無機溶膠陶瓷結合劑的制備與研究

常 闖，萬 隆，李建偉，劉瑩瑩，洪 秋，劉 菊

（1．湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082；2．噴射沉積技術及應用湖南省重點實驗室，長沙 410082）

陶瓷結合劑金剛石砂輪具有磨削溫度低、磨削精度高等優點而備受矚目，特別是在精密加工領域。傳統方法制備陶瓷結合劑通常以固相粉體為原料，經高溫熔融、球磨及過篩獲得，這樣得到的結合劑粉體尺寸為幾微米到幾十微米。精密磨削用金剛石磨料粒度比較細（幾個微米），若采用傳統的機械混合法將結合劑和磨料混合，一是磨料比較細易產生團聚，二是結合劑與磨料尺寸相差較大，很難將兩者混合均勻，會形成以尺寸較大的結合劑為中心的非均勻微觀結構，導致砂輪磨削過程中易對工件表面產生劃痕，進而影響工件的表面精度和表面粗糙度［1－3］。為解決這一問題，國內外眾多學者針對陶瓷結合劑的制備工藝及結合劑與磨料的混合工藝等方面問題展開深入研究。張振宇［4－6］等利用溶膠法制備不同單組分粉體再經干混合用于砂輪制備，所制砂輪燒結溫度較低，加工工件粗糙度低，但不同的單組分超細粉體混合，由于其尺寸效應，混合均勻的難度較大。日本學者［7－8］將溶膠凝膠技術運用于砂輪的制備中，其所制備的砂輪可實現納米級的加工精度，但由于受到專利的限制，相關產品并沒有實現工業化生產。國內學者趙玉成［9］等通過高分子網絡的凝膠技術制備出陶瓷結合劑納米金剛石的復合燒結體，然而這種制備工藝具有一定的局限性，主要用來制備納米氧化物粉體，其用于制備陶瓷結合劑砂輪還存在不足之處。綜上所述，以溶膠凝膠法制備陶瓷粉體可用于制備精密磨削用陶瓷結合劑砂輪，但仍存在制備工藝不夠成熟的問題，需要進一步開展研究。本文以硅溶膠、鋁溶膠及化學純 H3BO3、NaNO3、LiNO3為原料，以溶膠凝膠法制備Al2O3－B2O3－SiO2－R2O體系全液體陶瓷結合劑，并將其與金剛石磨料相混合，采用噴霧干燥法制備金剛石－陶瓷復合粉體，再經壓制、燒結制得復合燒結體，借助X射線衍射儀、TG－DSC、掃描電鏡、抗折試驗機等表征手段考察全液體陶瓷結合劑及其與金剛石所制復合燒結體的性能，以探索全液體陶瓷結合劑制備新工藝。

1 實驗

1．1 全液體陶瓷結合劑的制備

按照表1配方，以擬薄水鋁石為鋁源，10wt%的HNO3為膠溶劑，在溫度為70℃、酸鋁比（H＋／AlOOH）為0．07的條件下制備鋁溶膠，然后向其中加入化學純H3BO3、NaNO3與LiNO3，放于恒溫磁力攪拌器上進行攪拌，并在攪拌的情況下緩慢加入酸性硅溶膠（固含量為25%）即可制得全液體陶瓷結合劑。

表1 無機溶膠結合劑配比Table 1 Formula of the Inorganic sol binder

1．2 金剛石－陶瓷復合粉體的制備與燒結

將金剛石（2～4μm）加入乙醇中并超聲分散30min，將全液體陶瓷結合劑與適量的糊精液混合后置于磁力攪拌器上恒速攪拌（轉速為250r／min），邊攪拌邊加入金剛石磨料；設定噴霧壓力為0．3～0．5MPa，加熱溫度為200℃～220℃，用自制噴霧干燥裝置對所配制的結合劑與金剛石磨料混合溶液進行噴霧造粒。

將所制得的復合粉料壓制成65mm×5mm×5mm試條，干燥后經箱式電阻爐燒結后可制得金剛石－陶瓷復合燒結體。

1．3 性能表征

采用STA－449C型綜合熱分析儀對陶瓷結合劑進行TG－DSC分析，升溫速率為10℃／min，測試溫度為室溫至900℃（空氣氣氛）；采用SIEMENS－5000型X射線衍射儀對陶瓷結合劑物相組成進行分析，CuKα輻射靶，掃描步長為0．02°，掃描范圍20°～80°；采用QUANTA－200環境掃描電鏡觀察試樣顯微形貌；利用DKZ－5000型電動抗折試驗機測試燒結試樣的抗彎強度；利用阿基米德原理測定復合燒結體試樣的氣孔率。

2 結果與討論

2．1 陶瓷干凝膠的TG－DSC分析

圖1為無機溶膠結合劑形成的陶瓷干凝膠的TG－DSC曲線。當溫度為100℃時，有尖銳的吸熱峰出現，該峰為水分的蒸發，體系失重明顯（約為20%）；在100℃～540．5℃溫度范圍內，除了水的繼續蒸發外，還包括硼酸、有機物和一些硝酸鹽類的分解反應，體系失重有所緩和（約為14%）；溫度升高到770℃以后，TG曲線開始變得平緩，陶瓷結合劑失重趨于穩定；540．5℃和747．9℃左右的吸熱峰分別對應為結合劑的玻璃化轉變點和軟化點；780．6℃左右有一晶化放熱峰。依據TG－DSC的分析結果，選取本實驗金剛石－陶瓷復合燒結體的燒結溫度為820℃，在該溫度下保溫1h，結合劑可達熔融狀態（如圖1所示），實現對金剛石磨料的包裹，形成良好的把持力，滿足使用性能需求［10］。

圖1 陶瓷結合劑干凝膠的DSC－TG曲線Fig．1 DSC－TG curves of vitrified bond xerogel

2．2 無機溶膠陶瓷結合劑的XRD分析

圖2是無機溶膠陶瓷結合劑試樣的XRD圖譜。可以看出，結合劑的XRD圖譜中大部分是由漫散射所組成的“饅頭峰”，表明陶瓷結合劑中大部分為玻璃相［11］，而在θ為26．6°位置出現一個尖銳的衍射峰，表明陶瓷結合劑中有析晶出現，通過PDF卡片檢索，表明該處衍射峰對應為α－SiO2相［12］，根據Scherrer公式：

式中：D 為晶粒尺寸；K 為常數，0．89；λ為衍射線波長；B為半高寬；θ為衍射角度

計算出α－SiO2晶粒尺寸為0．804nm，表明無機溶膠陶瓷結合劑的結構細致均勻，所含晶粒尺寸細小，其原因為無機陶瓷結合劑的組分在液相條件下能夠實現分子水平上的均勻混合，保證了結合劑的成分均勻和結構細化［13］。

圖2 陶瓷結合劑XRD圖譜Fig．2 XRD patterns of vitrified bond

2．3 陶瓷干凝膠煅燒后的形貌圖

圖3為陶瓷干凝膠煅燒后的形貌圖。如圖所示，全液體陶瓷結合劑干燥后經箱式電阻爐煅燒，結合劑可全部熔融為液相，具有較好的流動性，可以對金剛石磨料形成較好的包覆，且具有一定的氣孔率，有助于磨具在磨削過程中的容屑和排屑。

2．4 無機溶膠陶瓷結合劑金剛石復合燒結體的性能分析

圖4和圖5分別為不同結合劑含量所制金剛石－陶瓷復合燒結體的抗彎強度及氣孔率曲線。從圖中可以看出，隨著結合劑含量的增加，復合燒結體的抗彎強度隨之提高，而氣孔率則隨之降低。這是由于隨著結合劑含量的增加，在燒結過程中將會產生較多的液相填充于金剛石磨料之間，并對磨料形成良好的包覆，使得結構更為致密，此時氣孔率隨之降低，而抗彎強度隨之提高［14］。同時結合劑含量的增加，使得金剛石磨料之間的結合劑橋變粗，磨料之間的連接強度增大，因此燒結體的抗彎強度隨之增大。且當結合劑量為30wt%時，復合燒結體的氣孔率最小為34．36%，抗彎強度最大為95．42MPa。

圖3 陶瓷干凝膠煅燒后的形貌圖Fig．3 SEM photographs of vitrified bond gelatin after sintering

圖4 結合劑量對復合燒結體抗彎強度的影響Fig．4 Effect of vitrified bond percent on composite sintered bending strength

圖6為金剛石－陶瓷復合燒結體的斷面形貌圖。從圖中可以看出，金剛石－陶瓷復合燒結體試樣的結構較均勻，且無明顯大孔隙。其原因為以溶膠凝膠法制備無機溶膠陶瓷結合劑，可以保證各組分在液相條件下混合均勻，且經噴霧干燥后所制備的顆粒均能夠保持料漿原有的均勻性，陶瓷結合劑將以薄膜的形式包覆于金剛石表面，具有較好的分散性，因而所制備的結合劑結構細化，成分均勻，并能對金剛石磨料形成較好的把持力。

圖5 結合劑量對復合燒結體氣孔率的影響Fig．5 Effect of vitrified bond percent on composite sintered porosity

圖6 金剛石－陶瓷結合劑復合燒結體的斷面圖Fig．6 Fracture images of vitrified bond diamond composite

3 結論

（1）TG－DSC及 XRD分析表明，820℃下進行燒結，以此配方制備的全液體陶瓷結合劑可熔融為液相并對金剛石進行較好地包覆，從而對金剛石磨料形成較強的把持力。

（2）陶瓷干凝膠在820℃下煅燒后的形貌可以看出，結合劑可全部熔融為液相，具有較好的流動性，從而對金剛石形成較好的包覆，且存在一定的氣孔率，有助于磨具磨削過程中的容屑和排屑。

（3）820℃／1h燒結時，隨著陶瓷結合劑含量增加金剛石－陶瓷復合燒結體的抗彎強度隨之提高，而氣孔率隨之降低，且當結合劑含量為30wt%時，抗彎強度和氣孔率分別為95．42MPa和34．36%。

［1］ 萬隆，陳石林，劉小磐．超硬材料與工具［M］．北京：化學工業出版社，2006：280－292．

［2］ LIN K H，PENG F S，LIN S T．Sintering parameters and wear performances of vitrified bond grinding wheels ［J］．Internation Journal of Refractory Metals＆Hard Materials，2007，25（1）：25－31．

［3］ 胡偉達．溶膠凝膠法制備陶瓷結合劑金剛石砂輪的研究［D］．長沙：湖南大學博士學位論文，2013：98．

［4］ 張振宇，趙洪浩，霍鳳偉，等．一種陶瓷結合劑超細金剛石砂輪制備方法［P］．中國專利：101870091A，2010－10－27．

［5］ Zhang Z Y，Huo F W，Wu Y Q，et al．Grinding of silicon wafers using an ultrafine diamond wheel of a hybrid bond material［J］．International Journal of Machine Tool＆Manufature，2011，51（1）：18－24

［6］ Huo F W，Zhao H H，Zhao D J．Nanogrinding of silicon wafer using a novel vitrified diamond wheel［J］．Materials and Manufacturing Processes，2011，26（8）：977－981．

［7］ TANAKA T，ESAKI S，NISHIDA K，et al．Development and application of porous vitrified－bonded wheel with ultra－fine diamond abrasives［J］．Key Engineering Materials，2004，257－258：251－256．

［8］ 李合慶譯．超細粒度陶瓷結合劑金剛石砂輪及其應用技術［J］．Abrasives News，2005（2）：5－7．

［9］ Huo F W，Zhao H H，Zhao D J．Nanogrinding of silicon wafer using a novel vitrified diamond wheel［J］．Materials and Manufacturing Processes，2011，26（8）：977－981．

［10］ 侯永改．陶瓷磨具制造［M］．北京：中國輕工業出版社，2010：182－188，35．

［11］ 周琪．金剛石砂輪用陶瓷結合劑制備以及結構與性能的研究［D］．武漢理工大學，2014．

［12］ 郝素葉，萬隆，王俊沙，等．噴霧干燥法金剛石－陶瓷結合劑復合燒結體的制備及表征［J］．材料工程，2016，44（8）：58－63．

［13］ 張磊欣．溶膠－－凝膠原位法成型砂輪的微晶玻璃結合劑研究［D］．湖南大學，2016．

［14］ 侯永改，鄒文俊，肖福仁，等．燒結方式對陶瓷結合劑金剛石磨具性能影響的研究［J］．金剛石與磨料磨具工程，2008（3）：39－42．