基于空心氧化鋁微球造孔的陶瓷結合劑金剛石砂輪＊

軒 闖，王超超，白福厚，張鳳林

（廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006）

相較于普通磨具，金剛石磨具具有更好的磨削性能和更長的壽命，廣泛用于各種難加工硬脆材料的精密加工[1-2]。金剛石磨具按結合劑可分為金屬、樹脂和陶瓷結合劑3種。其中陶瓷結合劑金剛石磨具具有磨削力小、磨削溫度低、自銳性好、氣孔率可調整等優勢[3-5]。

氣孔在陶瓷結合劑金剛石磨具中發揮著重要的作用。在磨削過程中，砂輪中的氣孔可將磨削液帶至磨削區域，降低磨削熱[6]。氣孔也起到容屑排屑，防止砂輪堵塞，提高磨削效率的作用[7]。此外，陶瓷結合劑具有較高的彈性模量和較低的斷裂韌性，合理設計結合橋之間的氣孔可有效抑制裂紋擴展，提高砂輪的抗沖擊強度[8]。

陶瓷結合劑砂輪中的氣孔主要由2種方法產生，一種是由磨料與磨料、磨料與結合劑之間堆疊，在燒結過程中自然生成，氣孔數量、大小和分布控制較為困難。另一種是在砂輪制造過程中加入造孔劑，從而達到人為控制氣孔的數量、大小和分布的目的[9]。按照造孔機理將造孔劑分為燒結后溶解型、加熱碳化或分解型和空心微球等類型，常用的造孔劑如表1所示。

表1 金剛石砂輪常用造孔劑及性能Tab.1 Common pore forming additives and their performance for diamond grinding wheels

BARBARA等[17]研究了空心氧化鋁微球作為造孔劑對陶瓷結合劑CBN砂輪的影響，在添加體積分數為10%氧化鋁空心球時，CBN砂輪有最佳的性能表現。陳衛東等[18]對比了硫酸銨、碳粉、氧化鋁空心球、空心玻璃微球4種造孔劑對陶瓷結合劑CBN砂輪的影響，結果表明：空心球造孔劑更容易控制砂輪的氣孔率，并且能夠增加砂輪的自銳性。WANG等[16]對比了125 μm和250 μm 2種粒徑的氧化鋁空心球作為造孔劑對陶瓷結合劑金剛石砂輪的影響。試驗發現：空心氧化鋁微球質量分數越高，粒徑越小，氣孔率越大，力學性能越低；使用質量分數為8%的250 μm空心氧化鋁微球的砂輪磨削藍寶石和6H–SiC，表現出了良好的性能。

因此，空心氧化鋁微球能夠較精確地控制砂輪中的氣孔大小和分布。為進一步研究空心氧化鋁微球的粒徑和質量分數對砂輪總氣孔率、抗彎強度、硬度和微觀結構及其磨削性能的影響，制備空心氧化鋁微球陶瓷結合劑金剛石砂輪，用其磨削石英玻璃。

1 試驗材料與方法

1.1 陶瓷結合劑金剛石砂輪制備

以金剛石微粉、陶瓷結合劑、空心氧化鋁微球、臨時黏結劑等為原材料制備金剛石砂輪，其中金剛石微粉粒度代號為M1/2，陶瓷結合劑（主要成分為SiO2、Na2O、K2O、TiO2、ZnO等）平均粒徑為1.0 μm，空心氧化鋁微球的平均粒徑分別為0.2，0.4，0.6 mm。空心氧化鋁微球的表面微觀形貌和斷面微觀形貌如圖1所示，微球的壁厚為10.00～20.00 μm。

圖1 空心氧化鋁微球的微觀形貌Fig.1 Microstructure of hollow Al2O3 bubble

表2為不同空心氧化鋁微球質量分數砂輪配方。金剛石微粉經酸洗和去離子水超聲清洗后，按表2準確稱量各組分，均勻混合。使用冷壓成形工藝壓制50 mm×5 mm×6 mm的長條試樣，60 ℃干燥12 h，燒結溫度為670 ℃，保溫時間為1.0 h，隨爐冷卻后用于研究空心氧化鋁微球對砂輪性能的影響。制備的長條試樣如圖2所示。將隨爐冷卻后的長條試樣粘在鋁基體上，制備成如圖3所示的6A2T 209×22.5×158×5×3.2的杯形砂輪。

表2 不同質量分數的空心氧化鋁微球砂輪配方Tab.2 Formula and the preparation parameters of grinding wheel specimens with different mass fraction of hollow Al2O3 microsphere

圖2 砂輪長條試樣Fig.2 Sintered specimen

圖3 陶瓷結合劑金剛石砂輪Fig.3 Ceramic bonded diamond grinding wheel

1.2 性能表征

將制得的砂輪長條試樣置于QT–1166型萬能材料試驗機上采用三點彎曲法測量其抗彎強度，壓頭的加載速度為0.5 mm/min，測量3次取平均值。在HR–150DT型電動落實硬度計上測定砂輪試樣硬度，硬度標準為HRF，初始載荷為98 N，最終載荷為588 N。在砂輪試樣上、下表面各選取5個點（四角及中心），共10個點，去除硬度最大值和最小值后取平均值。采用排水法測量試樣氣孔率。使用Nova NanoSEM430型掃描電子顯微鏡（SEM）和KEYENCE VHX-600E型超景深三維顯微鏡觀察工件和砂輪試樣斷面形貌。

使用DMG–6011V超精密磨床對制備的砂輪進行磨削性能測試，加工對象為直徑為152.4 mm的石英玻璃，砂輪轉速為3 200 r/min，進給速度為1×10-4cm/s，進給深度為5×10-3cm，去離子水為冷卻液。使用Mahrsurf XR20表面輪廓儀記錄磨削前后工件表面的粗糙度變化。使用激光共聚焦顯微鏡觀察工件三維形貌的變化。

2 試驗結果與分析

2.1 氣孔率

圖4為3種不同粒徑的空心氧化鋁微球質量分數對砂輪試樣氣孔率的影響。由圖4可以看出：隨著3種不同粒徑空心氧化鋁微球質量分數的增加，砂輪試樣的總氣孔率均有不同程度的上升。這是因為空心氧化鋁微球具有空心結構，相當于在砂輪中引入了空隙。基于此，空心氧化鋁微球能夠成為砂輪的造孔劑。砂輪中空心氧化鋁微球質量分數越高，引入到砂輪中的空隙越多，總氣孔率越高。

圖4 空心氧化鋁微球質量分數對砂輪試樣總氣孔率的影響Fig.4 Influence of mass fraction of hollow Al2O3 microsphere on the total porosity of grinding wheel specimens

由圖4還可以看出：向砂輪中加入相同質量分數的空心氧化鋁微球時，含0.2 mm的空心氧化鋁微球砂輪的總氣孔率略高于較大粒徑空心氧化鋁微球砂輪的。這種差異主要是因為當空心球質量相同時，粒徑越小的空心氧化鋁微球總體積越大，砂輪中的空隙就越多，氣孔率也會越高。

2.2 抗彎強度

圖5是空心氧化鋁微球對砂輪試樣抗彎強度的影響。從圖5可以看出：抗彎強度的變化趨勢與氣孔率相反，隨著空心氧化鋁微球質量分數的增大而降低。含3種不同粒度空心氧化鋁微球砂輪試樣的抗彎強度逐漸降低。這是因為砂輪試樣中空心氧化鋁微球的增多會使氣孔率提高，從而使抗彎強度降低。另一方面，在空心氧化鋁微球質量分數相同時，粒度越小的空心氧化鋁微球砂輪試樣的抗彎強度越低。這主要有2個方面的因素引起：一是因為砂輪試樣的抗彎強度主要取決于結合劑與金剛石、結合劑與空心氧化鋁微球之間結合強度的大小，粒度越小的空心氧化鋁微球，其總體積和數量越大，結合劑對空心氧化鋁微球包裹的體積和數量越大，這會使結合劑橋變細、強度降低，從而使砂輪試樣的抗彎強度降低；二是因為相同質量分數的空心氧化鋁微球，空心氧化鋁微球粒度越小，砂輪試樣的氣孔率越高，則砂輪試樣的抗彎強度越低。

圖5 空心氧化鋁微球質量分數對砂輪試樣抗彎強度的影響Fig.5 Influence of mass fraction of hollow Al2O3 microsphere on the flexural strength of grinding wheel specimens

2.3 硬度

圖6是空心氧化鋁微球對砂輪試樣硬度的影響。由圖6可以看出：隨著3種不同粒度空心氧化鋁微球質量分數增加，砂輪試樣的硬度均表現出降低的趨勢，且空心氧化鋁微球的粒度越小，硬度降低越顯著。這是由于砂輪試樣中空心氧化鋁微球的質量分數越高，砂輪試樣中的氣孔率也會提高，結合劑對金剛石和空心氧化鋁微球的把持力下降，硬度就會降低。另一方面，結合劑與金剛石比例不變，粒度越小的空心氧化鋁微球比表面積越大，結合劑需要包裹的總體面積就會增大，從而使結合劑對金剛石和空心氧化鋁微球的把持力降低，硬度自然會相較于較大粒度空心氧化鋁微球的低。

圖6 空心氧化鋁微球質量分數對砂輪試樣硬度的影響Fig.6 Influence of mass fraction of hollow Al2O3 microsphere on the hardness of grinding wheel specimens

2.4 微觀結構

圖7為3種不同粒度（0.2, 0.4, 0.6 mm）和不同質量分數（6.00%, 12.00%）的空心氧化鋁微球砂輪試樣的斷面微觀結構形貌。對比圖7a和圖7b、圖7c和圖7d、圖7e和圖7f可知：空心氧化鋁微球質量增加，砂輪試樣中氣孔數量增多；對比圖7a、圖7c、圖7e與圖7b、圖7d、圖7f，即當砂輪試樣中空心氧化鋁微球質量分數相同時，隨著空心氧化鋁微球粒度增加，砂輪試樣中氣孔減少、氣孔孔徑增大。這是因為，一方面當砂輪試樣中空心氧化鋁微球粒度不變而質量分數增加時，相當于在砂輪中引入了數量更多的空心微球，氣孔數量也會增加；另一方面是因為當砂輪試樣中空心氧化鋁微球質量分數相同時，粒度大的空心氧化鋁微球的數量相對變少、總體積小，氣孔數量少，氣孔的總體積小。這也從微觀結構方面證明了砂輪試樣總氣孔率的變化規律。

圖7 空心氧化鋁微球砂輪試樣的斷面微觀結構形貌Fig.7 SEM images of fracture surface of the grinding wheel specimens with hollow Al2O3 microsphere

2.5 磨削性能

根據上文所述的試驗條件，使用質量分數為10.00%的0.6 mm空心氧化鋁微球為造孔劑制備成品砂輪。由于空心氧化鋁微球造孔劑在砂輪中是通過自身破碎產生氣孔的，同時為了避免砂輪在磨削過程中堵塞和燒傷工件，需對制備好的砂輪進行修整。圖8a與圖8b分別為砂輪修整前后的微觀形貌圖，修整前的砂輪表面致密氣孔少；經過修整后，空心氧化鋁微球破裂，砂輪表面氣孔露出，這些氣孔在磨削過程中起到容屑和冷卻的作用。

圖8 砂輪修整前后表面微觀形貌Fig.8 Optical image of diamond grinding wheel before dressing and after dressing

圖9為空心氧化鋁微球在磨削過程中作用機理示意圖。如圖9a所示：在空心氧化鋁微球未破裂前，砂輪中的氣孔主要由磨料堆疊產生的孔隙組成，堆疊產生的氣孔大小和分布難以控制，無法滿足加工要求。如圖9b所示：磨削加工過程中，空心氧化鋁微球接觸被加工材料，微球壁磨損的同時起到輔助磨削的作用。且空心氧化鋁微球壁磨損程度加劇，微球壁破裂產生大氣孔，較大的氣孔能夠更好地發揮容屑、排屑和冷卻的作用。

圖9 磨削加工中空心氧化鋁微球作用機理示意圖Fig.9 Schematic illustration of the function of hollow Al2O3 microspheres in grinding process

圖10a與圖10b顯示了石英玻璃磨削前后表面微觀結構形貌的變化。石英玻璃磨削前后的表面粗糙度分別為0.511 3 μm和0.020 6 μm。且圖10b中的石英玻璃的表面主要以塑性去除為主。

圖10 石英玻璃磨削前后的表面微觀形貌Fig.10 Surface morphology of quartz glass before grinding and after grinding

圖11為石英玻璃磨削前后三維形貌圖。從圖11可以看出：磨削后的石英玻璃表面平整，表面質量得到明顯改善，與表面粗糙度檢測和SEM檢測結果相一致。

圖11 石英玻璃磨削前后三維形貌Fig.11 Three-dimensional morphology of quartz glass before grinding and after grinding

圖12為陶瓷結合劑金剛石砂輪磨削前后表面微觀形貌。由圖12a和圖12b可知：砂輪磨削前結合劑對金剛石磨料包裹緊密，金剛石磨料具有一定的出露高度；磨削后，由于結合劑的磨損和磨屑的填充，使金剛石磨料出露高度降低，但未發現結合劑的大面積脫落，也未見金剛石磨料明顯的脫落現象。

圖12 陶瓷結合劑金剛石砂輪磨削前后表面微觀形貌Fig.12 Microstructure of the surface of the vitrified bond diamond grinding wheel before grinding and after grinding

3 結論

研究空心氧化鋁微球粒度和質量分數對陶瓷結合劑金剛石砂輪的氣孔率、抗彎強度、硬度和微觀結構的影響，制備空心氧化鋁微球陶瓷結合劑金剛石砂輪，并測試其對石英玻璃的磨削性能，得出以下結論：

（1）隨著空心氧化鋁微球質量分數增加，砂輪的總氣孔率逐漸升高，砂輪的抗彎強度和硬度逐漸降低。當空心氧化鋁微球質量分數相同時，隨著空心氧化鋁微球粒度減小，砂輪的總氣孔率逐漸升高，抗彎強度和硬度逐漸降低。

（2）空心氧化鋁微球陶瓷結合劑金剛石砂輪可以實現對石英玻璃的磨削，石英玻璃的表面粗糙度由磨削前的0.511 3 μm降至0.020 6 μm。