普通磨具用陶瓷結合劑研究進展

邊華英 王學濤 李玉春 段愛萍 李桂 徐向榮 張昊

摘 要：本文簡單介紹了燒結磨具用陶瓷結合劑：燒結結合劑、燒熔結合劑、低熔結合劑和磨具的低溫燒成技術，對相關普通磨具陶瓷結合劑的研究文獻進行了分析，闡明普通磨具陶瓷結合劑的發展方向在于促成磨具的低溫綠色燒成和高強度高速砂輪技術。

關鍵詞：普通磨具；陶瓷結合劑；低溫燒成；高速砂輪

1 前言

在陶瓷工業領域燒結陶瓷磨具是一個重要的分支，其主要原材料是陶瓷結合劑與磨料，普通磨具用磨料主要是剛玉和碳化硅磨料，超硬磨具/工具用磨料主要是CBN和金剛石，另外還有一種成本介于普通磨具與超硬磨具之間性價比較高的新型SG磨具，其所用磨料包含了一定體積濃度的燒結剛玉磨料（SG磨料）。而普通磨具用陶瓷結合劑與后兩者所用陶瓷結合劑有很大的不同，前者基本為高溫結合劑，磨具的燒成溫度約為1300℃，后者主要為低溫結合劑（或稱低熔陶瓷結合劑），通常認為燒成溫度低于 1000℃[1]。在磨具結構中結合劑將磨粒固結在一起，以“結合劑橋”的形式存在，一定程度上決定著陶瓷磨具的強度和其他相關性能。普通磨具用陶瓷結合劑在制備時常采用礦物原料粘土、黃土、滑石、長石、石英粉、螢石和鋰輝石等與硼玻璃、硼硅玻璃熔塊料配制而成[2-4]；而CBN和金剛石以及SG磨具用陶瓷結合劑均為熔煉過的熔塊料。

陶瓷磨具結合劑一般分為燒結結合劑和燒熔結合劑，燒熔結合劑又包括半燒熔（半燒結）和低熔結合劑。

2 普通磨具常用陶瓷結合劑

2.1燒結結合劑

燒結結合劑，在磨具燒成時產生的液相量少，其顯微結構組成為大量的結晶相、少量的玻璃相和氣孔。燒結結合劑的典型礦物組成為粘土、長石、石英以及少量的滑石。主要用于碳化硅磨具的生產中，有利于避免黑心缺陷的形成[2]。閆國進[5]等通過電子探針微區分析研究了粘土-長石-石英系燒結陶瓷結合劑碳化硅磨具的顯微結構特征，其研究結果表明結合劑呈典型的燒結狀態，有大量的晶界和微細裂紋、尺寸較大的氣孔存在，其物相主要為玻璃相和殘留石英，在較大顆粒的殘留石英內部及周圍發育有裂紋。燒結結合劑的典型化學成分見表1[2]。

2.2 燒熔結合劑

燒熔結合劑的耐火度低于磨具的燒成溫度，在磨具的焙燒過程中隨著溫度的升高結合劑發生一系列的物理化學變化，物料經過熔融、溶解等過程產生較多的液相，對磨粒形成浸潤和粘結，在冷卻后磨具固化凝結為堅硬的整體。燒熔結合劑所用原材料除粘土（黃土）、長石、石英之外，更含有較多的催熔原料，比如滑石、螢石、鋰輝石、硼玻璃、硼硅玻璃、硼鉛玻璃、碳酸鈉等。這種結合劑的燒熔機理是在加熱過程中催熔組分、原料中的雜質及某些原料的新生化合物之間會發生共熔作用而產生液相，繼而催熔組分熔融，液相量增多，將難溶的固相浸溶，直至殘留的固相全部或絕大部分都成為液相。燒熔結合劑焙燒之后其顯微結構大部分為玻璃相，有時也會存在少量的結晶相。剛玉磨具多采用燒熔結合劑，主要包含粘土-長石系列、粘土-長石-硼玻璃系列、硼玻璃-石英-純堿系列、粘土-長石-滑石系列、粘土-長石-硼玻璃-滑石系列、粘土-硼玻璃-無堿玻璃-鋰輝石系列。粘土-長石系結合劑由于原材料來源廣、成本較低、工藝性能穩定等原因應用較廣，但是對于粗粒度以及軟級硬度的磨具還需引入硼玻璃，即采用粘土-長石-硼玻璃系列[2]。

粘土-長石-硼玻璃系結合劑是常用的燒熔結合劑，其所含有的硼玻璃的耐火度較低，介于640 ～ 690℃，是強催熔劑。硼玻璃用于配制結合劑時能夠顯著降低結合劑的耐火度，從而降低磨具的燒成溫度。這種結合劑流動性好、潤濕性強，因為含有B2O3可以有效提高砂輪的抗張強度，所以通常要提高砂輪的強度時常常采用含硼結合劑。同時由于含硼結合劑成本往往較高，所以一般在制造粗粒度及結合劑用量較少等特殊技術要求的砂輪時采用含硼結合劑，或者用于制造50 ～ 60 m/s的高速砂輪、80 m/s或更高線速度的砂輪，生產上一般采用中硼區（硼玻璃含量為15 ～ 30%）的結合劑[2]。燒熔結合劑的典型化學成分見表2[2]。

閆國進[6]等通過電子探針微區分析研究了粘土-長石-硼玻璃系燒熔陶瓷結合劑剛玉磨具的顯微結構特征，探知結合劑呈基本均勻的玻璃態，結合劑與磨料反應明顯，在界面處結合緊密，剛玉磨料的邊緣被熔蝕，棕剛玉呈鋸齒狀，白剛玉呈港灣狀。借助能譜分析探測到棕剛玉磨料中的雜質主要為TiO2，而且這種雜質隨著磨料的熔蝕進入結合劑玻璃相內部或界面處析出金紅石微晶。

燒熔結合劑相對比于燒結結合劑其應用較廣，主要用于各種剛玉磨具，但是為了特殊需要，一部分碳化硅磨具也在趨向使用燒熔結合劑。半燒熔（半燒結）結合劑是一種耐火度接近于磨具焙燒溫度的結合劑，其性能介于燒熔結合劑和燒結結合劑之間，可以很大程度上改善燒結結合劑的流動性、反應能力、高溫潤濕性，只是這種結合劑磨具的強度較低，磨具硬度與強度易受燒成溫度波動的影響，在生產操作上有一定難度。常被用于低濃度碳化硅磨具和細粒度高硬度剛玉磨具的制造，可以避免使用燒熔結合劑造成的黑心、發泡、變形現象[2]。

燒熔結合劑與燒結結合劑相比具有以下優勢[2]：

（1） 一般情況下燒熔結合劑磨具的機械強度都比燒結結合劑的磨具強度高，能夠保證砂輪具有較高的回轉破裂強度，也就是砂輪的使用安全性相對較高。

（2） 燒熔結合劑在砂輪燒成時基本能完全熔融，當燒成溫度有波動時仍能保證磨具的硬度、強度的相對穩定，產品的組織均勻性相對較好，質量穩定。

（3） 燒熔結合劑的反應能力強、高溫潤濕性好，有利于改善磨具的性能。

（4） 由于燒熔結合劑的反應能力強，在磨具組成中所占的量少，結構組織相對較松，氣孔率、磨粒率較高，可提高磨具的磨削效率并減少對工件的燒傷。

雖然燒熔結合劑的優越性顯著，但是燒熔結合劑磨具如果在燒成后高溫段冷卻制度控制不當則會產生較多的大晶粒，降低磨具的組織強度和各向均勻性，比如高溫冷卻段速度緩慢時結合劑體系內首先會析出鈣長石、金紅石晶體，這是由于高溫熔體內質點的能量狀態較高，有析晶釋放能量的傾向，冷卻段速度越慢會有更多的晶體析出或晶體長大，從而會對固結磨具的強度和結構均勻性產生危害，所以需要設定合理的磨具燒成溫度制度[2]。

3 普通陶瓷磨具的低溫燒成

普通陶瓷磨具及其所用結合劑的發展方向和趨勢主要是高速砂輪和低溫燒成技術。鑒于環保的壓力，社會各階層都在密切關注環保、節能、減排、防霧霾的形勢，在陶瓷磨具領域推行低溫綠色高強度結合劑是發展方向。目前國內各砂輪廠生產的陶瓷磨具燒成溫度一般介于1250 ～ 1300℃，為高溫燒成技術[1]。在磨具和工具行業通常所說的低溫結合劑是指用于超硬金剛石或立方碳化硼工具的燒成溫度在1000℃以下的陶瓷結合劑。對于普通磨具的中低溫燒成技術尚沒有特別明確的規定，或可以參考其他陶瓷制品技術的相關術語規定。在陶瓷行業的日用瓷與建筑衛生陶瓷領域都在發展低溫快速燒成技術，一般認為可比原燒成溫度降低80 ～ 100℃以上、燒成時間相應縮短后的產品性能與原燒成工藝條件下燒制的產品性能一致的燒成技術即為低溫快燒技術。[7]低溫快燒成比高溫燒成其優越性顯著，主要表現在以下幾個方面[1、2]：

（1）節能。據熱平衡計算數據可以估算從1050℃升到1320℃時的熱能消耗約相當于1050℃以前的全部熱能消耗，而每降低燒成溫度100℃則可平均節能1/6。

（2）縮短燒成周期，提高窯爐、窯具等設備的周轉率。以間歇窯燒成Φ400 mm的砂輪來分析，在整個升溫階段中，自1000℃起升溫至1300℃所占用的時間約相當于1000℃以前所占用的時間，這是由于高溫比熱容以及高溫散熱更多的原因。那么，如果燒成溫度降至1100℃，升溫時間則可縮短約1/3，而降溫冷卻時間也相應縮短，故而可以增加窯爐的周轉率，提高生產效率。

（3）燒成溫度降低后對窯爐的保溫性能等級要求也可以適當降低，即可以減少傳統耐火物的厚度，增大窯容量，同時能夠延長窯具耐火物的使用壽命。

（4）磨料中過量的磁性物質在較高的燒成溫度下往往易形成斑點，一方面會影響產品的外觀，另一方面在磨削時還易于燒傷工件，若采用低溫結合劑，則可以減少斑點的形成和數量，改善商品的質量。

（5）低溫燒成時剛玉磨具的外觀顏色較好，碳化硅磨具也不易產生黑心、發紅的缺陷。

（6）低溫燒成時對燃料的要求也適當降低了，在環保達標、燃料熱值和燒成溫度可及的情況下則可以使用質量稍次的燃料，能夠適當降低燃料成本。

低溫燒成技術雖然具有以上諸多優點，但其應用也需兼顧以下制約因素，比如，由于低溫結合劑摻用的粘土、石英類原料少，熔劑性原料較多，不宜用于生產高強度和高硬度的磨具，并且由于生坯的強度比較差，會增大半成品搬運廢品，同時磨具易變形，棕剛玉磨料因燒成溫度低不變色出現與目前工藝情況下外觀顏色不一致的情況。

4 普通磨具用陶瓷結合劑的相關研究進展

因為結合劑的性能主要由結合劑的成分來決定，即決定于其化學組成與礦相組成，而其他因素比如加入添加劑則是因為改變了結合劑的組成，所以會對結合劑的相關性能如耐火度、流動度以及強度產生影響。張書森[8]研究了R2O及RO在陶瓷磨具制造中的作用，李志宏等[9-10]研究了含CaO陶瓷結合劑的強度和耐火度情況，在其數據列表中可見含10%CaO時結合劑的耐火度最低為1198 ± 5℃，磨具抗拉強度基本隨CaO含量的增加而降低；侯永改， 王改民[1]探討了影響低溫燒成陶瓷結合劑強度的因素，其團隊以粘土-長石-硼玻璃系（即Al2O3- SiO2- R2O- B2O3系統）陶瓷結合劑為基準結合劑進行了研究，結果表明加入Li2O或PbO代替Na2O而當Li2O加入量在2 ～ 3% 、PbO加入量在3 ～ 5%時能改善結合劑的強度；加入氧化鋁粉、石英粉、滑石等對結合劑的強度有不同的影響，加入細粒氧化鋁粉4 ～ 5%時強度有明顯提高，加入細粒石英粉1～ 2%強度有少許提高，結合劑的流動在80 ～ 140%時，其強度較高。劉芳，范文捷等[11]探討了α- Al203 粉在陶瓷磨具結合劑中的作用，通過結構表征分析了向結合劑中加入的α- Al203粉能與陶瓷結合劑反應形成反應層起到加強網絡的作用，改善結合劑的性能，使陶瓷磨具在氣孔率較高的情況下仍然具有較高的機械強度。范文捷，劉芳等[12]對粘土-鉀長石-硼玻璃、粘土-鉀/鈉長石-硼玻璃、粘土-鉀長石-鈣玻璃、粘土-鉀長石-鋰輝石等系統的結合劑進行研究探討了陶瓷高速砂輪結合劑中的不同成分對砂輪強度的影響，通過對其實驗研究分析得知在現行燒成工藝條件下，在常用的粘土-鉀長石-硼玻璃系統中引入鈉長石部分替代鉀長石，當其質量比占結合劑總量的21%時，所制備的結合劑生產的陶瓷砂輪回轉強度應為最高。根據文中分析可發現加入鈣玻璃和鋰輝石等也會提高結合劑的強度，同時具有降低結合劑的耐火度和磨具燒成溫度的作用。

程寶珠，馬秋花等[13]研究了陶瓷結合劑對高速砂輪強度的影響，其結論是在一般陶瓷結合劑中增加硼玻璃，能夠提高結合劑的強度；而在結合劑中其它成分含量相同的情況下，鉀長石、鈉長石同時存在且二者等比例加入時砂輪的平均破裂速度比單獨采用鉀長石時達到最高值；而單獨采用鉀長石比只用鈉長石時砂輪的平均破裂速度要高。程寶珠，李淼等[14]探討了燒成溫度制度對陶瓷結合劑高速砂輪強度的影響，研究結論為不同的窯型、不同的燒成曲線對較小規格Φ400 mm砂輪的破裂速度影響較小， 而對于較大規格Φ600 mm砂輪的 影響較大，可通過采用緩慢升溫、增加駐點保溫時間、適當延長最高燒成溫度段保溫時間的方法提高砂輪強度，使Φ600 mm砂輪的平均破裂速度達到108 m /s， 為其使用速度的1.8倍。

在普通磨具的低溫燒成方面胡在簋，于慶茂等[15]基于硅硼網絡理論進行了剛玉砂輪陶瓷低溫結合劑的試驗研究，控制結合劑的B2O3 12%以內、R2O15%左右，對120#以粗剛玉磨料砂輪實現了以貝克萊引進窯爐990℃燒成，制得產品的硬度和強度全部符合技術指標要求。董曉烽、肖卓豪等[16]稱通過采用傳統熔體冷卻法制備K2O-B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃結合劑，在1000℃保溫2 h的條件下制備出了性能優良的剛玉砂輪樣品。王福成[17]探討了采用低熔結合劑用于碳化硅磨具的低溫燒成，研制了一種結合劑V2，耐火度910℃，磨具燒成溫度970℃。

在綠色陶瓷結合劑發展方面王學濤，楊雪峰等[18] 發明了一種添加建筑玻璃廢料的白剛玉陶瓷砂輪結合劑，由鉀長石、粘土、滑石、回收的建筑玻璃廢料磨細粉復配制成，耐火度1020 ～ 1050℃，在用于白剛玉陶瓷砂輪生產時最高燒成溫度不超過1260℃。利用此結合劑技術制造的白剛玉砂輪使用線速度可達63 m/s以上，回轉破裂線速度達到126 m/s 以上，砂輪的耐用度、磨削效率、加工精度均較高，工件無燒傷裂紋等缺陷。主要是可在一定程度上消解固體廢棄物廢舊建筑玻璃，促進三廢的利用，符合發展循環經濟的宗旨。

5 結語

結合文獻和專利技術以及磨具企業的實際生產工藝和技術現狀來看，用于普通磨具的高強度結合劑和低溫燒成技術仍需加強研究，趁著互聯網技術的迅速發展和國家對大眾創新萬眾創業支持和鼓勵的東風，對于適用于普通磨具的低溫綠色燒成和高強度高速砂輪技術的結合劑一定能更好地攻克難關并有長足發展。

參考文獻

[1] 侯永改，王改民. 影響低溫燒成陶瓷結合劑強度因素的探討[J]. 陶瓷研究，2001，16（2）：5-7.

[2] 黃秉麟，伍瑾琛，鐘素蘭. 陶瓷磨具制造（上）[M].北京：國家機械工業委員會（原機械工業部）機床工具工業局， 1987.

[3] 李志宏. 陶瓷磨具制造[M].北京：中國標準出版社，2000.9.

[4] 侯永改. 陶瓷磨具制造[M].北京：中國輕工業出版社，2010.3.

[5] 閆國進，栗政新等. 燒結陶瓷結合劑碳化硅磨具顯微結構研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2010，178（4）：58-61.

[6] 閆國進，栗政新等. 燒熔陶瓷結合劑剛玉磨具顯微結構研究[J].金剛石與磨料磨具工程 2011.184（4）：50-53.

[7] 林衡，饒平根，呂明.日用陶瓷低溫快燒技術的發展現狀[J].佛山陶瓷2008.9（143）：39-42.

[8] 張書森.R2O及RO在陶瓷磨具制造中的作用[J].河南工業大學學報（社會科學版）1995.1：10-13.

[9] 李志宏，董慶年，朱玉梅等.含CaO陶瓷結合劑的初步研究[J ]. 磨料磨具與磨削 1994，83 （5）： 26-27.

[10] 李志宏，朱玉梅，董慶年.含CaO陶瓷結合劑強度的研究[J ]. 磨料磨具與磨削 1995，85 （1）： 22-23.

[11] 劉 芳，范文捷，王根雨等. α- Al203 粉在陶瓷磨具結合劑中的微觀作用[J]. 金剛石與磨料磨具工程， 2003，136（4）：53-55.

[12] 范文捷，劉芳，張雪瑩等. 陶瓷高速砂輪結合劑中不同成分對砂輪強度影響的探討[J] 金剛石與磨料磨具工程， 2003，136（4）：56-58.

[13] 程寶珠，馬秋花，荊運潔.陶瓷結合劑對高速砂輪強度的影響[J] 金剛石與磨料磨具工程， 2010，179（5）：73-76.

[14] 程寶珠，李淼，劉新紅等.探討燒成溫度制度對陶瓷結合劑高速砂輪強度的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2008，167（5）：75-78.

[15] 胡在簋，于慶茂，李英等.剛玉砂輪陶瓷低溫結合劑的試驗研究[J].磨料磨具與磨削， 1994，84 （6） ：17-20.

[16] 董曉烽，肖卓豪，易維民等剛玉砂輪用K2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃結合劑的試驗研究[J].中國陶瓷工業，2017，24（3）：1-5.

[17] 王福成. 陶瓷結合劑碳化硅磨具低溫燒成的研究[J].哈爾濱軸承，2008，29（3）：27-28.

[18] 王學濤，楊雪峰，李濤等.一種添加建筑玻璃廢料的白剛玉陶瓷砂輪結合劑[P].中國： ZL 201510255203.x2015-10-25.