CBN磨具陶瓷结合剂

目录

摘要 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 1 1．前言 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 1 2.CBN磨具陶瓷结合剂性能 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 2 2.1耐火度 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 2 2.2本征强度 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2.3热膨胀系数 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2.4润湿性 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃3. 目前的制约因素 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃4．CBN砂轮结合剂的分类 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃4.1树脂结合剂CBN砂轮 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃4.2金属结合剂CBN砂轮 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃4.3陶瓷结合剂砂轮 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃5、CBN磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用 〃〃〃〃〃〃〃6、CBN陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响 〃〃〃〃〃〃〃〃7、金属Ａｌ粉对ＣＢＮ磨具陶瓷结合剂性能的影响 〃〃〃〃7．1、不同烧成温度下Ａｌ粉对磨具强度的影响 〃〃〃〃〃〃8、应用推广的前景 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9.结束语 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10.参考文献: 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 2 3 4 5 5 6 6 7 8 9 9 9 10 11 12

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CBN磨具陶瓷结合剂

摘要 本文简单概述了CBN的结构与性能特点，对近年来有关CBN砂

轮陶瓷结合剂的研究进展作了较详细的综述，指出了低熔点、高强度陶瓷结合剂是CBN砂轮陶瓷结合剂的发展趋势，阐述了CBN砂轮陶瓷结合剂实质上就是碱硼硅玻璃结合剂，其中硼酸盐系结合剂因具有低熔点、高强度的特性，使之成为了研究的重点。还介绍了玻璃的特性，和陶瓷结合剂的简介以及玻璃结合剂的特点及加工工艺。 关键词 立方氮化硼（CBN）;陶瓷结合剂;纳米氧化物;

1．前言

随着我国政治稳定，经济建设快速发展，作为世界制造业中心的地位日益凸现。如何逐步缩小与世界工业发达国家的差距，使经济增长由资源消耗型加速转变为高效节能型上来，走一条具有中国特色的，可持续发展的道路。就磨削领域来说，陶瓷结合剂CBN磨具所具有的高质量、高精度、高效率、低消耗、低成本、低污染、自动化程度高等优异性能，是其他磨削工具无法比拟的。保护环境是我们的基本国策，陶瓷结合剂CBN磨具，从它的原材料生产过程，磨具的制造过程，磨具的使用过程，对资源和能源的消耗都是极低的，属于节能型的高科技产品，非常适合我国现阶段及长远发展。在工业发达国家，陶瓷结合剂磨具的应用发展非常迅速，每年都以40％以上的速度增长。但是据不完全统计，我国的增长速度仅为20％左右，因此，我国的陶瓷CBN磨具拥有广阔的发展空间。

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2.CBN磨具陶瓷结合剂性能

2.1耐火度

高温下结合剂保持固相而不转变成液相的能力叫做结合剂的耐火度。在结合剂粒度一定的情况下,结合剂的耐火度由其化学组成所决定。一般的CBN陶瓷结合剂中,都以铝氧八面体和硅氧四面体构成其基本的空间网络结构。当加入一定量的碱金属氧化物时,构成R2O-Al2O3-SiO2系玻璃,结合剂的耐火度随R2O含量的增加而改变。将R2O引入结合剂中,R2O提供了“自由氧”,部分“自由氧”将会与硅氧四面体网络中的硅成键,断开了硅与硅之间的“桥氧键”,破坏了硅氧三维网络结构,因此,降低了结合剂的耐火度。同时,由于结合剂中还存在着铝氧八面体,它们倾向于夺取R2O中的自由氧而变成铝氧四面体。因此,当R2O含量较低、Al2O3含量较高时,大部分自由氧被铝氧八面体夺取,与硅成键的“自由氧”相对减少,耐火度下降较慢。 2.2本征强度

因为陶瓷结合剂CBN磨具制备成本较高,因此,需要较高的使用寿命才能满足用户对性价比的要求。这就要求陶瓷结合剂本征强度要高,对磨料的把持力大。为了满足CBN陶瓷结合剂低熔点的要求,通常加入大量碱金属氧化物。但是,当结合剂中碱金属氧化物含量过高时,会降低结合剂的强度。目前,常用的CBN陶瓷结合剂多数为B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃,在该体系中,单纯地引入B2O3时,B2O3为三

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角体,呈现为层状或链状结构,其强度很低,导致结合剂力学性能下降。当引入R2O,构成R2O-B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃时,R2O将为硼氧三角体[BO3]提供自由氧,使其由原来的层状和链状结构转变为硼氧四面体[BO4],R2O同时为Al2O3中的Al3+提供自由氧,使Al3+变为4次配位,而处于铝氧[AlO4]四面体中。[BO4]、[AlO4]可以与[SiO4]相连,共同构成三维网络结构,硼氧四面体和铝氧四面体的体积都比硅氧四面体小,因此,[BO4]、[AlO4]参与构成的三维网络,要比单纯的[SiO4]构成的网络结构更加致密,力学性能得到提高。结合剂中1mol的R2O可以提供1mol的“自由氧”。如果想将结合剂中的硼氧角体和铝氧八面体都转变为四面体,则结合剂中R2O与B2O3和Al2O3的摩尔比需满足下式[12]:R2OB2O3+Al2O3≥1当R2O/(B2O3+Al2O3)的摩尔比为1时,强度最高,此时绝大部分B2O3和Al2O3都转变为四面体参与网络构成,因此,强度最高,当R2O含量进一步提高时,多余的自由氧将会破坏结合剂中的网络结构,使结合剂力学性能下降。另一方面,在结合剂中,R2O中的阳离子是作为网络变性体填充在三维网络的间隙中,如果结合剂中存在两种半径差异较大的R+,那么,结合剂网络的间隙将会被R+填充得更加充分,结构更加致密,力学强度会大幅度提高。

2.3热膨胀系数

CBN的热膨胀系数在2.1×10-6～2.3×10-6之间,结合剂的热膨胀系数略高于CBN的热膨胀系数,在磨具使用过程中,结合剂的膨胀率略

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大于磨粒的膨胀率,结合剂与磨粒之间产生压应力,加大了结合剂对磨粒的把持力,使磨粒不易脱落,提高了磨具的硬度。CBN陶瓷结合剂中多为玻璃相。因此,陶瓷结合剂的热膨胀系数主要受其玻璃相的影响。玻璃的热膨胀系数决定于玻璃相中各种阳离子和氧离子之间的吸引力,吸引力越大,热膨胀越小;反之则越大。硅氧四面体构成结合剂的基本三维网络结构,Si-O的键力较大,不易膨胀,当引入一定量的碱金属氧化物时,由于R-O较弱,结合剂中原子间结合力减弱,结合剂的热膨胀系数也就随之增大。同时,玻璃的热膨胀系数还与碱金属的离子半径有关:碱金属离子的半径越大,原子间的结合力就越小,结合剂膨胀系数也就越大。其对结合剂热膨胀系数的影响次序为:Rb2O>Cs2O>K2O>Na2O>Li2O其次,结合剂中的成分在结合剂网络结构中的作用也影响结合剂的热膨胀系数。 2.4润湿性

结合剂的润湿性是指结合剂在磨粒表面的铺展情况。如果结合剂的润湿性很差,则结合剂不能很好地铺展在磨粒表面,也就不能很好地包裹磨粒,造成结合剂对磨粒把持力的下降。宏观上表现为,烧成的磨具容易脱粒,磨具的硬度降低。结合剂润湿性好,不仅能够降低砂结比,而且制成的磨具强度高,硬度大,能有效提高磨具性能。因此,一般烧熔结合剂都要求其润湿性要好。碱金属的润湿性受其原子半径影响。半径越小,润湿性越好,其润湿效果为:Li>Na>K,但是,由于含Li的玻璃容易析晶,晶粒会降低结合剂的流动性,因此含Li的结合剂润湿性

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反而不好.

3. 目前的制约因素

陶瓷结合剂CBN磨具在使用过程中，由于它需要磨削的精度高、转速高、产品单价高的特点，因此在使用过程中对修整器和磨削液的选择必须注意几个问题：磨具修整余量的控制，磨具几何形状的保持，修整间隙的确定等技术参数。磨削液的选择：应注意把握好磨削液中的化学成分。因为陶瓷结合剂CBN磨具在磨削的过程中需要大量的磨削液循环工作。磨削液不能与砂轮发生化学变化，要有快速冷却工件的功能，冲刷被磨削下来的废屑，不能腐蚀被磨削的工件。只有这样才能有效提高磨具的使用寿命，充分体现磨具的效益。我国陶瓷结合剂CBN磨具的开发始于20世纪70年代末，与工业发达国家相比并不算晚，但由于陶瓷结合剂CBN磨具技术含量高、研发费用大，各方面对它的重视程度不够，研发的积极性不高，经费严重不足，拉大了与工业发达国家CBN磨具应用的差距。我国数控磨床的工艺和技术的整体水平不高，数控磨床的精度、转速等相关的参数不完备也是一大牵制因素。

4．CBN砂轮结合剂的分类

CBN磨料制作的砂轮，根据不同的加工工艺和所用不同成分的结合剂

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可分以下几种。 4.1树脂结合剂CBN砂轮

树脂结合剂CBN砂轮：是最早出现的CBN砂轮，且目前用量最大。一般以酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚胺酯树脂等高性能树脂和一些新型树脂为结合剂。主要应用于高钒高速钢刀具、不锈钢量具、工具钢和模具钢以及耐热合金工件的半精磨和精磨，铸铁、轴承钢的珩磨。树脂超薄砂轮切削一般钢材具有切割效率高，被切材料消耗少的优点。但也有很多缺点：

(1)耐热性差。由于CBN的导热系数高，树脂结合剂CBN砂轮在加工工件时，树脂结合剂中就会储存大量的热，导致树脂的热老化，从而降低了结合剂对磨粒的把持力，使部分CBN未充分发挥作用就过早脱落表现为砂轮不耐磨。

(2)干磨过程中常出现龟裂、掉块、甚至脱环现象。 (3)在砂轮的使用和制造过程中，经常发出难闻的臭味。 4.2金属结合剂CBN砂轮

金属结合剂CBN砂轮：一般用青铜作为结合剂，其结合能力高于树脂结合剂。因而砂轮强度高、使用寿命长、成本低。磨削SKD-11模具钢时，磨削比是树脂结合剂CBN砂轮的4倍，磨削奥氏体不锈钢，磨削比是树脂结合剂CBN砂轮的15倍。但金属结合剂CBN砂轮由于气孔率低，在磨削过程中产生的磨削很难及时排除，因而工件与砂轮之

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间产生大量的热不能因磨屑的及时排出而被迅速带走，导致工作表面烧伤和砂轮交形。同有机结合剂相比，金属结合剂砂轮的切削能力较低，这就降低了生产过程的高效性，并限制了金属结合剂的使用范围。 4.3陶瓷结合剂砂轮

陶瓷结合剂CBN砂轮的优越性:在陶瓷结合剂CBN砂轮中，CBN磨粒与结合剂形成化学键结合，因此结合剂对CBN的把持力很强。陶瓷结合剂具有剐性、耐热性高，所把持的磨粒磨削刃切入被磨削工件时没有后让。而且，砂轮本身不会由于热和离心力造成变形，因而砂轮的形状保持性好，能进行高精度的精密加工。砂轮气孔率高，有足够的容屑和排屑空间，切自4刃锋利，磨削力小，使得工件与砂轮之间的温度低，能消除残余拉应力而产生残余压应力，从而避免了工件表面的烧伤，增加了零件的疲劳寿命，使工件耐用度提高30％-50％。切削性能好，磨削效率高，磨削比大，与普通砂轮相比，有时高达200多倍。例如，FAG公司的CBN砂轮的磨削比G>3000。砂轮易于整形与修锐，只需修整一次就可以使用到砂轮耗尽。使用寿命长，FAG公司的CBN砂轮寿命长达6000件，是普通刚玉砂轮的600倍。陶瓷结合剂CBN砂轮与其它结合剂砂轮相比，不仅具有切削锋利，磨削力小，生产效率高，使用寿命长，易于整形与修锐，磨削精度高等优点，而且还具有磨削温度低，能消除残余拉应力而产生残余压应力，使工件耐用度提高也对超高速砂轮的强度及基体优化进行了研究，总之，高速、高效，甚至超高速磨削是陶瓷结合剂CBN砂轮的发展趋势。

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5、CBN磨具陶瓷结合剂在超硬工具上的应用

各类超硬工具是由结合剂和超硬磨料颗粒形成的复合材料。由于复合材料的基体与增强颗粒具有不同的热膨胀系数,所以容易在基体-颗粒界面产生应力,这是复合材料领域众所周知的问题。因此在材料设计方面,有意识地调整和控制界面应力是获得复合材料良好性能的重要手段之一。在超硬材料工具这种特殊的复合材料中,金刚石和立方氮化硼是强共价键结合的晶体,具有比金属、树脂和陶瓷结合剂低的热膨胀系数,故在烧结超硬工具的冷却过程中,超硬颗粒的收缩小于结合剂的收缩,故在结合剂中产生拉应力。传统的超硬材料工具以金属和树脂结合剂为主,由于金属和树脂具有良好的塑性和韧性,产生的拉应力远小于其抗拉强度极限,并且通过一定的塑性变形可以缓解和松弛应力;但是对于脆性的传统陶瓷结合剂来说,由于其抗拉强度比较小,没有塑性,内部分布的拉应力会对陶瓷结合剂的强度造成严重损害,使结合剂与超硬磨粒界面处易产生微裂纹,甚至烧结块碎裂造成工具废品。因此研究结合剂-磨料界面应力的分布规律,缓解或消除界面应力,对陶瓷结合剂超硬磨具的大范围应用具有举足轻重的意义。本文研究了磨料粒度对磨料-陶瓷结合剂界面应力的影响。同时,为改善传统陶瓷结合剂的抗拉性能,减轻颗粒-结合剂界面应力及避免高温对超硬磨料的伤害,我们将纳米技术引入到陶瓷结合剂中,在陶瓷结合剂基体中引入纳米级的颗粒、片晶、晶须和纤维等第二相,开发研制出一种新型的纳米陶瓷结合剂,降低超硬磨具的烧结温度,

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缓解磨料-传统陶瓷结合剂界面应力问题。

6、CBN陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响

（1）在一般陶瓷结合剂中增加硼玻璃，能达到提高结合剂强度的目的；在试验范围内，随着硼玻璃含量的增加，“8”字块的抗拉强度和砂轮的平均破裂速度也提高；

（2）在结合剂中其它成分含量相同的情况下，长石中钾长石、钠长石同时存在，且钠长石按0%、35%、50%依次增加，砂轮的平均破裂速度逐步增大，当钠长石和钾长石各占50%时，砂轮的平均破裂速度达到最高值。

7、金属Ａｌ粉对ＣＢＮ磨具陶瓷结合剂性能的影响

磨具磨削锋利、磨削力小，磨具容易修整修锐，磨具本身自锐性能很好，但由于陶瓷ＣＢＮ磨具的脆性大，韧性差，这就使得陶瓷ＣＢＮ磨具在高速、超高速磨削领域的应用受到一定的限制。性能良好的结合剂是制备优质磨具的主要因素之一。为实现陶瓷结合剂ＣＢＮ磨具在高速、超高速磨削领域的应用，必须改善陶瓷结合剂ＣＢＮ磨具韧性差的特点。

7．1、不同烧成温度下Ａｌ粉对磨具强度的影响

在不同的烧成温度下，添加Ａｌ粉陶瓷结合剂ＣＢＮ磨具抗弯强度均比未添加Ａｌ粉的陶瓷结合剂ＣＢＮ磨具抗弯强度高；７８０℃烧成

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