纳米陶瓷结合剂研究进展

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1、纳米陶瓷结合剂的研究进展0引言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[1-3]，按照结合剂种类划分超硬材料工具，主要分为金属、树脂、陶瓷结合剂三个大的类别。在各类超硬工具结合剂中，金属结合剂对磨粒的把持性好，强度高，韧性好，但自锐性差，气孔率低，修整困难，尤其是在加工金属材料时，容易发生工件黏着、烧伤和工具堵塞的情况。树脂结合剂自锐性能良好，不易堵塞，很少修整，磨削效率较高，磨削温度较低，而且本身具有一定弹性，能起抛光作用，但耐热性差，在磨削过程中产生的大量的热容易导致树脂软化或分解，致使其黏结力下降，造成昂贵的磨料还没有完全发挥作用就大

2、量脱落。陶瓷结合剂是目前应用日益广泛的一种结合剂，其性能介于金属结合剂和树脂结合剂之间，特别是陶瓷结合剂磨削超硬磨具中具有较多的气孔，有利于冷却、容屑和排屑，故磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，能够很好地满足难加工材料磨削和高效磨削的需要。长期以来，金属和树脂结合剂的超硬材料工具占据市场的主流，但是随着我国先进加工制造领域的快速拓展，对陶瓷结合剂超硬材料工具的需求越来越大。传统的陶瓷结合剂虽然有上述很多优点，但是如何生产出气孔可控，低熔高强，适用于全粒度的微粉超硬工具的陶瓷结合剂以及如何缓解因为结合剂和磨料的热膨胀系数不同而引起的界面应力问题，一直是人们

3、努力的方向。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷材料应运而生。由于它的粒度小，比表面积大，表现出明显的小尺寸效应、量子尺寸效应以及表面界面效应，使之具有不同于传统陶瓷的独特性能，如强度高[4]、韧性好[5]、烧结温度低等。因而用纳米粉进行烧结，致密化的速度快，烧结温度低，具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性。纳米陶瓷烧结温度约比传统陶瓷低400℃~600℃[4]，烧结过程也大大缩短，也很好的缓解了结合剂和磨料的界面应力问题。同时，也生产出了气孔可调，适合于全粒度的微粉超硬工具的纳米陶瓷结合剂。本文主要将陶瓷结合剂工作者在如何生产出气孔可调，低熔高强

4、，适用于全粒度的微粉超硬工具的陶瓷结合剂以及如何缓解因为结合剂和磨料的热膨胀系数不同而引起的界面应力问题这方面的研究加以概述，以更好的展示纳米陶瓷结合剂的优良特性。1传统陶瓷结合剂所存在的问题分析1.1陶瓷结合剂超硬磨具的气孔控制问题运用陶瓷结合剂所生产的超硬磨具是由陶瓷结合剂，超硬磨料和气孔组成，其结构示意图如图1所示。陶瓷结合剂具有高硬度因而具有耐磨性，同时具有脆10性的特点，因而又具备良好的自锐性。此外不像金属结合剂是无气孔的，陶瓷结合剂可以根据需要制作不同的气孔率，来满足不同加工条件对磨削冷却和排屑的要求。图1陶瓷结合剂磨具结构示意图图2“磨

5、粒-结合剂-气孔”三角坐标网如图2为超硬陶瓷磨具的“磨粒一结合剂一气孔”三角坐标网。图中A区为普通陶瓷磨具制造范围；B区为超硬材料磨料陶瓷磨具合适的制造范围；C区为金属超硬材料磨具的制造范围。由图2可见，金属超硬磨具气孔率较小，结构致密，而陶瓷结合剂超硬材料磨具含有较多的气孔，气孔所占体积分数在(10-40)vol范围内。在陶瓷结合剂工具中形成的气孔从结构方面来讲分为理想气孔和不理想气孔。不理想的气孔形状为非圆形，呈尖角形状，同时气孔的尺寸分布不均匀，有太多的细小空隙，这样的气孔不能起到容屑、断屑、贮存冷却液、润滑剂的作用，对结合剂的强度损害很大。这

6、样的气孔是由于采用了低的成型密度或者加入了不合适的造孔剂而导致的。而理想的气孔呈圆形，对结合剂强度的影响最小，并且气孔的形状和尺寸均匀，使得气孔能最大效率地发挥容屑、断屑、贮存冷却液、润滑剂的作用。对于传统陶瓷结合剂来讲，其致密化程度较低，气孔不易控制，形成的不理想气孔较多，且分布不均匀，这一缺陷的存在严重影响着磨具的工作。1.2陶瓷结合接和超硬磨料的热膨胀应力问题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[6-8]，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

7、缩，故在结合剂中产生拉应力，如图3所示。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10剂超硬磨具的大范围应用具有举足轻重的意义。图3超硬工具颗粒-结合剂界面应力分布示意图为改善传统陶瓷结合剂的

8、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