边华英 王学涛 李玉春 段爱萍 李桂 徐向荣 张昊

摘 要：本文简单介绍了烧结磨具用陶瓷结合剂：烧结结合剂、烧熔结合剂、低熔结合剂和磨具的低温烧成技术，对相关普通磨具陶瓷结合剂的研究文献进行了分析，阐明普通磨具陶瓷结合剂的发展方向在于促成磨具的低温绿色烧成和高强度高速砂轮技术。

关键词：普通磨具；陶瓷结合剂；低温烧成；高速砂轮

1 前言

在陶瓷工业领域烧结陶瓷磨具是一个重要的分支，其主要原材料是陶瓷结合剂与磨料，普通磨具用磨料主要是刚玉和碳化硅磨料，超硬磨具/工具用磨料主要是CBN和金刚石，另外还有一种成本介于普通磨具与超硬磨具之间性价比较高的新型SG磨具，其所用磨料包含了一定体积浓度的烧结刚玉磨料（SG磨料）。而普通磨具用陶瓷结合剂与后两者所用陶瓷结合剂有很大的不同，前者基本为高温结合剂，磨具的烧成温度约为1300℃，后者主要为低温结合剂（或称低熔陶瓷结合剂），通常认为烧成温度低于 1000℃[1]。在磨具结构中结合剂将磨粒固结在一起，以“结合剂桥”的形式存在，一定程度上决定着陶瓷磨具的强度和其他相关性能。普通磨具用陶瓷结合剂在制备时常采用矿物原料粘土、黄土、滑石、长石、石英粉、萤石和锂辉石等与硼玻璃、硼硅玻璃熔块料配制而成[2-4]；而CBN和金刚石以及SG磨具用陶瓷结合剂均为熔炼过的熔块料。

陶瓷磨具结合剂一般分为烧结结合剂和烧熔结合剂，烧熔结合剂又包括半烧熔（半烧结）和低熔结合剂。

2 普通磨具常用陶瓷结合剂

2.1烧结结合剂

烧结结合剂，在磨具烧成时产生的液相量少，其显微结构组成为大量的结晶相、少量的玻璃相和气孔。烧结结合剂的典型矿物组成为粘土、长石、石英以及少量的滑石。主要用于碳化硅磨具的生产中，有利于避免黑心缺陷的形成[2]。闫国进[5]等通过电子探针微区分析研究了粘土-长石-石英系烧结陶瓷结合剂碳化硅磨具的显微结构特征，其研究结果表明结合剂呈典型的烧结状态，有大量的晶界和微细裂纹、尺寸较大的气孔存在，其物相主要为玻璃相和残留石英，在较大颗粒的残留石英内部及周围发育有裂纹。烧结结合剂的典型化学成分见表1[2]。

2.2 烧熔结合剂

烧熔结合剂的耐火度低于磨具的烧成温度，在磨具的焙烧过程中随着温度的升高结合剂发生一系列的物理化学变化，物料经过熔融、溶解等过程产生较多的液相，对磨粒形成浸润和粘结，在冷却后磨具固化凝结为坚硬的整体。烧熔结合剂所用原材料除粘土（黄土）、长石、石英之外，更含有较多的催熔原料，比如滑石、萤石、锂辉石、硼玻璃、硼硅玻璃、硼铅玻璃、碳酸钠等。这种结合剂的烧熔机理是在加热过程中催熔组分、原料中的杂质及某些原料的新生化合物之间会发生共熔作用而产生液相，继而催熔组分熔融，液相量增多，将难溶的固相浸溶，直至残留的固相全部或绝大部分都成为液相。烧熔结合剂焙烧之后其显微结构大部分为玻璃相，有时也会存在少量的结晶相。刚玉磨具多采用烧熔结合剂，主要包含粘土-长石系列、粘土-长石-硼玻璃系列、硼玻璃-石英-纯碱系列、粘土-长石-滑石系列、粘土-长石-硼玻璃-滑石系列、粘土-硼玻璃-无碱玻璃-锂辉石系列。粘土-长石系结合剂由于原材料来源广、成本较低、工艺性能稳定等原因应用较广，但是对于粗粒度以及软级硬度的磨具还需引入硼玻璃，即采用粘土-长石-硼玻璃系列[2]。

粘土-长石-硼玻璃系结合剂是常用的烧熔结合剂，其所含有的硼玻璃的耐火度较低，介于640 ～ 690℃，是强催熔剂。硼玻璃用于配制结合剂时能够显著降低结合剂的耐火度，从而降低磨具的烧成温度。这种结合剂流动性好、润湿性强，因为含有B2O3可以有效提高砂轮的抗张强度，所以通常要提高砂轮的强度时常常采用含硼结合剂。同时由于含硼结合剂成本往往较高，所以一般在制造粗粒度及结合剂用量较少等特殊技术要求的砂轮时采用含硼结合剂，或者用于制造50 ～ 60 m/s的高速砂轮、80 m/s或更高线速度的砂轮，生产上一般采用中硼区（硼玻璃含量为15 ～ 30%）的结合剂[2]。烧熔结合剂的典型化学成分见表2[2]。

闫国进[6]等通过电子探针微区分析研究了粘土-长石-硼玻璃系烧熔陶瓷结合剂刚玉磨具的显微结构特征，探知结合剂呈基本均匀的玻璃态，结合剂与磨料反应明显，在界面处結合紧密，刚玉磨料的边缘被熔蚀，棕刚玉呈锯齿状，白刚玉呈港湾状。借助能谱分析探测到棕刚玉磨料中的杂质主要为TiO2，而且这种杂质随着磨料的熔蚀进入结合剂玻璃相内部或界面处析出金红石微晶。

烧熔结合剂相对比于烧结结合剂其应用较广，主要用于各种刚玉磨具，但是为了特殊需要，一部分碳化硅磨具也在趋向使用烧熔结合剂。半烧熔（半烧结）结合剂是一种耐火度接近于磨具焙烧温度的结合剂，其性能介于烧熔结合剂和烧结结合剂之间，可以很大程度上改善烧结结合剂的流动性、反应能力、高温润湿性，只是这种结合剂磨具的强度较低，磨具硬度与强度易受烧成温度波动的影响，在生产操作上有一定难度。常被用于低浓度碳化硅磨具和细粒度高硬度刚玉磨具的制造，可以避免使用烧熔结合剂造成的黑心、发泡、变形现象[2]。

烧熔结合剂与烧结结合剂相比具有以下优势[2]：

（1） 一般情况下烧熔结合剂磨具的机械强度都比烧结结合剂的磨具强度高，能够保证砂轮具有较高的回转破裂强度，也就是砂轮的使用安全性相对较高。

（2） 烧熔结合剂在砂轮烧成时基本能完全熔融，当烧成温度有波动时仍能保证磨具的硬度、强度的相对稳定，产品的组织均匀性相对较好，质量稳定。

（3） 烧熔结合剂的反应能力强、高温润湿性好，有利于改善磨具的性能。

（4） 由于烧熔结合剂的反应能力强，在磨具组成中所占的量少，结构组织相对较松，气孔率、磨粒率较高，可提高磨具的磨削效率并减少对工件的烧伤。

虽然烧熔结合剂的优越性显著，但是烧熔结合剂磨具如果在烧成后高温段冷却制度控制不当则会产生较多的大晶粒，降低磨具的组织强度和各向均匀性，比如高温冷却段速度缓慢时结合剂体系内首先会析出钙长石、金红石晶体，这是由于高温熔体内质点的能量状态较高，有析晶释放能量的倾向，冷却段速度越慢会有更多的晶体析出或晶体长大，从而会对固结磨具的强度和结构均匀性产生危害，所以需要设定合理的磨具烧成温度制度[2]。

3 普通陶瓷磨具的低温烧成

普通陶瓷磨具及其所用结合剂的发展方向和趋势主要是高速砂轮和低温烧成技术。鉴于环保的压力，社会各阶层都在密切关注环保、节能、减排、防雾霾的形势，在陶瓷磨具领域推行低温绿色高强度结合剂是发展方向。目前国内各砂轮厂生产的陶瓷磨具烧成温度一般介于1250 ～ 1300℃，为高温烧成技术[1]。在磨具和工具行业通常所说的低温结合剂是指用于超硬金刚石或立方碳化硼工具的烧成温度在1000℃以下的陶瓷结合剂。对于普通磨具的中低温烧成技术尚没有特别明确的规定，或可以参考其他陶瓷制品技术的相关术语规定。在陶瓷行业的日用瓷与建筑卫生陶瓷领域都在发展低温快速烧成技术，一般认为可比原烧成温度降低80 ～ 100℃以上、烧成时间相应缩短后的产品性能与原烧成工艺条件下烧制的产品性能一致的烧成技术即为低温快烧技术。[7]低温快烧成比高温烧成其优越性显著，主要表现在以下几个方面[1、2]：

（1）节能。据热平衡计算数据可以估算从1050℃升到1320℃时的热能消耗约相当于1050℃以前的全部热能消耗，而每降低烧成温度100℃则可平均节能1/6。

（2）缩短烧成周期，提高窑炉、窑具等设备的周转率。以间歇窑烧成Φ400 mm的砂轮来分析，在整个升温阶段中，自1000℃起升温至1300℃所占用的时间约相当于1000℃以前所占用的时间，这是由于高温比热容以及高温散热更多的原因。那么，如果烧成温度降至1100℃，升温时间则可缩短约1/3，而降温冷却时间也相应缩短，故而可以增加窑炉的周转率，提高生产效率。

（3）烧成温度降低后对窑炉的保温性能等级要求也可以适当降低，即可以减少传统耐火物的厚度，增大窑容量，同时能够延长窑具耐火物的使用寿命。

（4）磨料中过量的磁性物质在较高的烧成温度下往往易形成斑点，一方面会影响产品的外观，另一方面在磨削时还易于烧伤工件，若采用低温结合剂，则可以减少斑点的形成和数量，改善商品的质量。

（5）低温烧成时刚玉磨具的外观颜色较好，碳化硅磨具也不易产生黑心、发红的缺陷。

（6）低温烧成时对燃料的要求也适当降低了，在环保达标、燃料热值和烧成温度可及的情况下则可以使用质量稍次的燃料，能够适当降低燃料成本。

低温烧成技术虽然具有以上诸多优点，但其应用也需兼顾以下制约因素，比如，由于低温结合剂掺用的粘土、石英類原料少，熔剂性原料较多，不宜用于生产高强度和高硬度的磨具，并且由于生坯的强度比较差，会增大半成品搬运废品，同时磨具易变形，棕刚玉磨料因烧成温度低不变色出现与目前工艺情况下外观颜色不一致的情况。

4 普通磨具用陶瓷结合剂的相关研究进展

因为结合剂的性能主要由结合剂的成分来决定，即决定于其化学组成与矿相组成，而其他因素比如加入添加剂则是因为改变了结合剂的组成，所以会对结合剂的相关性能如耐火度、流动度以及强度产生影响。张书森[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陶瓷结合剂的强度和耐火度情况，在其数据列表中可见含10%CaO时结合剂的耐火度最低为1198 ± 5℃，磨具抗拉强度基本随CaO含量的增加而降低；侯永改， 王改民[1]探讨了影响低温烧成陶瓷结合剂强度的因素，其团队以粘土-长石-硼玻璃系（即Al2O3- SiO2- R2O- B2O3系统）陶瓷结合剂为基准结合剂进行了研究，结果表明加入Li2O或PbO代替Na2O而当Li2O加入量在2 ～ 3% 、PbO加入量在3 ～ 5%时能改善结合剂的强度；加入氧化铝粉、石英粉、滑石等对结合剂的强度有不同的影响，加入细粒氧化铝粉4 ～ 5%时强度有明显提高，加入细粒石英粉1～ 2%强度有少许提高，结合剂的流动在80 ～ 140%时，其强度较高。刘芳，范文捷等[11]探讨了α- Al203 粉在陶瓷磨具结合剂中的作用，通过结构表征分析了向结合剂中加入的α- Al203粉能与陶瓷结合剂反应形成反应层起到加强网络的作用，改善结合剂的性能，使陶瓷磨具在气孔率较高的情况下仍然具有较高的机械强度。范文捷，刘芳等[12]对粘土-钾长石-硼玻璃、粘土-钾/钠长石-硼玻璃、粘土-钾长石-钙玻璃、粘土-钾长石-锂辉石等系统的结合剂进行研究探讨了陶瓷高速砂轮结合剂中的不同成分对砂轮强度的影响，通过对其实验研究分析得知在现行烧成工艺条件下，在常用的粘土-钾长石-硼玻璃系统中引入钠长石部分替代钾长石，当其质量比占结合剂总量的21%时，所制备的结合剂生产的陶瓷砂轮回转强度应为最高。根据文中分析可发现加入钙玻璃和锂辉石等也会提高结合剂的强度，同时具有降低结合剂的耐火度和磨具烧成温度的作用。

程宝珠，马秋花等[13]研究了陶瓷结合剂对高速砂轮强度的影响，其结论是在一般陶瓷结合剂中增加硼玻璃，能够提高结合剂的强度；而在结合剂中其它成分含量相同的情况下，钾长石、钠长石同时存在且二者等比例加入时砂轮的平均破裂速度比单独采用钾长石时达到最高值；而单独采用钾长石比只用钠长石时砂轮的平均破裂速度要高。程宝珠，李淼等[14]探讨了烧成温度制度对陶瓷结合剂高速砂轮强度的影响，研究结论为不同的窑型、不同的烧成曲线对较小规格Φ400 mm砂轮的破裂速度影响较小， 而对于较大规格Φ600 mm砂轮的 影响较大，可通过采用缓慢升温、增加驻点保温时间、适当延长最高烧成温度段保温时间的方法提高砂轮强度，使Φ600 mm砂轮的平均破裂速度达到108 m /s， 为其使用速度的1.8倍。

在普通磨具的低温烧成方面胡在簋，于庆茂等[15]基于硅硼网络理论进行了刚玉砂轮陶瓷低温结合剂的试验研究，控制结合剂的B2O3 12%以内、R2O15%左右，对120#以粗刚玉磨料砂轮实现了以贝克莱引进窑炉990℃烧成，制得产品的硬度和强度全部符合技术指标要求。董晓烽、肖卓豪等[16]称通过采用传统熔体冷却法制备K2O-B2O3-Al2O3-SiO2系玻璃结合剂，在1000℃保温2 h的条件下制备出了性能优良的刚玉砂轮样品。王福成[17]探讨了采用低熔结合剂用于碳化硅磨具的低温烧成，研制了一种结合剂V2，耐火度910℃，磨具烧成温度970℃。

在绿色陶瓷结合剂发展方面王学涛，杨雪峰等[18] 发明了一种添加建筑玻璃废料的白刚玉陶瓷砂轮结合剂，由钾长石、粘土、滑石、回收的建筑玻璃废料磨细粉复配制成，耐火度1020 ～ 1050℃，在用于白刚玉陶瓷砂轮生产时最高烧成温度不超过1260℃。利用此结合剂技术制造的白刚玉砂轮使用线速度可达63 m/s以上，回转破裂线速度达到126 m/s 以上，砂轮的耐用度、磨削效率、加工精度均较高，工件无烧伤裂纹等缺陷。主要是可在一定程度上消解固体废弃物废旧建筑玻璃，促进三废的利用，符合发展循环经济的宗旨。

5 结语

结合文献和专利技术以及磨具企业的实际生产工艺和技术现状来看，用于普通磨具的高强度结合剂和低温烧成技术仍需加强研究，趁着互联网技术的迅速发展和国家对大众创新万众创业支持和鼓励的东风，对于适用于普通磨具的低温绿色烧成和高强度高速砂轮技术的结合剂一定能更好地攻克難关并有长足发展。

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