陶瓷结合剂含量对金刚石磨具性能影响分析

胡其军

河南黄河旋风股份有限公司 河南 长葛 461500

摘要：【目的】探究陶瓷结合剂含量对金刚石磨具的性能影响；【方法】做好结合剂样品选择，并分析陶瓷结合剂化学成分，主要由二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化钠、氧化锂、氧化锌组成，配置金刚石试样，并测验金刚石断口组织、磨具试样的抗折强度，对实验结果进行观察；【结果】结合剂含量与磨削效率、抗弯强度、洛氏硬度之间具有正比例关系，当结合剂含量处于36wt%时，磨削性能最佳，其次抗弯强度、洛氏硬度之间的增长幅度在结合剂含量高于34wt%时基本处于饱和；【结论】综合考虑，36wt%结合剂含量金刚石的磨具性能更强。

关键字：金刚石；磨具性能；陶瓷结合剂含量；化学成分；影响

陶瓷结合剂普遍应用于各种模具的制造中，是一种低熔点的玻化料物质，具有较高的化学稳定性和自锐性，可以应用到立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷、新型工程陶瓷材料的精磨过程中，可以提高研磨效率，在研磨单晶金刚石时，加工成本低，磨耗小。硬质合金的主要加工方式是磨削加工，陶瓷基超硬磨具形貌保持性好，加工精度高，因此应用更加广泛。

1. 金刚石磨具特殊性能

金刚石属于超硬材料，其热稳定性不高，为了避免在使用中出现性能的变化，一般会采用低熔结合剂^[1]。提升磨料的粘黏性，促使磨具不易变形、不易干裂，提升其稳定性，规避在加工工件过程中出现破裂事故，提升磨削加工的高速发展。

2.结合剂样品选择

笔者选择陶瓷结合剂原料，参数如下：

表1：陶瓷结合剂原料参数配比

性能	具体参数
熔炼温度	1350℃
原料密度	3.02g/cm3
耐火度	680℃
保温时间	2h
抗弯强度	83.7MPa

表2：陶瓷结合剂化学成分

成分	含量
SiO2（二氧化硅）	47%
B2O3（氧化硼）	9%
Al2O3（氧化铝）	18%
Na2O（氧化钠）	13%
Li2O（氧化锂）	9%
ZnO（氧化锌）	4%

3.实验方法

以陶瓷结合剂为实验原料，以金刚石配比（65wt%）和陶瓷结合剂（35wt%）为基础配方，设计出A1--A5配方：

表3：A1--A5配方

	A1	A2	A3	A4	A5
P1 结合剂	30	32	34	36	38
金刚石（100/120）	68	66	64	62	60

根据以上配比制作方形烧结块（6mm*12mm*30mm），烧结温度740℃，冷压成型压力30MPa，保温时间1.5h，试样自然冷却至室温，分析结合剂的流动性（平面流淌法）、磨具试样的抗折强度（SKZ500型数显抗折试验；其中跨距20mm，,加载速度 0.1 mm/min）、开口孔隙率以及密度（阿基米德排水法）、断口组织（扫描电子显微镜）、试样硬度（HR-50DT型洛氏硬度计）。

其中在断口组织观察中，利用HF酸腐蚀1分钟（3vol%），之后蒸馏水+酒精冲洗4分钟，观测电子扫描显微镜^[2]。在硬质合金的磨削过程中，磨削性能（YG8硬质合金）的测试采用12mm*30mm YG8圆片（平磨Φ36m），计算实验参数，其中单次试验进尺量3mm，刀头端转速1700 r/min，进尺速率0.01 mm/min，工件端转速50 r/min。

4实验结果

4.1磨削性能

YG8 材质的磨削实验结果，经过观察和统计，结果如下：

表4：磨削实验结果（磨削效率ν；磨耗比η）

	A1	A2	A3	A4	A5
磨削效率 （mm3/min）	6.77	7.45	16.52	15.93	12.98
磨耗比	7.07	7.98	12.70	28.31	31.88

通过以上数据我们可以看出，磨耗比η与结合剂含量之间呈现出正比关系，即结合剂含量越高，磨耗比越高，当结合剂含量为30wt%（A1）、32wt%（A2）时，金刚石粘结不足，结合剂对金刚石包覆不足，把持能力弱，因此利用率低，磨具性能差，磨耗比η值更低。当结合剂含量为34wt%（A3）时，包覆较好，金刚石粘结，把持能力有所提升，形成较饱满结合剂桥，磨耗比提升^[3]。当结合剂含量为36wt%（A4）、38wt%（A5）时，结合剂桥进一步饱和，磨耗比提升，但是经过比值对比分析，发现提升幅度并不高（28.31/31.88），微气孔变化幅度较小。

其次，经过试验数据的总结和观察，磨耗比的提升幅度是先增大后减小的，在结合剂含量低于34wt%时，金刚石磨具性能不明显，磨削效率较低，当含量高于34wt%时，微气孔占比也会出现不同程度的降低，因此，出于效率角度考虑，结合剂含量处于36wt%（A4）时，磨削性能最佳。

4.2洛氏硬度

根据实验数据显示，当结合剂含量为30wt%、32wt%、34wt%、36wt%、38wt%时，其洛氏硬度（HRB）分别为13、30、35、38、39，其抗弯强度（MPa）分别为16、28、30、32、33。从陶瓷结合剂金刚石磨具的基本组成要素层面来讲，磨粒与结合剂之间形成结合剂桥，当结合剂含量提高时，气孔形成于压制，可以有效填充空隙，促使试样致密，之后随着空隙填充作用的提升，致密效果逐渐趋于饱和，在饱和状态形成之后，硬度与强度的增加值逐渐减弱，因此饱和状态下，结合剂对金刚石包覆性更好，抗弯强度更高。

结束语：综上所述，笔者采用SiO_2、B₂O₃、Al₂O_3、Li₂O、ZnO作为实验结合剂，在形成金刚石试样之后对其磨削性能和硬度等指标进行测试并记录相关数据，结果显示，受结合剂含量的影响，磨耗比η与结合剂含量之间呈现出正比关系，结合剂含量越高，磨耗比越高，结合剂含量在低于32wt%（A2）时，结合剂对金刚石包覆不足，把持能力弱，因此利用率低，磨具性能差，结合剂含量处于36wt%（A4）时，磨削性能最佳。洛氏硬度（HRB）、抗弯强度（MPa）与结合剂含量成正比例关系，在达到饱和状态下（36wt%），结合剂对金刚石包覆性更好，抗弯强度更高。

参考文献：

[1]许鹏飞, 尹育航, 杨佳乐,等. 钛粉掺量对陶瓷结合剂金刚石磨具性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2019, 252(10):123-127+134.

[2]赵鹏程, 闫薪霖, 肖冰,等. Cu–Sn–Ti钎料与陶瓷结合剂体积比对金刚石节块微观结构和力学性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2020(3):52-56.

[3]丁玉龙, 苗卫鹏, 骆苗地,等. 陶瓷结合剂金刚石砂轮组织结构对其性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2020(4).003-003.

姓名：胡其军；（1977.7-）；性别：男；民族：汉；籍贯：河南 商丘;学历：大专；毕业院校：洛阳工业高等专科学校 研究方向：超硬材料制造。