隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步，工件的加工質(zhì)量要求日益提高，應(yīng)用低磨損、長壽命的高性能磨具如陶瓷粘結(jié)劑CBN砂輪已成為必然趨勢(shì)。陶瓷粘結(jié)劑CBN砂輪是利用陶瓷粘結(jié)劑將粗顆粒的CBN黏合在一起，形成的一個(gè)固體的圓形磨具，使其以其在外緣表面無數(shù)硬、銳、耐溫的小磨粒連續(xù)對(duì)各種材料的表面做切削磨除工作，具備熱穩(wěn)定性能好、散熱能力好、強(qiáng)度高、有充足氣孔、生產(chǎn)效率高、易整形和修銳、磨削進(jìn)度高等優(yōu)點(diǎn)，成為了國內(nèi)外企業(yè)、研究者開發(fā)的熱點(diǎn)。

來源：河南愛磨仕超硬磨具有限公司

不過，由于技術(shù)上的差異，國內(nèi)陶瓷CBN砂輪的發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距。就目前而言，國外已開發(fā)出磨削速度達(dá) 300 m/s 的產(chǎn)品，而國內(nèi)則普遍生產(chǎn)為200 m/s 的陶瓷 CBN 砂輪。因此有必要加大對(duì)陶瓷CBN砂輪的研發(fā)，滿足工件的高效加工需求。本篇文章小編將從制備工藝出發(fā)，整理一些提高陶瓷CBN砂輪磨削性能的方法。

一、優(yōu)化三要素

在陶瓷CBN砂輪中，CBN磨料、陶瓷結(jié)合劑、氣孔是必不可少的三要素，它們自身的性質(zhì)及相互之間的作用關(guān)系，均對(duì)其性能有著非常重要的影響。其中，陶瓷結(jié)合劑主要是對(duì)磨料起固結(jié)作用。立方氮化硼磨料相較于普通磨料具有硬度大、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、磨削能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要參與磨具的磨削作用。氣孔在磨具則主要分布于磨料與磨料之間、磨料與結(jié)合劑之間以及結(jié)合劑內(nèi)部，在磨削過程中具有容屑、排屑、增強(qiáng)散熱和冷卻的作用，在一定程度上能調(diào)節(jié)磨具的強(qiáng)度及自銳性能。為了得到性能優(yōu)異的陶瓷粘結(jié)劑砂輪，這三要素成為了研究者們研究的熱點(diǎn)研究對(duì)象。

1、磨料處理

相較于普通磨料，立方氮化硼具有硬度大、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、磨削能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為高切削砂輪最常用的磨料之一。而相比金剛石，立方氮化硼雖硬度略小，但其良好的導(dǎo)熱性和耐熱性以及對(duì)鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性，使其應(yīng)用領(lǐng)域得到極大地?cái)U(kuò)展。

不過，為了提升陶瓷結(jié)合劑與磨料的浸潤性，且避免其中的堿金屬、堿土金屬氧化物侵蝕 CBN 磨粒，破壞其晶體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度，往往需對(duì) CBN 磨粒表面進(jìn)行處理，從而提升砂輪強(qiáng)度。目前主要是通過以下方法對(duì)磨料進(jìn)行處理

（1）表面酸處理：

表面酸處理主要用于清除磨粒表面的雜質(zhì)，提供一個(gè)清潔的表面，從而提升粘結(jié)劑的粘附作用。

（2）表面鍍覆

通過化學(xué)鍍覆、真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍等方法將Ti、Cr等金屬或者SiO₂、CeO₂氧化物涂層鍍覆至磨粒表面上，不僅能夠讓磨料與結(jié)合劑潤濕情況能夠得到明顯改善，而且可以使單顆磨粒強(qiáng)度也得到明顯提升。除此之外，不同鍍層還能產(chǎn)生一些特殊性能，如金屬鍍層還能夠賦予磨粒以導(dǎo)磁性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等，而氧化物對(duì)磨粒的包裹還有助于提高磨粒的初始氧化溫度。

（3）預(yù)氧化處理

預(yù)氧化處理通常涉及將CBN磨粒暴露在高溫（900℃以上）氧化環(huán)境中，使其表面形成一層氧化層。該氧化層對(duì)于磨粒和陶瓷粘結(jié)劑都有較好的相容性，因此可以作為中間層，增強(qiáng)磨粒與粘結(jié)劑之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高砂輪的整體強(qiáng)度和對(duì)磨粒的把持力。

2、陶瓷粘結(jié)劑處理

作為結(jié)合劑，必須對(duì)磨料具備良好的浸潤性， 能夠?qū)δチ掀鸬秸辰Y(jié)、固定作用，同時(shí)結(jié)合劑自身也必須具備一定的強(qiáng)度才能保證砂輪整體的高強(qiáng)度，使砂輪在使用過程中不分崩離析，具備良好的壽命。因此一般需要探尋結(jié)合劑化學(xué)組分的比例或添加新的化學(xué)原料，如氧化物、金屬、納米改性物質(zhì)等，尋求性能盡可能高的結(jié)合劑配方。

（1）氧化物比例優(yōu)化

氧化物在陶瓷粘結(jié)劑體系中通常是作為玻璃體、玻璃中間體、玻璃調(diào)整體存在。不同類型氧化物的添加對(duì)陶瓷結(jié)合劑以及陶瓷 CBN 砂輪性能的影響不同。SiO₂、 P₂O₅、 V₂O₅、 B₂O₃ 等氧化物形成的玻璃體為陶瓷結(jié)合劑的主要組成部分，可形成主要的網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)，起到把持磨粒并將結(jié)合劑黏接成體的作用。ZnO、 PbO、 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂ 等玻璃中間體雖無法獨(dú)立形成玻璃體，不過當(dāng)其中的氧化物被奪氧后，便可生成新的網(wǎng)格體，因此能改善結(jié)合劑的流動(dòng)性、潤濕性。而有 CaO、BaO、Na2O、MgO 等玻璃調(diào)整體則可作為助溶劑降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度，使其在較低溫度下完成燒結(jié)。因此要保證陶瓷粘結(jié)劑流動(dòng)性、粘結(jié)性以及耐火度之間的平衡，就需調(diào)整、優(yōu)化這三個(gè)組分的比例含量。

（2）添加金屬單質(zhì)

由于大多金屬具有較好的導(dǎo)熱性和延展性，將其單質(zhì)作為粘結(jié)劑添加劑，既可對(duì)陶瓷結(jié)合劑其一定的增韌作用，提升對(duì)磨粒的把持作用并提高砂輪的使用壽命，還能夠在磨削的過程中起到冷卻和散熱的作用，減少對(duì)被磨削材料的熱損傷。

（3）納米改性

為了得到性能優(yōu)異的陶瓷結(jié)合劑，研究者們將納米材料添加到陶瓷結(jié)合劑中，制備出比基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑性能更加優(yōu)異的納米陶瓷結(jié)合劑。

晉凱等發(fā)現(xiàn)添加TiO₂后，陶瓷結(jié)合劑的流動(dòng)性和抗彎強(qiáng)度得到一定的改善，不僅可以更均勻包裹 CBN 磨料，從而改善陶瓷磨具的微觀結(jié)構(gòu)，而陶瓷磨具的氣孔率明顯降低，抗彎強(qiáng)度顯著提高；不過如果添加的納米 ZrO₂ 量過多，會(huì)導(dǎo)致其聚集而損害陶瓷 的增韌和強(qiáng)化機(jī)制，使結(jié)合劑的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性下降。

3、氣孔的優(yōu)化

氣孔作為陶瓷結(jié)合劑磨具的重要組成部分，對(duì)磨具的性能影響很大。氣孔在磨削過程中能夠接收容納冷卻液并且將其帶到磨削區(qū)域，達(dá)到冷卻和潤滑的作用。 此外，氣孔在磨削過程中能夠?yàn)槟チＧ邢碌哪バ继峁┤菪伎臻g并在離開工作區(qū)域后排出磨屑，防止堵塞和由此產(chǎn)生的磨削熱，提高工件表面加工質(zhì)量。為保證氣孔正常發(fā)揮上述作用，同時(shí)兼顧砂輪良好的力學(xué)性能，通常要求確定合適的氣孔大小、形狀、分布、連通性以及氣孔率等，但由于氣孔會(huì)隨磨粒、結(jié)合劑的分布變化而變化，因此在砂輪混料時(shí)需要通過添加形狀規(guī)整，粒徑分布窄成孔劑達(dá)到成孔效果。

大氣孔砂輪微觀結(jié)構(gòu)

常見的用于陶瓷砂輪制備的成孔劑主要有以下類型：

（1）精萘：萘是一種傳統(tǒng)的成孔劑，在高溫下升華、揮發(fā)或分解，達(dá)到造孔的效果，其成孔效果好。但 萘升華揮發(fā)或分解產(chǎn)生的物質(zhì)具有毒性，對(duì)人的健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，已被國家禁止生產(chǎn)、銷售和使用。

（2）碳酸鹽：陶瓷砂輪需要在高溫下完成燒結(jié)，而碳酸鹽（如碳酸鈣、碳酸鈉等）在高溫下分解產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w逸出，從而形成穩(wěn)定的氣孔結(jié)構(gòu)，具有成本低、對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。

（3）有機(jī)物：有機(jī)物在高溫下也可以在材料固化或燒結(jié)過程中燃燒或分解，產(chǎn)生氣孔。例如以小粒徑的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）微球作為成孔劑，由于其呈球形且表面光滑，可以產(chǎn)生相對(duì)較小的準(zhǔn)球形孔，避免磨削堵塞，有助于磨屑的順利排出。

（4）碳化硼、碳化硅等填料：此類填料與陶瓷結(jié)合劑之間具有較差的結(jié)合能力，磨削過程中容易脫落，脫落處形成氣孔，同時(shí)這些填料本身具有較大的硬度，不僅對(duì)砂輪強(qiáng)度下降的影響較小，脫落后還可對(duì)工件起到一 定的磨削作用。

二、工藝優(yōu)化

1、磨粒有序化排布

普通砂輪的磨粒分布通常為無規(guī)則的隨機(jī)分布，在磨削加工時(shí)動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)少，磨粒的性能沒有得到充分利用，且容屑空間不足，導(dǎo)致磨削力和磨削溫度較高。因此為提高被加工表面質(zhì)量、延長砂輪使用壽命，可對(duì)磨粒進(jìn)行有序化排布。以下介紹幾種新型磨粒有序化排布的方法：

CBN定向排布釬焊砂輪

（1）磁控排布：為了實(shí)現(xiàn) CBN 磨粒的有序排列，WANG 等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)磁場(chǎng)力的作用下，可以促使 Ni在陶瓷結(jié)合劑中發(fā)生遷移和聚集，使磨粒旋轉(zhuǎn)，改變鍍鎳 CBN 磨粒的方向，使其呈磁鏈?zhǔn)椒植迹瑥亩嵘沾?CBN 砂輪的性能。此外，強(qiáng)磁場(chǎng)的引入還可以使陶瓷結(jié)合劑微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒的取向得到控制且尺寸減小，陶瓷 結(jié)合劑的強(qiáng)度得到提高。不過，為避免鎳層和 CBN 磨粒會(huì)出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象，需要控制好磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

（2）網(wǎng)篩法：網(wǎng)篩法是通過變換網(wǎng)篩孔徑的方法實(shí)現(xiàn)超硬磨料有序排布的技術(shù)，通過調(diào)整網(wǎng)篩孔徑大小，可將磨粒均勻分布在網(wǎng)孔內(nèi)，去除多余的磨料后，再將磨料有序的固結(jié)在基體上并進(jìn)行燒結(jié)。這種方法操作簡(jiǎn)單,但只適用于制造單層大顆粒磨料工具。

（3）人工智能負(fù)壓吸附法：人工智能負(fù)壓吸附法裝置原理是一種新型的磨粒排布方式，其操作主要是用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)磨料的排布方式和取向，通過控制吸盤和取向柵欄的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)孔的數(shù)量、位置和排布，然后由負(fù)壓系統(tǒng)吸附磨粒到取向柵欄并吸附在吸盤上，然后通過機(jī)械手臂裝到模具中壓制。目前利用該裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒吸附率達(dá)100%，對(duì)顆粒晶面，晶棱擇優(yōu)取向達(dá)85%以上。

2、砂輪成型

在陶瓷 CBN 砂輪成形方面，應(yīng)盡量保證陶瓷 CBN 砂輪坯體各部位密度相同，同時(shí)應(yīng)保證成形坯體具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，但在目前的實(shí)際應(yīng)用中，大部分陶瓷 CBN 砂輪采用機(jī)械壓制成形的方式，容易造成陶瓷 CBN 砂輪內(nèi)部殘余應(yīng)力形成，難以在磨削過程中保持性能穩(wěn)定，因而要對(duì)新型成形方法進(jìn)行研究。

目前，許多研究人員研究了將等靜壓壓制工藝應(yīng)用于砂輪成型中。該方法適用于一些形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜或磨料層較厚的陶瓷 CBN 砂輪。相比其他機(jī)械壓制方法，等靜壓成型能夠使陶瓷 CBN 砂輪在各個(gè)方向和部位受到的壓力基本相同，各個(gè)部位的密度差異很小，可降低陶瓷 CBN 砂輪的不平衡度。

等靜壓成型原理（來源：陽誠基金）及所制備砂輪的微觀圖

3、砂輪燒結(jié)

在燒結(jié)過程中，結(jié)合劑成分熔化并在磨料周圍流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磨料之間的粘結(jié)。由于傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝是由外而內(nèi)逐漸升溫完成燒結(jié)的，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)外溫度出現(xiàn)明顯差異，從而材料整體性能上不夠一致。因此近年來逐漸出現(xiàn)一些新興的燒結(jié)方式，比如微波、放電等離子和氣氛壓力等三種燒結(jié)方式，這些新型燒結(jié)方法通過引入外場(chǎng)，改變了傳統(tǒng)燒結(jié)方法僅依靠溫度作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的缺點(diǎn)，不僅能材料的燒結(jié)時(shí)間明顯降低，而且也可以大幅降低燒結(jié)溫度，從而緩解材料內(nèi)外溫度出現(xiàn)明顯差異的問題，使得砂輪的磨削性能進(jìn)一步增強(qiáng)。

參考文章：

1、吳恒恒,許橋,周宏根,等.陶瓷CBN砂輪的研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程.

2、許鵬飛. 陶瓷結(jié)合劑CBN磨具的制備與性能研究[D].西安建筑科技大學(xué).

3、陳超,龔艷麗,顏亮,等.有序化砂輪的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].現(xiàn)代制造工程.

4、白超. 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪燒結(jié)過程關(guān)鍵影響因素研究[D].沈陽航空航天大學(xué).

5、于天彪,王學(xué)智,孫雪,等.高性能CBN砂輪陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程.

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