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陶瓷结合剂

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陶瓷结合剂的化学性质和类型

陶瓷结合剂由硅酸盐（红色和白色粘土）、高岭土（也称为白粘土，Al2Si2O5(OH)4）、长石（KAlSi3O8–NaAlSi3O8–CaAl2Si2O8）、石英（也称为氧化硅，SiO2）和熔融结合剂组成。结合剂在800°C以上的温度下烧结，结果是颗粒被结合剂包围的结构（见图1）。结合剂之间的桥梁留出了气孔。由于烧结温度高，颗粒和结合剂之间可能发生反应。与树脂和金属结合剂不同，陶瓷结合剂具有显著的气孔量。

图1 陶瓷结合剂砂轮结构图

由于成分比例和烧结条件的不同，陶瓷结合剂在外观上有所不同。两种结合剂类型的极端是熔融结合剂和烧结结合剂：

• • 熔融或可熔结合剂是具有高量玻璃相的玻璃结合剂。它们是由粘土和熔融结合剂作为原料的高比例产生的。熔融结合剂完全熔化，流动在颗粒周围，并与颗粒表面发生反应。熔融结合剂增强了结合剂的熔化性能，从而在较低的烧成温度下提高了颗粒保持。

• • 烧结结合剂以瓷结合剂的形式出现，玻璃相的含量较小。高比例的长石和少量的熔融结合剂导致了这种结合剂类型。颗粒只是通过部分熔化的结合剂“粘合”在一起。结合剂的比例和烧结温度相对较高。然而，这种结合剂类型用于力量较小的关键磨削操作和硅酸盐工具。高玻璃含量可以分解硅酸盐颗粒。

 陶瓷结合剂的制造

首先，结合剂成分和磨料混合并填充到模具中，要么通过铸造过程（对于含有高粘土的结合剂），要么通过成型过程（见图3.11）。压制使材料紧凑，产生所谓的“胚体”，可以进行处理。胚体干燥和烧结。之后，砂轮完成并进行质量控制。

 混合

磨料、结合剂和气孔体积的比例决定了磨具的结构和硬度。正确的结合剂成分和颗粒量被称重并混合。即使各种成分的大小、密度、形状和重量不同，也必须控制混合物是均匀的，没有团聚，这样最终的砂轮才有均匀的切削边缘分布。此外，混合过程不能分离组分，引起混合物的变化，或产生热。

在第一步中，通过将原料混合在例如水葡萄糖溶液中，使粗颗粒变得粘稠。然后添加细颗粒，并粘附到预处理的粗颗粒上。必须控制分散以避免聚集。水性酚醛树脂粘接剂是一种常见润湿剂。

常见的混合类型是行星混合器。由于成分在这个过程中可能改变其粘度并发生化学反应，因此适当的混合时间也非常重要。因此，最长达到一小时的标准混合时间是非常常见的。为了提高工具质量，陶瓷结合剂可以在混合后进行造粒和筛选。

 铸造

铸造适用于含有高粘土的结合剂。铸造成本高，逐渐被其他成型过程取代。

 成型和压制

大多数陶瓷结合剂砂轮是通过模具成型制造的。过去，混合物是手动形成到模具中的；目前，全自动或半自动系统提供和分散混合物到模具中。混合物必须均匀地填充到模具中，不会分离，这是通过输送带、振动槽或其他供应系统完成的。填充高度用板材调平。对于复杂的磨具，如曲轴磨削的不同层砂轮、用于滚道的不同硬度区域磨削或无心磨削的大宽度，成型变得更复杂。

压制过程决定了密度分布，从而确定了砂轮的特定特性。压力是砂轮质量的一个重要因素，通常各厂商保密。现在，使用的是计算机控制的液压机，范围在500 kN到45 MN之间。

目前，通常使用定容进行压制，而不是固定压力。超硬砂轮在相对较低的压力下（最大50 N/mm2）用液压或气动压力机或手动压制。

模具和粉末之间不可避免的摩擦导致密度梯度（见图3），这可能导致烧结失真和材料性能不均匀。添加剂如石蜡、多糖、硅油、蜡和聚乙烯乳液润滑混合物，从而支持压制过程。可以在压制过程中叠加约60 Hz的振荡，以增强密度分布。可以替代昂贵的双砧压力机。

图3 压制砂轮的理论硬度偏差示意图

热压用于高密度工具。在陶瓷结合剂中对金刚石进行热压制造出低气孔率的砂轮。使用石墨模具可以在热压过程中实现更高的烧结温度。

然而，由于石墨模具的强度较低，因此该工艺的加热温度必须高于常规烧结温度，以限制压制压力。粘合剂在致密化后，气孔率不到 2%。

 干燥

在干燥或脱脂过程中，从临时粘接剂中排出水。干燥过程在专用干燥炉中进行，或者在一般的升温期间在烧结炉中进行。干燥温度取决于砂轮成分、组成和应用，通常在200到600°C之间。

 烧结过程

在烧结过程中，结合剂成分熔化并在磨料周围流动。含有大量粘土的结合剂在较高温度下熔化；含有较多熔块的结合剂在较低温度下熔化。熔化、湿润、重新固化和形成颗粒之间的粘合桥的机制非常复杂。

结合剂混合物形成非均匀的玻璃，其复杂的组成包括在烧结过程中形成的几种陶瓷粘合矿物。Jackson研究了普通砂轮的烧结和易熔结合剂的玻璃化行为。Bot-Schulz分析了白刚玉和溶胶-凝胶-刚玉不同结合剂成分的化学反应和烧结机理。如果结合剂中含有MgO，烧结过程中会形成莫来石（3Al2O3·2SiO2）、堇青石（2MgO·2Al2O3−5SiO2）和尖晶石（MgO·Al2O3）。如果结合剂中含有CaO，可以形成斜长石（CaO·Al2O3·2SiO2）和莫来石（3Al2O3·2SiO2）。

陶瓷结合剂砂轮制造中的一个问题是熔化和烧结后的收缩。更多的磨料和次级磨料可以减少收缩，但可能对磨具性能产生负面影响。烧结时留下的空隙有时会在烧结收缩过程中塌陷，从而违背了烧结收缩的目的。减少烧结收缩的新方法是使用烧制的粘土（“砾石”）或破碎的耐火砖，大小在30-200微米之间。铈氧化物、铝硅矿、硅矿、硅锌矿或它们的组合可以起到相同的作用。

在烧结过程中发生以下化学过程：

（1）20-600°C：自由水和结合水溶解。临时粘接剂燃烧殆尽。石英（SiO2）在573°C时发生体积变化。气体压力和体积收缩导致模具内应力增大。

（2）600-900°C：碳酸盐、有机物、粘土中的化学结合水和其他挥发物挥发。（3）此外，磨粒和结合剂之间可能发生化学反应。

烧结温度不得诱发不必要的氧化或其他化学反应，从而损害磨粒。与普通磨料相比，CBN 和金刚石的结合剂必须在较低的成型压力和玻璃化温度下熔合。因为CBN比金刚石的热稳定性更高，所以CBN颗粒可以用于更广泛的陶瓷结合剂。特殊的涂层可保护 CBN 砂粒在 800 °C 以上与大多数熔块中的水和碱发生化学反应。对于金刚石砂轮，采用非氧化气氛使烧结温度高于金刚石氧化温度（约 700°C）。

根据用途和批量大小，使用不同类型的窑炉。连续炉，也称为隧道炉或行窑，通常用于普通磨轮的大规模生产，长度可达70米。定期罩式炉用于较小批量生产。一般来说，炉内的约80%体积可以用于生产产品。额外的配件使炉内能够具有特殊的气氛或压力控制。窑炉由电能、气体或燃油进行加热。燃气炉通常更便宜，但不能用于所有所有工艺。

炉子横截面上的温度分布并不恒定。炉内的温度波动不应超过±10°C。砂轮的性能取决于其在窑车上的位置。

温度曲线必须精确控制。加热速率、峰值温度和等温浸泡时间决定了磨轮的性能。温度曲线由加热、浸泡和冷却阶段组成。总时间可以达到100小时。例如，隧道炉中的刚玉砂轮在1到2天内加热到1260°C，保持在最高温度约12小时，然后慢慢冷却。冷却过程必须严格控制，以避免热应力或砂轮开裂。对于非常大的砂轮，冷却过程可能需要数周时间。

 熔融结合剂

熔融结合剂是一种由混合矿物、氧化物和其他无机化合物，加热至至少熔化温度，冷却和粉碎制成的材料的总称。熔融结合剂生产工艺示例如下：将原料熔化至 1150 °C 以上，保温 4 小时，用水冷却，然后将破碎和粉碎。玻璃是一种没有明显晶体形成的无定形物质。在热力学中，玻璃被定义为冷冻的、过冷的流体。快速冷却在固化过程中形成晶种，但时间太短，无法完成结晶过程。

制造砂轮的熔融结合剂通常由硼硅酸盐或镁玻璃组成。此外，熔融结合剂还包含TiO2、长石、硼砂、石英、苏打灰、红铅、氧化锌、白垩、三氧化二锑、氟硅酸钠、燧石、氟化钠铝和硼酸。在生产磨具时，熔融结合剂作为助熔剂，改变玻璃化结合剂的特性，例如降低烧结温度。

熔融结合剂可以通过熔化行为（熔化开始温度、熔化温度和烧结温度）和热膨胀来表征其产品。热台显微镜可以分析熔化行为。

助熔剂

熔点低的硅质粘土被认为是 "助熔剂"，可最大限度地降低粘合剂与磨粒界面的表面张力。例如，锂是最昂贵的助熔剂之一，但可以降低软化和熔化点、粘度以及热膨胀系数。

 造孔剂

在陶瓷粘合轮中，磨料颗粒的自然堆积留下一定的气孔。额外的造孔剂在烧结过程中通过升华或燃烧产生更高的气孔率。造孔剂通常是空心颗粒或逸散材料。空心颗粒如空心球刚玉、玻璃珠或莫来石可保持更强的砂轮结构。常规的逸散造孔剂包括坚果壳粉、糖、淀粉、聚合物材料、塑料颗粒、萘、麦麸（来自黑麦籽）、蜡球等。逸散性造孔剂可实现灵活的气孔形状和大小。

萘是一种易逸性造孔剂，其沸点为218°C。由于萘被认为是致癌物，工具制造商试图用天然成分、超临界CO2、液态CO2或其他材料替代。

在工具生产过程中形成气孔的其他物质通常是有机的，如木屑、盐等。气孔分布的变化导致工具在制造过程中不均匀收缩，尤其是在高温下生产的工具。主要有两方面原因，一方面，复合体的有效热膨胀系数取决于各种组分的相对含量。另一方面，具有较少气孔的密度区域会发生更彻底的烧结作用，收缩更强。为了尽量减少磨料层的不连续性，应充分混合造孔剂和其他成分。

造孔剂的一个问题可能是碳残留。烧结收缩过程中的膨胀、坍塌、脱气或孔隙塌陷都可能导致磨具缺陷。

陶瓷结合剂性能/把持力

由于陶瓷结合剂的弹性不足以承受工具内部的热膨胀差异，因此开始陶瓷结合剂砂轮被认为不适合大的温度变化。一定的结合剂弹性对于平衡磨削热引起的磨粒体积膨胀非常重要。陶瓷结合剂具有很高的热稳定性。然而，Stade报告称在磨削碎片中存在玻璃化结合剂的熔珠。

磨粒是靠机械把持力结合在陶瓷结合剂中，因为结合剂包围了磨粒。此外，结合剂通常与颗粒表面发生化学反应。例如，陶瓷结合剂在刚玉轮中溶解了磨粒表面。对于CBN，早期的陶瓷结合剂只是从传统应用中转移过来，将CBN溶解到结合剂中，并将其转化为氧化硼。随着时间的推移，结合剂成分发生了变化，使得易于修整的CBN粘合系统成为了先进技术。在CBN颗粒进行镀覆，可以避免CBN颗粒和大多数玻璃熔融结合剂中的碱或水在800°C以上的温度下发生化学反应。

然而，金刚石与陶瓷结合剂的成分并没有明显的化学结合。金刚石颗粒的把持力主要是机械把持力。然而，金刚石在650°C以上的温度下与氧反应。因此，金刚石轮必须在低温度或惰性或还原气氛中烧结。镀钛，可以保护烧结过程中的金刚石或CBN颗粒。陶瓷结合剂和白刚玉或溶胶-凝胶刚玉之间的反应层由结合剂和磨粒材料组成，可以通过烧结过程进行调整。反应层的特性影响磨粒的把持力。由于微晶结构和磨粒边界的数量较多，溶胶-凝胶刚玉颗粒暴露出比白刚玉更厚的反应层。

最初的陶瓷粘合CBN磨轮需要单独的成型和开刃过程。新的结合剂解决了这一问题。如今，陶瓷粘合磨轮很容易在一步工序中成型和开刃。修整机制主要是磨粒破碎、磨粒剥落、结合剂破碎、颗粒从结合剂中断裂出来和磨粒变形。Linke发现，修整力可能在工具结合剂中诱发裂纹或支持裂纹扩展，因此磨料层在修整过程中会被削弱。然而，热压的陶瓷粘结合砂轮难以修整，需要与树脂和金属结合剂砂轮类似的单独锐化过程。

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