鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

天鑒碳材料有限公司 張洪濤

中國(guó)超硬材料網(wǎng) 李旭銅

       1. 引言 
       固結(jié)磨料加工作為新興的超精密加工技術(shù)之一，在很多難加工材料加工中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，如何提高石英玻璃加工效率和表面質(zhì)量。堆積磨料即通過(guò)特殊的造粒方式，用高強(qiáng)度粘結(jié)劑把細(xì)顆粒磨料粘結(jié)起來(lái)，使其形成一個(gè)獨(dú)立的組合體，這種組合體通常也具有磨具的三要素——磨料、結(jié)合劑和極細(xì)小孔，可將其稱(chēng)之為一種微型磨具。

       堆積磨料根據(jù)結(jié)合劑種類(lèi)的不同分為兩種，分別是陶瓷結(jié)合劑堆積磨料和有機(jī)結(jié)合劑堆積磨料。堆積磨料從外觀上看是一個(gè)個(gè)粗大的磨粒，而實(shí)際上每個(gè)大磨粒都包含了許多微細(xì)的磨料顆粒。因此，堆積磨料由于其堆積效果在磨削過(guò)程中不斷有鋒利的切削刃產(chǎn)生，所以具有較長(zhǎng)的壽命和對(duì)材料均勻一致的切除率，并能得到較好的工件表面質(zhì)量。圖1為近球形堆積磨料結(jié)構(gòu)示意圖。

堆積磨料的造粒原理與其他行業(yè)物質(zhì)造粒略有不同。磨料因其本身形貌與性質(zhì)決定，固體粒子間的吸引力相對(duì)較小，顆粒與顆粒之間產(chǎn)生堆積主要來(lái)自可自由流動(dòng)液體產(chǎn)生的表面張力和毛細(xì)管力和不可流動(dòng)液體產(chǎn)生的粘接力，在粒子之間形成固體橋。使用某些特殊的造粒方法，還可以使堆積磨料產(chǎn)生粒子間機(jī)械鑲嵌，這樣可以提高顆粒本身的機(jī)械強(qiáng)度，從而提升性能。細(xì)節(jié)如圖2所示，（A）為造粒原料表面附著液層相連接；（B）為造粒原料通過(guò)固體橋連接；（C）為造粒原料之間的機(jī)械鑲嵌。

2. 固結(jié)磨粒研究過(guò)程
       1935年RaymondC等人分別以金屬樹(shù)脂陶瓷為結(jié)合劑制備了金剛石類(lèi)多晶磨料，每個(gè)多晶磨粒中有10--40粒微米級(jí)的金剛石，并將這種金剛石類(lèi)多晶磨料應(yīng)用于砂輪。金屬結(jié)合劑類(lèi)多晶磨料的自銳性差，在磨削過(guò)程中易粘連金屬，因而不實(shí)用。陶瓷結(jié)合劑類(lèi)多晶磨粒的自銳性高，但是由于陶瓷結(jié)合劑脆性較大，只有用于彈性較好的樹(shù)脂結(jié)合劑磨具時(shí)才能獲得較好的磨削比和磨削效率。

       1997年RobertBenguerel制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石或CBN類(lèi)多晶磨料應(yīng)用于樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪，并提出樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪中每個(gè)類(lèi)多晶磨粒都相當(dāng)于一個(gè)微型砂輪，相互獨(dú)立的起著磨削作用。為解決超硬材料類(lèi)多晶磨料制備難題，經(jīng)過(guò)學(xué)者們的不懈努力，終于設(shè)計(jì)出類(lèi)多晶磨料專(zhuān)用造粒設(shè)備，如圖3所示。

       近年來(lái)，陶瓷結(jié)合劑類(lèi)多晶磨料在磨具中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，BretW，Ludwig將陶瓷結(jié)合劑金剛石類(lèi)多晶磨料用于非織造布涂覆磨具中，每個(gè)磨粒在特定位置起磨削作用，極大的提高了磨具的磨除率。BruceASvente制備陶瓷結(jié)合劑金剛石類(lèi)多晶磨料并設(shè)計(jì)一種新型的具有柔性研磨面的磨頭，在磨削玻璃時(shí)，有效解決了玻璃崩邊的問(wèn)題。

       2011年于艷妍采用粉末燒結(jié)法制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石類(lèi)多晶磨料，探索了R2O-B2O3-SiO2體系低溫陶陶結(jié)合劑及特定添加劑對(duì)類(lèi)多晶金剛石磨料的影響，并探索了類(lèi)多晶金剛石磨料的制備工藝參數(shù)。2012年天津大學(xué)趙佳碩對(duì)金剛石類(lèi)多晶磨料用結(jié)合劑及其制備工藝進(jìn)行了更進(jìn)一步的探索。2018年劉菊等采用反相微乳液法制備了球形陶瓷結(jié)合劑，獲得了球形度較好的金剛石類(lèi)多晶磨料。隨著類(lèi)多晶磨料制備工藝的日趨成熟，類(lèi)多晶磨粒的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，目前國(guó)內(nèi)在砂帶，固結(jié)磨料研磨墊，拋光液等方面開(kāi)始使用類(lèi)多晶磨料產(chǎn)品，其高效磨削機(jī)制也不斷被完善。

       3. 制備方法的多樣性 

       3.1預(yù)燒結(jié)破碎法

       預(yù)燒結(jié)破碎法制備類(lèi)多晶磨料，一般采用樹(shù)脂或低溫陶瓷為結(jié)合劑。先將結(jié)合劑與磨料混合，加入臨時(shí)粘結(jié)劑，壓制成型，低溫干燥使其具有一定的強(qiáng)度，隨后破碎篩分成所需粒徑類(lèi)多晶磨料。類(lèi)多晶磨料中粘結(jié)劑的體積含量為20%--75%.粒徑為200#--16#，形狀可為球形，條形，近球形等。采用粉末燒結(jié)法制備類(lèi)多晶磨料，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，可制得粒徑較大的類(lèi)多晶磨料，但是此方法造粒球形度不好，粒徑控制不易，磨料得率低。

       3.2滾粒法

       將物料加入一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒中，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)使得物料在滾筒中流動(dòng)，然后噴入一定量的粘結(jié)劑溶液使得物料相互黏結(jié)而成為顆粒，就得到球形堆積磨料，繼續(xù)滾動(dòng)會(huì)使得顆粒具有一定的粒度和強(qiáng)度。

       滾粒法制備球形堆積磨料的工藝流程主要分為以下幾步，分別為配料，混料，滾粒，固化，篩分。滾粒在混料機(jī)中進(jìn)行，滾筒使得物料具有流動(dòng)性，然后噴入臨時(shí)粘結(jié)溶液，當(dāng)臨時(shí)粘結(jié)劑達(dá)到一定量時(shí)，物料開(kāi)始粘結(jié)成粒，隨著溶液量的加入，顆粒直徑迅速增大，此時(shí)根據(jù)所需粒度要求停止加入粘結(jié)劑溶液。

       從圖5. 圖6可以看出球形堆積磨料形狀為等積形，顆粒形狀均勻，粒度集中。

       滾粒法制備的類(lèi)多晶磨粒，工藝簡(jiǎn)單，球形度好，但粒度不均勻且較大，制造成本較高1。

       從圖7中可看出，滾粒法制備的堆積磨料的粒度主要集中在12--30mesh之間，因此滾粒法制備的堆積磨料粒度很集中，加以過(guò)篩處理，便可以得到更加集中的球形堆積磨料顆粒。

       3.3壓力噴霧干燥法

       噴霧干燥法主要用于陶瓷結(jié)合劑類(lèi)多晶磨料制備，其結(jié)合劑可以分為低溫陶瓷結(jié)合劑干粉或鋁溶膠與酸性硅溶膠混合溶膠。以低溫陶瓷干粉為結(jié)合劑，先將陶瓷結(jié)合劑與磨料混合均勻，加去離子水制成合適濃度的料漿，用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴霧造粒。以混合膠溶為結(jié)合劑，采用溶膠凝膠法將磨料、溶膠、輔料混合成溶膠，用噴霧干燥機(jī)造粒，噴霧壓力為0.3~0.5MPa，干燥溫度為200℃~220℃。噴霧干燥法制備類(lèi)多晶磨料是目前機(jī)械化程度最高，工藝最成熟的方法，采用此法制備的類(lèi)多晶磨粒球形度好，粒度均勻且可以控制，尤其是在細(xì)粒度類(lèi)多晶磨料的制備中起了不可替代的作用，但噴霧干燥設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，很難大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

       3.4反相微乳液法

       反微乳液法制備球形金剛石堆積磨料就是將金剛石分散在硅溶膠中，再將混合漿料緩慢加入高速攪拌的微乳液體系中，在微乳液體系中混合料漿會(huì)自發(fā)的分散成無(wú)數(shù)個(gè)球形液滴，充分?jǐn)嚢韬螅@些球形液滴中的硅溶膠會(huì)與微乳液體系中的無(wú)水乙醇和異辛醇發(fā)生反應(yīng)形成球形凝膠顆粒，與此同時(shí)金剛石也均勻的分布在凝膠顆粒中，這些凝膠顆粒經(jīng)過(guò)干燥和高溫煅燒后，異辛醇等有機(jī)物充分分解，最終獲得由無(wú)機(jī)陶瓷結(jié)合劑包覆的金剛石的堆積磨料。該方法不僅能夠制備出粒度分布均勻，而且不需要傳統(tǒng)的大型高溫噴霧干燥裝置即可獲得形狀穩(wěn)定的球形凝膠顆粒。劉菊等人以硅溶膠為結(jié)合劑，金剛石微粉為單顆粒磨料，運(yùn)用反相微乳液法制備的陶瓷結(jié)合劑球形金剛石堆積磨料，考察溶膠結(jié)合劑對(duì)金剛石的包覆情況，并討論結(jié)合劑量對(duì)堆積磨料拋光性能的影響。拋光實(shí)驗(yàn)表示，隨著結(jié)合劑量的增加，拋光速率先增大后減小，在結(jié)合劑含量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右時(shí)加工效率最高，玻璃表面粗糙度先減小后增大，在結(jié)合劑量為55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右時(shí)，工件的表面一致性較好，粗糙度最低，約為Ra0.095um。

       從圖8可以看出，通過(guò)反相微乳液法制出的球形度較好的金剛石堆積磨料，在660℃下，煅燒并保溫1h后，結(jié)合劑能熔融為液相并對(duì)金剛石微粉產(chǎn)生包覆，金剛石堆積磨料的粒度分布均勻，粒徑可控制在50--100um之間。

       隨著結(jié)合劑量的增加，金剛石磨粒之間的接觸面增大，當(dāng)結(jié)合劑添加量<50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，金剛石磨料顆粒之間以點(diǎn)接觸形式連結(jié)，此時(shí)，結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的把持力較小，在結(jié)合劑添加量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，金剛石磨料之間通過(guò)結(jié)合劑橋以面接觸的形式連結(jié)，結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的包覆性較好，形成比較強(qiáng)的把持力，結(jié)合劑添加量為60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，過(guò)多的結(jié)合劑將填充于金剛石磨料之間的孔隙，導(dǎo)致結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的把持力過(guò)高，在拋光過(guò)程中金剛石堆積磨料自銳性變差，致使拋光效率下降。

       引用文獻(xiàn)：1.王兆武,栗正新.滾粒法制備球形堆積磨料及其性能分析[J].超硬材料工程,2016,28(04):11-14.