刘鑫鑫，刘世凯，邓士炜

(河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001)

超硬磨具纳米陶瓷结合剂研究进展

刘鑫鑫，刘世凯，邓士炜

(河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001)

文章分析了超硬磨具用纳米陶瓷结合剂的典型特征，针对其制备方法和最新研究现状进行了综述，讨论了目前纳米陶瓷结合剂研究中可能存在的问题及对策。纳米陶瓷结合剂的研究有助于超硬磨具进一步适应超高速和超精密等特种磨削技术的基本要求，并对其应用领域的拓展具有重要作用。

超硬磨具;纳米材料;陶瓷结合剂;研究进展

1 引 言

超硬磨具是以人造金刚石或立方氮化硼为磨粒，加上陶瓷、树脂或金属等不同种类结合剂所制成的磨具［1］。由于超硬磨具具有磨损少、使用周期长、磨削比高和切削锋利等特点，在材料磨削加工方面具有重要应用前景。在超硬磨具中，对磨具有关键性影响的是结合剂［2-3］。陶瓷结合剂与其它结合剂相比，具有良好的自锐性、抗热性，对酸、碱和油等环境有很好的惰性，还具有把持力强，硬度高，应用范围广等特点，可以满足各种精度要求的磨削加工［4-7］。但是，普通的无机陶瓷结合剂较高的烧结温度、较低的抗折强度及自身脆性等，严重限制了超硬磨具在超高速和超精密等特种磨削加工方面的应用［8-10］。为了解决这一问题，围绕如何降低烧结温度和改善陶瓷结合剂的脆性等问题，国内外学者开展了不少研究，取得了一定进展;其中通过开发纳米陶瓷结合剂较好地实现了对传统陶瓷结合剂的增韧补强［11-12］。纳米陶瓷结合剂一般是在基础陶瓷结合剂中加入纳米级的粉体而得到的一种纳米复合材料。这种纳米陶瓷结合剂由于纳米材料的添加，自身表现出良好的特性，可在一定程度上解决陶瓷结合剂的低温高强问题。目前，纳米陶瓷结合剂的研究热点主要集中在制备方法、添加纳米物种类和相关机理研究等方面。

本文从分析纳米陶瓷结合剂的典型特征入手，综述了纳米陶瓷结合剂的制备方法和研究现状。正因为纳米陶瓷结合剂具有独特的结构和性能，日益成为超硬磨具用新型陶瓷结合剂的研究热点。

2 纳米陶瓷结合剂的典型特征

通过学者们多年的研究，超硬磨具用纳米陶瓷结合剂在理论和实践应用方面有了较大进展。分析起来，纳米陶瓷结合剂具有以下几个方面的典型特征:

(1)用于超高速磨削加工的纳米陶瓷结合剂一定程度上解决了普通陶瓷结合剂强度低的问题。这是因为在陶瓷结合剂中纳米材料的混入一定程度上修复了陶瓷结合剂结构本身以及气孔生成的细微缺陷，较大程度改善了陶瓷结合剂的抗折强度以及韧性，起了增韧补强作用，因而可以广泛用在超高速磨削加工中。

(2)陶瓷结合剂纳米材料的引入在一定程度上提高了对超硬磨料的把持力，磨削效果显著提高。这是由于添加了纳米材料的陶瓷结合剂的浸润能力的改善，在烧结过程中，纳米陶瓷结合剂可以对磨料有显著的结合和包覆，也就增加了对磨料的把持力，使得在磨削加工时的效果更加显著。

(3)在烧结过程中，添加了纳米材料的纳米陶瓷结合剂有效降低了烧结温度和更致密化烧结。这是由于加入的纳米材料具有表面效应，纳米材料具有很高的一些高活性的粒子与周围的粒子发生作用相对容易，这就增强了陶瓷结合剂的反应能力，结果就是陶瓷结合剂的烧结温度的降低。

3 纳米陶瓷结合剂制备方法

纳米陶瓷结合剂的制备方式，目前主要有三种:直接混料法，球磨法和溶胶－凝胶法。研究表明:超硬磨具用纳米陶瓷结合剂制备方法的不同，其对磨具的影响也不同。直接混料法是目前大多数研究者使用的方法，它的做法就是让纳米添加剂直接加入到预先制好的普通陶瓷结合剂中，不经过大型的混料设备。它的优点是操作简便，缺点是不易混匀，易发生团聚现象。侯永改等［13］通过直接混料法，将不同剂量的AlN(2～10 wt%)添加到基础玻璃料R2O－ROB2O3－Al2O3－SiO2中，制得样条，测试结果表明:在氩气气氛下，当AlN添加量为6%时，陶瓷结合剂性能最佳，其抗折强度为 70.8 MPa、冲击强度为12.3 kJ m－2、硬度为810MPa。相对来说，陶瓷结合剂性能得到改善。

球磨法的做法就是把陶瓷结合剂原料和纳米添加物一起放到球磨机中，球磨机设定一定的时间和频率通过振动和研磨来让它混合均匀。所以球磨法的优点是可以把原料混匀，缺点是易引入杂质。张景强等［14-16］通过高频共振球磨的方法，把不同含量、不同种类的纳米SiO2、Al2O3、ZrO2添加物和陶瓷结合剂原料一起放入高频共振球磨机约8～10小时，然后压制成型，烧结得到样品，经过一系列分析测试，结果表明:添加纳米SiO2为5%、纳米Al2O3为10%、纳米ZrO2为3%的多纳米成分的陶瓷结合剂的抗折强度为83.75MPa，耐火度为795℃，可以用于特种磨削。

溶胶－凝胶法就是将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。这种方法可以处理由于纳米材料的活性大而产生的团聚，解决分散到陶瓷结合剂中不均匀的问题。胡伟达等［17］在这方面做了许多探索，通过该法的工艺调整制备了Na2O－B2O3－Al2O3－SiO2系陶瓷结合剂原料，得到的最好工艺参数为:加水量r(nH2O/ nTEOS)为60，pH调节为4，凝胶化温度为70℃，后续凝胶热处理温度为500℃，最后经球磨处理并过200目筛网，制得陶瓷结合剂粉末。

综上，以上三种方法都具有各自的优点和不足，当前可以在方法改良方面进一步工作，开发出简便高效的纳米陶瓷结合剂制备方法是必然要求。我们课题组用超声化学方法将纳米添加物引入到陶瓷结合剂中，取得了显著进展。

4 纳米陶瓷结合剂研究现状

作为新型的超硬磨具用陶瓷结合剂，纳米陶瓷结合剂较好地解决了传统结合剂低熔高强的问题，成为相关领域的研究热点。目前纳米陶瓷结合剂除了制备方法的研究之外，研究者们也从不同种类的纳米添加物入手，常见的纳米添加物主要有纳米氧化物、纳米氮化物和其他添加物。

侯永改等［18］研究了添加纳米ZrO2对结合剂的影响，对样条进行一系列测试，结果:纳米ZrO2添加量为8%时，纳米陶瓷结合剂性能最优，抗折强度为63.41MPa，气孔分布均匀，微观结构良好。万隆等［19－20］研究了添加Li2O、ZnO和MgO对陶瓷结合剂性能的影响，发现单独添加Li2O能降低结合剂的耐火度，结合剂的抗折强度得到增加，在研究ZnO、MgO与Li2O的比例时发现，当(摩尔比)Li2O∶ZnO=2∶1时，MgO∶Li2O=0.67∶1时，结合剂的性能比较好。Cui等［21］研究了Y2O3添加对cBN磨具用Li2O－ZnO－Al2O3－SiO2(LZAS)陶瓷结合剂结构和性能的影响，研究结果表明，Y2O3充当了硅氧四面体周围的成网体，在玻璃中引入Y2O3提高了玻璃化转变温度和结晶温度，并且晶体形貌取决于Y2O3的含量;当Y2O3的含量为1.0mol%时，结合剂的热膨胀系数与cBN磨料基本相当，结合剂的显微硬度高达5.98 GPa，抗折强度达202 MPa，表现出优良的化学稳定性。He等［22］研究不同WO3含量对SiO2－B2O3－Al2O3－CaO系陶瓷结合剂结构和性能的影响。结果表明，随着WO3含量的增加，硼氧四面体减少、硼氧三角形降低和CaWO4相增加，抗折强度提高，当WO3含量为2.0wt%时，结合剂抗折强度可达114MPa，热膨胀系数为6.8020× 10－6℃－1，与金刚石接近。

Li等［23］研究了AlN添加对陶瓷结合剂和陶瓷结合剂cBN复合材料的热性能和机械性能。陶瓷结合剂是以SiO2－LiO2－Na2O－ZnO基础陶瓷结合剂填充AlN而成，陶瓷结合剂cBN复合材料是以陶瓷结合剂与cBN结合而成，研究表明:当AlN含量由0wt%到8wt%时，热导率从0.74W/m·K升高到1.44W/m· K，热导率的显著提高归因于热导通道和α-磷石英新相的形成。Shang等［24］研究了纳米AlN添加和烧结温度对低温陶瓷结合剂的影响，结果表明:当添加量为6.0wt%时，结合剂强度从20MPa升至40MPa，显著提高了结合剂的抗折强度，同时抗磨性能明显改善。Hou等［25］研究了纳米AlN添加和不同气氛烧结对Na2O－SiO2－B2O3陶瓷结合剂结构和性能影响。结果表明:在氩气气氛中，纳米AlN添加量为6.0wt%时，结合剂抗折强度最大。

除了纳米氧化物和纳米氮化物外，研究者也对纳米复合材料进行了一定研究。陈飞晓等［26］向Na2O–Al2O3–SiO2–B2O3系基础陶瓷结合剂中加入不同剂量的纳米Ti(C，N)粉体得到纳米陶瓷结合剂。结果表明:加入6wt%纳米Ti(C，N)的陶瓷结合剂的性能最佳，其抗折强度与未添加相比增加了39.92 MPa，流动性有了一定改善。燕山大学王艳辉等［27-29］研究了纳米陶瓷结合剂，结果表明纳米添加物的添加提高了结合剂强度和耐磨性，使流动性和气孔等方面有了一定的改善，也降低了耐火度。

总体上，纳米陶瓷结合剂已呈现出诱人的应用前景，但是国内外相关研究还应当深入开展，特别是对于影响机理的直接研究需重之。我们课题组开展了不同维度和不同种类纳米材料复合陶瓷结合剂的制备及应用工作，取得了一定进展。

5 可能存在的问题及对策

陶瓷结合剂以其独特的性能，在工业加工中有着不可替代的作用，较好的自锐性，较高的硬度，是人们选择它的主要目的。然而，其脆性较大，抗冲击强度较低等，仍然制约其进一步实际应用;纳米陶瓷结合剂的开发可望很好地解决这些问题。纳米陶瓷结合剂有很多优异的性能，比如强度高，烧结温度低等，但是目前也存在一些问题亟待解决。首先，纳米陶瓷结合剂在混料时易发生团聚现象，不易分散;其次，由于纳米材料的表面效应，使得纳米材料的比表面积大，在坯料成型阶段不易压制成型;最后，纳米材料的反应活性大，在烧结阶段易于异常长大或反应等。

针对这些问题，建议从以下几个方面加强工作:

(1)对传统的混料方法进行改进，探索实现不同技术手段的协同作用的有效途径;也可以采用溶胶－凝胶法，实现其分子级别的均匀混合，解决混料时团聚现象。

(2)采用适宜的热压等新型压制工艺，解决坯料不易成型问题，但应注意成型压力的合理调控等。

(3)进一步研究纳米陶瓷结合剂的微观机理，筛选合适的晶粒抑制物质作为微量添加剂，解决烧结阶段的异常长大等问题。

(4)进一步系统研究不同种类纳米材料对陶瓷结合剂以及超硬磨具微观结构和性能的影响，其中在纳米材料形貌结构和纳米复合材料添加方面应特别关注。

随着人们对零件的加工精度和速度越来越高，超硬磨具纳米陶瓷结合剂的应用已成必然，它大大拓宽了应用领域，在航空航天等高端材料加工领域有着巨大的优势［30］，也必然成为广大学者的研究热点。

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Research Progress of Nano Ceramic Bond for Superhard Abrasive Tools

LIU Xin-xin，LIU Shi-kai，DENG Shi-wei
(School of Materials Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，China 450001)

Typical characteristics of nano ceramic bond for superhard abrasive tools has been analyzed in this article.And the the possible problems and countermeasures in current research of nano ceramic bond have been discussed based on its preparation methods and the latest research status.The research may help superhard abrasive tools to meet the requirement of the special grinding technologies such as ultrahigh speed and ultra-precision and can play an important role on the expansion of its application domain.

superhard abrasive tools;nano material;ceramic bond;research progress

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0046－04

2016－09－17

河南省科技厅自然科学项目(152102210271)河南省教育厅自然科学项目(14B430019)

刘鑫鑫(1990－)，男，河南商水人，硕士研究生，主要从事纳米陶瓷结合剂的制备及应用研究。E-mail:18638764793@163.com。

刘世凯(1979－)，男，河南登封人，博士，河南工业大学副教授，主要从事纳米技术在超硬材料和磨料磨具中的应用研究。E-mail:shikai _liu@haut.edu.cn。

刘鑫鑫，刘世凯，邓士炜.超硬磨具纳米陶瓷结合剂研究进展［J］.超硬材料工程，2016，28(6):46-49.