制好的普通陶瓷結合劑中，不經過大型的混料設備。它的優點是操作簡便，缺點是不易混勻，易發生團聚現象。侯永改等［13］通過直接混料法，將不同劑量的AlN(2～10 wt%)添加到基礎玻璃料R2O－ROB2O3－Al2O3－SiO2中，制得樣條，測試結果表明:在氬氣氣氛下，當AlN添加量為6%時，陶瓷結合劑性能最佳，其抗折強度為 70.8 MPa、沖擊強度為12.3 kJ m－2、硬度為810MPa。相對來說，陶瓷結合劑性能得到改善。

球磨法的做法就是把陶瓷結合劑原料和納米添加物一起放到球磨機中，球磨機設定一定的時間和頻率通過振動和研磨來讓它混合均勻。所以球磨法的優點是可以把原料混勻，缺點是易引入雜質。張景強等［14-16］通過高頻共振球磨的方法，把不同含量、不同種類的納米SiO2、Al2O3、ZrO2添加物和陶瓷結合劑原料一起放入高頻共振球磨機約8～10小時，然后壓制成型，燒結得到樣品，經過一系列分析測試，結果表明:添加納米SiO2為5%、納米Al2O3為10%、納米ZrO2為3%的多納米成分的陶瓷結合劑的抗折強度為83.75MPa，耐火度為795℃，可以用于特種磨削。

溶膠－凝膠法就是將金屬醇鹽或無機鹽經水解直接形成溶膠或經解凝形成溶膠，然后使溶質聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機成分，最后得到無機材料。這種方法可以處理由于納米材料的活性大而產生的團聚，解決分散到陶瓷結合劑中不均勻的問題。胡偉達等［17］在這方面做了許多探索，通過該法的工藝調整制備了Na2O－B2O3－Al2O3－SiO2系陶瓷結合劑原料，得到的最好工藝參數為:加水量r(nH2O/ nTEOS)為60，pH調節為4，凝膠化溫度為70℃，后續凝膠熱處理溫度為500℃，最后經球磨處理并過200目篩網，制得陶瓷結合劑粉末。

綜上，以上三種方法都具有各自的優點和不足，當前可以在方法改良方面進一步工作，開發出簡便高效的納米陶瓷結合劑制備方法是必然要求。我們課題組用超聲化學方法將納米添加物引入到陶瓷結合劑中，取得了顯著進展。

4 納米陶瓷結合劑研究現狀

作為新型的超硬磨具用陶瓷結合劑，納米陶瓷結合劑較好地解決了傳統結合劑低熔高強的問題，成為相關領域的研究熱點。目前納米陶瓷結合劑除了制備方法的研究之外，研究者們也從不同種類的納米添加物入手，常見的納米添加物主要有納米氧化物、納米氮化物和其他添加物。

侯永改等［18］研究了添加納米ZrO2對結合劑的影響，對樣條進行一系列測試，結果:納米ZrO2添加量為8%時，納米陶瓷結合劑性能最優，抗折強度為63.41MPa，氣孔分布均勻，微觀結構良好。萬隆等［19－20］研究了添加Li2O、ZnO和MgO對陶瓷結合劑性能的影響，發現單獨添加Li2O能降低結合劑的耐火度，結合劑的抗折強度得到增加，在研究ZnO、MgO與Li2O的比例時發現，當(摩爾比)Li2O∶ZnO=2∶1時，MgO∶Li2O=0.67∶1時，結合劑的性能比較好。Cui等［21］研究了Y2O3添加對cBN磨具用Li2O－ZnO－Al2O3－SiO2(LZAS)陶瓷結合劑結構和性能的影響，研究結果表明，Y2O3充當了硅氧四面體周圍的成網體，在玻璃中引入Y2O3提高了玻璃化轉變溫度和結晶溫度，并且晶體形貌取決于Y2O3的含量;當Y2O3的含量為1.0mol%時，結合劑的熱膨脹系數與cBN磨料基本相當，結合劑的顯微硬度高達5.98 GPa，抗折強度達202 MPa，表現出優良的化學穩定性。He等［22］研究不同WO3含量對SiO2－B2O3－Al2O3－CaO系陶瓷結合劑結構和性能的影響。結果表明，隨著WO3含量的增加，硼氧四面體減少、硼氧三角形降低和CaWO4相增加，抗折強度提高，當WO3含量為2.0wt%時，結合劑抗折強度可達114MPa，熱膨脹系數為6.8020× 10－6℃－1，與金剛石接近。

Li等［23］研究了AlN添加對陶瓷結合劑和陶瓷結合劑cBN復合材料的熱性能和機械性能。陶瓷結合劑是以SiO2－LiO2－Na2O－ZnO基礎陶瓷結合劑填充AlN而成，陶瓷結合劑cBN復合材料是以陶瓷結合劑與cBN結合而成，研究表明:當AlN含量由0wt%到8wt%時，熱導率從0.74W/m·K升高到1.44W/m· K，熱導率的顯著提高歸因于熱導通道和α-磷石英新相的形成。Shang等［24］研究了納米AlN添加和燒結溫度對低溫陶瓷結合劑的影響，結果表明:當添加量為6.0wt%時，結合劑強度從20MPa升至40MPa，顯著提高了結合劑的抗折強度，同時抗磨性能明顯改善。Hou等［25］研究了納米AlN添加和不同氣氛燒結對Na2O－SiO2－B2O3陶瓷結合劑結構和性能影響。結果表明:在氬氣氣氛中，納米AlN添加量為6.0wt%時，結合劑抗折強度最大。

除了納米氧化物和納米氮化物外，研究者也對納米復合材料進行了一定研究。陳飛曉等［26］向Na2O–Al2O3–SiO2–B2O3系基礎陶瓷結合劑中加入不同劑量的納米Ti(C，N)粉體得到納米陶瓷結合劑。結果表明:加入6wt%納米Ti(C，N)的陶瓷結合劑的性能最佳，其抗折強度與未添加相比增加了39.92 MPa，流動性有了一定改善。燕山大學王艷輝等［27-29］研究了納米陶瓷結合劑，結果表明納米添加物的添加提高了結合劑強度和耐磨性，使流動性和氣孔等方面有了一定的改善，也降低了耐火度。

總體上，納米陶瓷結合劑已呈現出誘人的應用前景，但是國內外相關研究還應當深入開展，特別是對于影響機理的直接研究需重之。我們課題組開展了不同維度和不同種類納米材料復合陶瓷結合劑的制備及應用工作，取得了一定進展。

5 可能存在的問題及對策

陶瓷結合劑以其獨特的性能，在工業加工中有著不可替代的作用，較好的自銳性，較高的硬度，是人們選擇它的主要目的。然而，其脆性較大，抗沖擊強度較低等，仍然制約其進一步實際應用;納米陶瓷結合劑的開發可望很好地解決這些問題。納米陶瓷結合劑有很多優異的性能，比如強度高，燒結溫度低等，但是目前也存在一些問題亟待解決。首先，納米陶瓷結合劑在混料時易發生團聚現象，不易分散;其次，由于納米材料的表面效應，使得納米材料的比表面積大，在坯料成型階段不易壓制成型;最后，納米材料的反應活性大，在燒結階段易于異常長大或反應等。

針對這些問題，建議從以下幾個方面加強工作:

(1)對傳統的混料方法進行改進，探索實現不同技術手段的協同作用的有效途徑;也可以采用溶膠－凝膠法，實現其分子級別的均勻混合，解決混料時團聚現象。

(2)采用適宜的熱壓等新型壓制工藝，解決坯料不易成型問題，但應注意成型壓力的合理調控等。

(3)進一步研究納米陶瓷結合劑的微觀機理，篩選合適的晶粒抑制物質作為微量添加劑，解決燒結階段的異常長大等問題。

(4)進一步系統研究不同種類納米材料對陶瓷結合劑以及超硬磨具微觀結構和性能的影響，其中在納米材料形貌結構和納米復合材料添加方面應特別關注。

隨著人們對零件的加工精度和速度越來越高，超硬磨具納米陶瓷結合劑的應用已成必然，它大大拓寬了應用領域，在航空航天等高端材料加工領域有著巨大的優勢［30］，也必然成為廣大學者的研究熱點。

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Research Progress of Nano Ceramic Bond for Superhard Abrasive Tools

LIU Xin-xin，LIU Shi-kai，DENG Shi-wei
(School of Materials Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，China 450001)

Typical characteristics of nano ceramic bond for superhard abrasive tools has been analyzed in this article.And the the possible problems and countermeasures in current research of nano ceramic bond have been discussed based on its preparation methods and the latest research status.The research may help superhard abrasive tools to meet the requirement of the special grinding technologies such as ultrahigh speed and ultra-precision and can play an important role on the expansion of its application domain.

superhard abrasive tools;nano material;ceramic bond;research progress

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0046－04

2016－09－17

河南省科技廳自然科學項目(152102210271)河南省教育廳自然科學項目(14B430019)

劉鑫鑫(1990－)，男，河南商水人，碩士研究生，主要從事納米陶瓷結合劑的制備及應用研究。E-mail:18638764793@163.com。

劉世凱(1979－)，男，河南登封人，博士，河南工業大學副教授，主要從事納米技術在超硬材料和磨料磨具中的應用研究。E-mail:shikai _liu@haut.edu.cn。

劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒.超硬磨具納米陶瓷結合劑研究進展［J］.超硬材料工程，2016，28(6):46-49.