鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

天鑒(jian)碳(tan)材料(liao)有限公司 張(zhang)洪濤

中國(guo)超(chao)硬材(cai)料(liao)網(wang) 李(li)旭銅(tong)

       1. 引言 
       固結磨料加工作為新興的超精密加工技術之一，在很多難加工材料加工中得到了廣泛的應用。例如，如何提高石英玻璃加工效率和表面質量。堆積磨料即通過特殊(shu)的(de)(de)造粒方式，用高強(qiang)度粘結(jie)(jie)劑把細(xi)顆(ke)粒磨(mo)料(liao)粘結(jie)(jie)起來，使其(qi)形成一(yi)個獨立的(de)(de)組(zu)合(he)體，這種(zhong)組(zu)合(he)體通常也具(ju)(ju)有(you)磨(mo)具(ju)(ju)的(de)(de)三要素——磨(mo)料(liao)、結(jie)(jie)合(he)劑和(he)極細(xi)小孔，可(ke)將其(qi)稱之為一(yi)種(zhong)微型磨(mo)具(ju)(ju)。

       堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)根據結(jie)(jie)合(he)劑種類的不同分為兩種，分別是陶(tao)瓷結(jie)(jie)合(he)劑堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)和(he)有(you)機(ji)結(jie)(jie)合(he)劑堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)。堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)從外(wai)觀上看是一個個粗大的磨(mo)(mo)(mo)粒(li)，而實(shi)際上每個大磨(mo)(mo)(mo)粒(li)都包含了許多微(wei)細(xi)的磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)顆粒(li)。因此，堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)由于其(qi)堆(dui)積(ji)效果在磨(mo)(mo)(mo)削過程中(zhong)不斷有(you)鋒利(li)的切(qie)削刃產生，所以(yi)具有(you)較長的壽命和(he)對材料(liao)(liao)均勻一致的切(qie)除率，并能(neng)得到較好的工(gong)件(jian)表面質量。圖1為近球形堆(dui)積(ji)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)結(jie)(jie)構示意圖。

堆積磨(mo)料的(de)造(zao)粒(li)(li)原理與其他行業物質(zhi)(zhi)造(zao)粒(li)(li)略有不(bu)同。磨(mo)料因其本身形貌與性質(zhi)(zhi)決定，固體(ti)粒(li)(li)子間的(de)吸引力相(xiang)對較小，顆粒(li)(li)與顆粒(li)(li)之間產生堆積主(zhu)要來(lai)自(zi)可自(zi)由(you)流(liu)(liu)動液體(ti)產生的(de)表(biao)面張力和毛(mao)細管力和不(bu)可流(liu)(liu)動液體(ti)產生的(de)粘接(jie)力，在粒(li)(li)子之間形成固體(ti)橋(qiao)(qiao)。使用(yong)某些特(te)殊的(de)造(zao)粒(li)(li)方法，還可以使堆積磨(mo)料產生粒(li)(li)子間機(ji)械(xie)鑲(xiang)嵌，這樣(yang)可以提高(gao)顆粒(li)(li)本身的(de)機(ji)械(xie)強(qiang)度，從而提升(sheng)性能。細節如(ru)圖2所示，（A）為(wei)造(zao)粒(li)(li)原料表(biao)面附著液層相(xiang)連接(jie)；（B）為(wei)造(zao)粒(li)(li)原料通過固體(ti)橋(qiao)(qiao)連接(jie)；（C）為(wei)造(zao)粒(li)(li)原料之間的(de)機(ji)械(xie)鑲(xiang)嵌。

2. 固結磨粒研究過程
       1935年RaymondC等人分別以金屬樹脂陶瓷為結合劑制備了金剛石類多晶磨料，每個多晶磨粒中有10--40粒微米級的金剛石，并將這種金剛石類多晶磨料應用于砂輪。金(jin)屬結(jie)(jie)合劑類(lei)多晶磨料的自(zi)銳(rui)性(xing)差，在磨削過程中易粘連金(jin)屬，因而不實用。陶瓷結(jie)(jie)合劑類(lei)多晶磨粒(li)的自(zi)銳(rui)性(xing)高，但(dan)是由于(yu)陶瓷結(jie)(jie)合劑脆性(xing)較(jiao)大(da)，只有用于(yu)彈(dan)性(xing)較(jiao)好的樹脂(zhi)結(jie)(jie)合劑磨具時才(cai)能獲得(de)較(jiao)好的磨削比和磨削效(xiao)率(lv)。

       1997年(nian)RobertBenguerel制(zhi)備了(le)陶瓷結(jie)(jie)合(he)劑(ji)金(jin)剛石或CBN類(lei)多晶磨(mo)料應用(yong)于(yu)(yu)樹脂結(jie)(jie)合(he)劑(ji)砂(sha)輪，并提出(chu)樹脂結(jie)(jie)合(he)劑(ji)砂(sha)輪中每個(ge)類(lei)多晶磨(mo)粒都相當于(yu)(yu)一個(ge)微型砂(sha)輪，相互獨立的起著磨(mo)削作(zuo)用(yong)。為解決超硬(ying)材料類(lei)多晶磨(mo)料制(zhi)備難題，經過學者們(men)的不懈努力，終于(yu)(yu)設計出(chu)類(lei)多晶磨(mo)料專用(yong)造粒設備，如圖3所示。

       近年來(lai)，陶瓷(ci)(ci)結合(he)劑類(lei)多晶磨(mo)料(liao)在磨(mo)具(ju)中的應用越來(lai)越廣泛，BretW，Ludwig將陶瓷(ci)(ci)結合(he)劑金(jin)剛石類(lei)多晶磨(mo)料(liao)用于非織造布涂(tu)覆(fu)磨(mo)具(ju)中，每(mei)個磨(mo)粒在特定位置(zhi)起磨(mo)削作用，極大的提(ti)高了(le)磨(mo)具(ju)的磨(mo)除率。BruceASvente制備陶瓷(ci)(ci)結合(he)劑金(jin)剛石類(lei)多晶磨(mo)料(liao)并設計一種新型的具(ju)有柔性研磨(mo)面的磨(mo)頭，在磨(mo)削玻(bo)璃時，有效(xiao)解決了(le)玻(bo)璃崩邊的問(wen)題。

       2011年于艷妍采用粉末燒結法制備了陶瓷結合劑金剛石類多晶磨料，探索了R2O-B2O3-SiO2體系低溫陶陶結合劑及特定添加劑對類多晶金剛石磨料的影響，并探索了類多晶金剛石磨料的制備工藝參數。2012年天津大學趙佳碩對金剛石類多晶磨料用結合劑及其制備工藝進行了更進一步的探索。2018年劉菊等采用反相微乳液法制備了球形陶瓷結合劑，獲得了球形度較好的金剛石類多晶磨料。隨著類多晶磨料制備工藝的日趨成熟，類多晶磨粒的應用范圍也在不斷擴大，目前國內在砂帶，固結磨料研磨墊，拋光液等方面開(kai)始使用類(lei)多晶磨料產(chan)品，其高效磨削機制也不斷被(bei)完善。

       3. 制備方法的多樣性 

       3.1預(yu)燒結破(po)碎法

       預燒結(jie)(jie)(jie)破碎法制(zhi)備類(lei)(lei)(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)料，一(yi)般(ban)采用(yong)樹脂或低溫(wen)陶瓷為(wei)結(jie)(jie)(jie)合劑(ji)。先將結(jie)(jie)(jie)合劑(ji)與磨(mo)料混(hun)合，加入臨時粘(zhan)結(jie)(jie)(jie)劑(ji)，壓制(zhi)成型，低溫(wen)干燥(zao)使其(qi)具有一(yi)定的強度，隨后(hou)破碎篩(shai)分成所需(xu)粒徑(jing)(jing)類(lei)(lei)(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)料。類(lei)(lei)(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)料中粘(zhan)結(jie)(jie)(jie)劑(ji)的體積含(han)量為(wei)20%--75%.粒徑(jing)(jing)為(wei)200#--16#，形(xing)狀可為(wei)球形(xing)，條形(xing)，近球形(xing)等。采用(yong)粉末燒結(jie)(jie)(jie)法制(zhi)備類(lei)(lei)(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)料，工藝簡單，成本(ben)較低，適合大(da)規模(mo)工業生產(chan)，可制(zhi)得粒徑(jing)(jing)較大(da)的類(lei)(lei)(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)料，但是此方法造粒球形(xing)度不(bu)好，粒徑(jing)(jing)控制(zhi)不(bu)易(yi)，磨(mo)料得率低。

       3.2滾粒法

       將(jiang)物(wu)料(liao)加入一個轉動的滾(gun)筒(tong)中，滾(gun)筒(tong)的轉動使得(de)(de)物(wu)料(liao)在滾(gun)筒(tong)中流動，然(ran)后(hou)噴入一定量(liang)的粘結(jie)劑溶液使得(de)(de)物(wu)料(liao)相互黏結(jie)而成為(wei)顆(ke)粒(li)，就得(de)(de)到球形堆積磨料(liao)，繼(ji)續滾(gun)動會使得(de)(de)顆(ke)粒(li)具(ju)有一定的粒(li)度(du)和強度(du)。

   ;    滾粒(li)法制備球形堆積(ji)磨料(liao)的工藝流(liu)程主要(yao)分為以下幾(ji)步，分別為配料(liao)，混料(liao)，滾粒(li)，固化，篩分。滾粒(li)在混料(liao)機中進行，滾筒使(shi)得物(wu)料(liao)具有(you)流(liu)動性，然后噴(pen)入臨時(shi)粘(zhan)(zhan)結溶液(ye)(ye)，當臨時(shi)粘(zhan)(zhan)結劑達到一定(ding)量時(shi)，物(wu)料(liao)開(kai)始粘(zhan)(zhan)結成(cheng)粒(li)，隨著溶液(ye)(ye)量的加入，顆粒(li)直徑迅速增大，此時(shi)根據所需粒(li)度要(yao)求(qiu)停(ting)止加入粘(zhan)(zhan)結劑溶液(ye)(ye)。

       從圖5. 圖6可以看出球形(xing)堆積磨料形(xing)狀為(wei)等積形(xing)，顆粒形(xing)狀均勻，粒度(du)集(ji)中。

       滾粒法制備的類多晶(jing)磨粒，工藝簡(jian)單，球形度(du)好，但粒度(du)不(bu)均勻且較(jiao)大，制造成本較(jiao)高1。

       從圖(tu)7中可(ke)看(kan)出(chu)，滾粒(li)(li)法制備的(de)堆(dui)積磨料(liao)(liao)的(de)粒(li)(li)度(du)主要(yao)集中在12--30mesh之(zhi)間，因此滾粒(li)(li)法制備的(de)堆(dui)積磨料(liao)(liao)粒(li)(li)度(du)很集中，加(jia)(jia)以(yi)過篩處理，便可(ke)以(yi)得到更加(jia)(jia)集中的(de)球(qiu)形堆(dui)積磨料(liao)(liao)顆粒(li)(li)。

       3.3壓力噴霧干燥法

       噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)法(fa)(fa)(fa)主要用于陶(tao)瓷(ci)結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)類(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)(liao)制(zhi)(zhi)備(bei)，其結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)可以(yi)分為低(di)溫陶(tao)瓷(ci)結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)干(gan)(gan)(gan)(gan)粉(fen)或鋁(lv)溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與酸性硅溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)混(hun)合(he)溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)。以(yi)低(di)溫陶(tao)瓷(ci)干(gan)(gan)(gan)(gan)粉(fen)為結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)，先將(jiang)陶(tao)瓷(ci)結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)與磨(mo)(mo)料(liao)(liao)(liao)混(hun)合(he)均(jun)勻，加去離子水(shui)制(zhi)(zhi)成合(he)適濃度(du)的(de)料(liao)(liao)(liao)漿，用噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)機(ji)(ji)進行(xing)噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)造(zao)粒(li)。以(yi)混(hun)合(he)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)溶為結(jie)(jie)(jie)合(he)劑(ji)(ji)(ji)，采用溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)法(fa)(fa)(fa)將(jiang)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)(liao)、溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)、輔料(liao)(liao)(liao)混(hun)合(he)成溶膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，用噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)機(ji)(ji)造(zao)粒(li)，噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)壓力為0.3~0.5MPa，干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)溫度(du)為200℃~220℃。噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)法(fa)(fa)(fa)制(zhi)(zhi)備(bei)類(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)(liao)是(shi)目前(qian)機(ji)(ji)械化程度(du)最高，工(gong)(gong)藝(yi)最成熟的(de)方法(fa)(fa)(fa)，采用此法(fa)(fa)(fa)制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)類(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)(mo)粒(li)球形度(du)好，粒(li)度(du)均(jun)勻且可以(yi)控制(zhi)(zhi)，尤其是(shi)在細(xi)粒(li)度(du)類(lei)多(duo)晶(jing)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)(liao)的(de)制(zhi)(zhi)備(bei)中起了不可替代的(de)作用，但噴(pen)霧(wu)(wu)(wu)干(gan)(gan)(gan)(gan)燥(zao)設備(bei)昂貴，工(gong)(gong)藝(yi)復雜，很難大規模工(gong)(gong)業生產。

       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自發的分散成無數個球形液滴，充分攪拌后，這些球形液滴中的硅溶膠會與微乳液體系中的無水乙醇和異辛醇發生反應形成球形凝膠顆粒，與此同時金剛石也均勻的分布在凝膠顆粒中，這些凝膠顆粒經過干燥和高溫煅燒后，異辛醇等有機物充分分解，最終獲得由無機陶瓷結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，而且不需要傳統的大型高溫噴霧干燥裝置即可獲得形狀穩定的球形凝膠顆粒。劉菊等人以硅溶膠為結合劑，金剛石微粉為(wei)單顆(ke)粒磨料，運用反相(xiang)微乳液法制備的(de)陶瓷結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)球形金剛石堆積(ji)磨料，考察(cha)溶膠結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)對金剛石的(de)包覆(fu)情況，并討(tao)論結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)量(liang)對堆積(ji)磨料拋光(guang)性能(neng)的(de)影響(xiang)。拋光(guang)實(shi)驗(yan)表(biao)(biao)示，隨著結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)量(liang)的(de)增(zeng)(zeng)加，拋光(guang)速率先(xian)增(zeng)(zeng)大(da)后減小，在結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)含量(liang)為(wei)50%（質(zhi)量(liang)分數）左右時加工效(xiao)率最高，玻璃表(biao)(biao)面粗糙度(du)先(xian)減小后增(zeng)(zeng)大(da)，在結(jie)(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)(ji)量(liang)為(wei)55%（質(zhi)量(liang)分數）左右時，工件的(de)表(biao)(biao)面一致性較好(hao)，粗糙度(du)最低，約(yue)為(wei)Ra0.095um。

       從圖(tu)8可(ke)(ke)以看出，通過反相(xiang)(xiang)微乳(ru)液法制出的(de)球形(xing)度較好的(de)金(jin)(jin)剛石(shi)堆積(ji)磨(mo)(mo)料，在660℃下，煅燒(shao)并保溫1h后，結合劑能熔融為液相(xiang)(xiang)并對金(jin)(jin)剛石(shi)微粉產生包覆(fu)，金(jin)(jin)剛石(shi)堆積(ji)磨(mo)(mo)料的(de)粒(li)度分布(bu)均(jun)勻，粒(li)徑可(ke)(ke)控(kong)制在50--100um之間。

       隨著結合劑量的增加，金剛石磨粒之間的接觸面增大，當結合劑添加量<50%（質量分數）時，金剛石磨料顆粒之間以點接觸形式連結，此時，結合劑對金剛石磨料的把持力較小，在結合劑添加量為50%（質量分數）時，金剛石磨料之間通過結合劑橋以面接觸的形式連結，結合劑對金剛石磨料的包覆性較好，形成比較強的把持力，結合劑添加量為60%（質量分數）時，過多的結合劑將填充于金剛石磨料之間的孔隙，導致結合劑對金剛石磨料的把持力過高，在拋光過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：1.王兆武,栗正(zheng)新.滾(gun)粒法制備球形堆積磨料及其性能(neng)分(fen)析[J].超(chao)硬材料工程,2016,28(04):11-14.