第21卷第1期 超　硬　材　料　工　程V o l.21 2009年2月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G Feb.2009超硬材料磨具的研究和发展动态①万　隆(湖南大学材料学院,湖南长沙　410082)摘　要:文章在说明我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足进步的基础上,介绍了一些新材料、新生产工艺和新装备被引进我国超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了我国超硬材料磨具行业的发展和技术进步;并展望了磨具的发展方向。

关键词:超硬材料磨具;磨具结合剂;综述;磨具制备新工艺;磨具的发展方向中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)01-0040-03Research and develop i ng trends of superhard ma ter i a l gr i nd i ng toolsW AN L ong(Colleg e of M a teria l S cience and E ng ineering in H unan U n iversity,Chang sha410082,Ch ina)Abstract:B ased on the illu strati on of the great p rogress of the indu stry fo r sup erhard m a2terial grinding too ls w ith the rap id developm en t of Ch inese econom y and scien tific techno l2ogy,it has in troduced that som e new m aterials,new p roducing techn iques w ith new e2qu i pm en ts have been i m po rted to p roducti on and research of sup erhard m aterial grindingtoo ls in Ch ina,w h ich w ill p rom o te the developm en t of sup erhard m aterial grinding too lindu stry in Ch ina w ith its techn ical p rogress.T he develop ing trends of grinding too ls havealso been p ro sp ected.Keywords:sup erhard m aterial grinding too ls;grinding too ls b inder;review;new m anu2factu ring techn iques fo r grinding too ls;develop ing trends of grinding too ls 超硬材料磨粒最主要的用途是制备工具,而所制备的工具又以磨具为主,超硬材料磨具在超硬材料工具的总量中占80%以上。

近年来,随着我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足的进步,一些新材料、新生产工艺和新装备被引进超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了超硬材料磨具的发展。

近年来超硬材料磨具研究的热点有以下几方面:1　对磨具结合剂的研究在磨具中,结合剂的性能是决定磨具性能尤其是砂轮性能的主要因素之一。

1.1　微晶玻璃结合剂微晶玻璃与陶瓷相比,内部缺陷少,其中的结晶尺寸细小,因而强度高,并且微晶玻璃可以采用玻璃的制备工艺。

微晶玻璃有较低的熔点,能在700℃～850℃烧成,对磨料浸润性好,故比较适合作为c BN 砂轮结合剂使用,微晶玻璃结合剂中能形成大量微小的晶体,具有高耐磨、高抗拉强度等性能。

采用微晶玻璃作为砂轮结合剂的关键技术在于微晶玻璃的基础配方确定、晶核剂的选择以及二次晶化的条件控制。

基础配方决定了玻璃中是否能够形成晶体,是否能够对磨料有较好的浸润和较低的熔化温度;晶核剂主要起诱导结晶作用,对玻璃中产生的晶体数量及形成的晶体形态产生影响。

二次晶化条件主①收稿日期:2008-06-15作者简介:万　隆(1956-),男,教授,博士生导师,主要从事材料科学方面的科研和教学工作。

要是通过控制晶化温度和时间来调节玻璃中的成核数量和结晶尺寸的大小。

1.2　液相法制备结合剂近年来,采用无机非金属材料作为结合剂制备超硬材料磨具的应用发展较快,以往这些磨具通常采用的结合剂全部是天然或人工合成的固相材料,固相材料须经破碎加工成粉末才能作为结合剂使用,由于目前破碎技术的限制,机械破碎加工能够达到的颗粒细度是有限的,一般为几微米到十几微米。

较粗粒度的结合剂与磨料间的混合均匀性差,造成磨具烧结时间长,强度低等问题,并且进行精密加工或高粗糙度加工采用的磨料一般都是超硬材料微粉,结果往往是结合剂比磨料还粗,烧成后砂轮中形成的结合剂颗粒或晶粒较大,磨削加工时结合剂的颗粒或形成的结晶会对被加工部件产生划伤,满足不了高光洁度和高精密度部件的加工要求。

所谓溶胶-凝胶结合剂,是将结合剂的不同组分分别制备成溶胶和溶液,然后按比例混合后直接干燥,制备成结合剂;也可以将结合剂的不同组分按比例与磨料一起混合,然后制备成成型料,再压制成磨具;还可以将结合剂的不同组分按比例与磨料一起混合,然后将混合物原位形成凝胶,干燥后进行加工,制备成磨具坯体,即原位成型。

由于结合剂组分采用的都是液相材料,混合均匀程度可达到分子水平。

特别是由于溶胶-凝胶法制备的结合剂烧成前没有晶体,结合剂活性大,烧成温度低,烧成后的结合剂颗粒或晶粒非常细小、均匀,对磨料的包裹好、粘结强度高,并且结合剂在磨削中不会对工件产生划伤,所以溶胶-凝胶法是非常具有应用前景的制备细粒度、高质量磨具的方法。

溶胶结合剂砂轮制作的关键在于溶胶的制备和配比,并且在溶胶形成凝胶后的干燥和烧成过程中有较大的体积变化,造成大的变形量后容易引起缺陷的产生。

1.3　耐高温金属-树脂结合剂国内目前用于制备砂轮较多采用的是酚醛树脂,酚醛树脂具有价格较低,性能能达到一般使用要求的特点,但酚醛树脂耐温度一般只有摄氏两百多度,因而有树脂磨具不耐高温的说法,双马树脂虽然耐温达到三四百度,但双马树脂的价格较高,并且对磨料的结合强度不高。

德国w en ter公司生产的树脂和金属结合剂砂轮可在500℃～600℃温度下较长时间使用,制造出的金刚石砂轮磨具磨削效率高、耐用度好,磨具形状保持性好。

国内目前还没有开发出相应的树脂材料。

1.4　金属-陶瓷结合剂分别以金属或陶瓷为结合剂制备的磨具在应用中各有优缺点,金属结合剂超硬材料磨具耐用度和形状保持性好,强度高,但磨削效率低,难于修整;陶瓷结合剂超硬材料磨具效率高、好修整,形状保持性适中,但强度不稳定,太脆、易碎。

故将金属与陶瓷复合作为结合剂使用具有较好的应用前景。

目前该方向的研究已取得一定成效。

2　新工艺、新装备的开发2.1　等静压成型通常的砂轮成型采用金属材料制备的固定模具,由于成型时成型料与模具间的摩擦,使得砂轮坯体不同部位受到的压力不同,因而会造成砂轮整体密度和硬度差别,这种情况对于直径小、厚度大的砂轮更加明显,普通模压成型的直径500mm、厚度150mm的砂轮密度差达到0.1～0.6g c m3,硬度差可达1～3小级。

由于密度和硬度的差别,砂轮在使用过程中不同的部位表现出较大的差异,加工的工件几何精度、表面粗糙度和均匀性都将受到影响。

等静压成型采用弹性模具,成型时砂轮坯体不同方向和部位受到的压力基本相同,因而密度差别很小,一般直径500mm、厚度150mm的砂轮密度可控制在0.02～0.05g c m3范围内,硬度差可控制在0～0.5小级范围内,并可大大降低砂轮的不平衡度。

目前工业中已经应用的等静压有水袋或橡胶压板法、橡胶模套二次成型法等。

2.2　溶胶-凝胶法磨料表面涂覆溶胶-凝胶方法主要适应于超硬磨料的表面处理,部分取代金刚石或立方氮化硼表面电镀金属或合金。

采用溶胶-凝胶方法在金刚石或立方氮化硼表面涂覆一层A l2O3、Si O2、T i O2等材料的单一的、复合的或具有梯度功能的涂层,使得金刚石或立方氮化硼能够更好地与结合剂结合,提高磨具的强度和耐用度。

由于溶胶-凝胶方法较电镀法相比具有无污染、节能和高效率的特点,将在很大程度上取代目前采用的电镀工艺。

2.3　微波烧结技术微波烧结具有内外同步加热的效果,因而具有烧成温度均匀,磨具内部的热应力小、色泽均匀、强度高、烧成速度快等优点。

但国内目前还不能够生产大功率的微波烧结炉,因而微波烧结技术还只限于实验室试验,实际生产中还没有推广。

2.4　超硬磨料的表面处理超硬磨料的表面处理主要有偶联剂和镀衣处理。

偶联剂主要有有机硅烷,可用于树脂结合剂固结磨具,其作用是提高树脂与磨料的结合强度,从而提高砂轮的整体强度和砂轮的耐用度。

有实验表明:通过偶联剂的使用,树脂结合剂砂轮的强度可提高15%～20%,耐用度可提高20%～30%。

超硬磨料镀衣是在磨料表面涂覆一层无机材料,并在600℃～750℃温度下进行处理,通过这一措施可修补磨料本身的一些缺陷,同时也可达到与偶联剂相同的作用,即提高结合剂与磨料的结合力。

用镀衣处理的磨料制备的涂附磨具耐用度可提高30%～50%。

2.5　金刚石和立方氮化硼涂附磨具由于一些特殊应用要求,近年来,使用金刚石和立方氮化硼磨料制成的砂带、砂布、磨片和可弯曲磨盘也有较大发展。

3　磨具的发展方向3.1　高磨削速度磨具的研发高速度才能有高效率,高质量。

主要基于砂轮强度的问题,国内磨削使用速度一般树脂砂轮在100m s以下,陶瓷结合剂砂轮在120m s以下,而国外磨削使用速度树脂结合剂砂轮达到140m s,陶瓷结合剂砂轮达到160m s。

3.2　超硬磨料在很多领域逐步代替普通磨料中国人造金刚石产量居世界第一,大量出口,价格低(0.2～0.5元 克拉);近年来我国立方氮化硼产量也大幅度增加,自用有余;并随着加工领域对磨具的要求提高,采用普通磨料制备的磨具已不能满足使用要求。

因此,立方氮化硼取代白刚玉等磨料,金刚石取代碳化硅磨料在很多方面得到应用。

特别值得一提的是陶瓷地板砖生产领域,目前广泛采用菱苦土结合的碳化硅磨块,近一两年内很有可能被金刚石磨块取代。

3.3　高性能磨具的研发我国金刚石磨料的产量,每年的出口量也非常大,但高性能的超硬磨具每年进口量也非常大,特别是高效率、高精密度、高磨削速度磨具主要还依赖进口,如数控磨床精密加工刀具用的砂轮,特别是陶瓷结合剂的金刚石和立方氮化硼砂轮,因此开发这一类磨具非常重要。