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圖1為超硬陶瓷磨具的“磨粒-結(jié)合劑-氣孔”三角坐標(biāo)圖。圖中A區(qū)為普通陶瓷磨具制造范圍；C區(qū)為金屬超硬磨具的制造范圍；B區(qū)為超硬磨料陶瓷磨具合適的制造范圍。由圖可見(jiàn)，金屬超硬磨具氣孔率較小，結(jié)構(gòu)致密，而陶瓷結(jié)合劑超硬磨具含有較多的氣孔，氣孔所占體積分?jǐn)?shù)在10vol%～ 40vol%范圍內(nèi)。
常見(jiàn)的陶瓷結(jié)合劑超硬磨具主要有砂輪、油石、研磨條、磨盤(pán)和磨頭等。這些制品已在工具、汽車(chē)、軸承、機(jī)床、航天、軍工等行業(yè)中得到了不同程度的應(yīng)用。但是，國(guó)內(nèi)陶瓷結(jié)合劑超硬磨具目前的發(fā)展緩慢，產(chǎn)品質(zhì)量低，應(yīng)用效果不理想，而決定陶瓷結(jié)合劑磨具性能的關(guān)鍵是結(jié)合劑的性能。而結(jié)合劑性能的提高要求的燒結(jié)溫度較高，但由于金剛石的熱穩(wěn)定性不好，在溫度高于800℃的情況下，易發(fā)生氧化或石墨化等化學(xué)反應(yīng)；而CBN在高溫下將轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)石墨的六方結(jié)構(gòu)而失去其超硬性，并且在陶瓷結(jié)合劑中含有的起催熔作用的堿金屬氧化物(Na2O、K2O、Li2O等)會(huì)在800℃以上強(qiáng)烈腐蝕CBN。
為充分發(fā)揮超硬磨料的磨削潛力，解決問(wèn)題的思路之一是降低燒結(jié)溫度，但是降低燒結(jié)溫度往往意味著犧牲結(jié)合劑的強(qiáng)度，多年來(lái)，大家都在致力尋找這樣一種低熔高強(qiáng)的陶瓷結(jié)合劑，既能最大限度的發(fā)揮超硬磨料的磨削能力，又能保證結(jié)合劑的把持強(qiáng)度。
但利用傳統(tǒng)的方法比較困難，燒結(jié)溫度高、強(qiáng)度低，抗沖擊、抗疲勞性能差，為改善其性能及避免高溫對(duì)超硬磨料的傷害，將納米技術(shù)引入到陶瓷結(jié)合劑中，開(kāi)發(fā)研制出一種新型的納米陶瓷結(jié)合劑，以解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑存在的問(wèn)題。
隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷材料也隨之產(chǎn)生變化，由于它的粒度小、比表面積大，而表現(xiàn)出明顯的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及表面界面效應(yīng)，使之具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨(dú)特性能，如強(qiáng)度高、韌性好、燒結(jié)溫度低等。因而用納米粉進(jìn)行燒結(jié)，致密化的速度快、燒結(jié)溫度低，具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性。納米陶瓷燒結(jié)溫度約比傳統(tǒng)晶粒陶瓷低400℃ ～ 600℃，燒結(jié)過(guò)程也大大縮短。
基于納米材料的優(yōu)異特性，文中采用新型納米陶瓷結(jié)合劑，解決了陶瓷結(jié)合劑低溫高強(qiáng)的矛盾問(wèn)題，工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)踐證明，采用納米材料作為結(jié)合劑顯著降低了燒結(jié)溫度，大幅度提高了制品強(qiáng)度、韌性和耐磨性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好，并成功獲得了工業(yè)化應(yīng)用。
納米陶瓷材料，具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨(dú)特性能，而納米陶瓷粉體的制備方法有多種，一般可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類(lèi)。物理方法有蒸發(fā)-冷凝法、高效機(jī)械球磨法等；化學(xué)方法主要有化學(xué)沉淀法、化學(xué)氣相法、水熱法、溶膠-凝膠法、水解法、高溫蔓延合成法等。
納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑是在陶瓷結(jié)合劑基體中引入納米級(jí)的顆粒、片晶、晶須和纖維等第二相而形成的一種納米復(fù)合材料，在該材料中，至少一相為納米尺寸。其主要性能特點(diǎn)是：燒結(jié)溫度低，用于金剛石磨具的陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度800℃ ～ 850℃；用于CBN磨具的陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度850℃ ～900℃；結(jié)合劑抗折強(qiáng)度高于100MPa。具有良好的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性綜合性能。
低熔點(diǎn)高強(qiáng)度納米陶瓷結(jié)合劑適用于金剛石和立方氮化硼陶瓷砂輪，具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性好的特點(diǎn)。納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑分為有氣孔的A類(lèi)(氣孔率約為30% )結(jié)合劑及無(wú)氣孔的B類(lèi)結(jié)合劑兩種，如對(duì)氣孔率有特殊要求，可以單獨(dú)定制。納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑適用于各種粒度的超硬磨具制造。只需按照用戶(hù)對(duì)磨具粒度和濃度的要求，直接在結(jié)合劑中加入超硬磨料，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的混合、成型、燒結(jié)等工序即可制成各類(lèi)金剛石或CBN磨具，不需加入其它任何組分。
注意結(jié)合劑與超硬磨?；旌暇鶆颍炝蠒r(shí)間大于2小時(shí)。納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑燒結(jié)在空氣下進(jìn)行，不需要保護(hù)氣氛。金剛石磨具燒結(jié)溫度800℃ ～ 850℃；CBN結(jié)合劑850℃ ～ 900℃ 。為了防止軟化變形，成型塊可以埋在石英砂或剛玉粉中燒結(jié)。根據(jù)磨具尺寸大小保溫1～ 3小時(shí)。對(duì)于簡(jiǎn)單形狀及小尺寸磨具，可以隨爐升溫，隨爐冷卻；對(duì)于復(fù)雜形狀及大尺寸磨具，可以在升溫和降溫過(guò)程中，500℃～ 700℃區(qū)間設(shè)置保溫平臺(tái)。
該結(jié)合劑密度為2.68g /cm3。具體磨具的填料量，根據(jù)結(jié)合劑的量及超硬磨料的含量經(jīng)過(guò)理論計(jì)算初步確定，計(jì)算公式如下：d(理論密度)=1/[(結(jié)合劑重量百分比/2.68) (超硬磨料重量百分比/3.52)]成型壓力>30MPa；燒成收縮約10% ，取決于超硬磨料加入量及成型密度；請(qǐng)根據(jù)試驗(yàn)確定模具放尺。
由于納米材料的細(xì)粒度及極大表面積，外觀膨松，必須采用適當(dāng)?shù)膲褐乒に嚕@得較高的毛坯密度，從而提高燒結(jié)強(qiáng)度，減少燒成收縮。原料經(jīng)過(guò)混合后，加入一定量水或活性劑水溶液，混合均勻；填入模具中，以不同壓力壓制成40× 8× 4mm的試塊。測(cè)量毛坯密度和抗折強(qiáng)度。將毛坯在800℃空氣環(huán)境燒結(jié)1小時(shí)，隨爐冷卻，測(cè)量抗折強(qiáng)度；用體視顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察斷口顯微結(jié)構(gòu)。
各種粉末在成型壓制過(guò)程中，顆粒摩擦造成壓力損耗，壓坯各處的壓力分布是不均勻的，靠近壓頭的外表面壓力高，成型密度大，而壓坯芯部壓力小，成型密度低，這樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品密度不均勻，為了改善納米陶瓷結(jié)合劑粉體壓制性能，我們?cè)诜垠w中加入水及表面活性劑水溶液。水的加入，尤其是表面活性劑水溶液明顯提高了坯體的成型密度，這是因?yàn)樗氨砻婊钚詣┧芤涸诩{米粉體表面形成水化膜，在坯體壓制過(guò)程中起了潤(rùn)滑作用，減少了顆粒摩擦造成的壓力損耗。此外，毛坯抗折強(qiáng)度也隨著水的加入，尤其是表面活性劑水溶液的加入明顯提高，便于成型操作。
圖2是濕潤(rùn)劑及成型壓力對(duì)納米結(jié)合劑燒結(jié)體抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，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，燒結(jié)體抗折強(qiáng)度普遍高于100MPa。納米陶瓷結(jié)合劑與金剛石和CBN超硬磨料潤(rùn)濕性良好、結(jié)合力大，在燒結(jié)過(guò)程中與超硬磨料不發(fā)生反應(yīng)、不腐蝕損傷超硬磨料。
圖3是納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑與W5金剛石制成的超細(xì)陶瓷磨具的顯微結(jié)構(gòu)，由圖可見(jiàn)超細(xì)金剛石磨料與結(jié)合劑分布均勻、結(jié)合劑對(duì)金剛石微粉浸潤(rùn)良好。該納米陶瓷結(jié)合劑分為致密的和均勻氣孔型兩大類(lèi)；按照不同的應(yīng)用需要，經(jīng)過(guò)燒結(jié)之后，可以獲得近于無(wú)氣孔的致密制品和具有均勻分布的圓形氣孔，如圖4所示。
在納米陶瓷結(jié)合劑中引入造孔劑，可以獲得孔徑和數(shù)量可控的圓形氣孔，并且根據(jù)用戶(hù)要求氣孔率可以在大范圍調(diào)整，適合制備較大磨削接觸面積的工具，如拋磨工具等。目前，隨著我國(guó)先進(jìn)加工領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)陶瓷結(jié)合劑超硬工具的需求越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)超硬工具制品廠(chǎng)家正在積極開(kāi)發(fā)陶瓷結(jié)合劑金剛石和CBN工具，一些工具種類(lèi)已成功取代了昂貴的進(jìn)口工具。但是，國(guó)內(nèi)超硬工具制品廠(chǎng)家自行配制、融制?；沾山Y(jié)合劑，工序繁雜，影響結(jié)合劑性能的因素眾多，導(dǎo)致制品穩(wěn)定性差。
采用納米陶瓷結(jié)合劑，有一定工具制造基礎(chǔ)的廠(chǎng)家就可以直接使用，工藝和工序簡(jiǎn)化，投資少，極易上馬，有利于開(kāi)發(fā)出適合用戶(hù)自己市場(chǎng)特色的各類(lèi)工具。納米陶瓷復(fù)合結(jié)合劑適用于各種粒度，尤其是制造細(xì)粒度、微粉、精細(xì)磨削工具和刃磨工具，具有普通陶瓷結(jié)合劑不可比擬的優(yōu)勢(shì)。