1.基础知识

1.1模具的定义

磨具属于工具范畴，是加工工具。广义地讲，凡是在加工工序中起磨削、研磨和抛光作用的工具，都称之磨具（Grinding Tools or Abrasive Tools）。狭义上的磨具是指用结合剂将许多细小的磨粒粘结成固结或非固结状态能够对工件进行研磨、磨削和抛光加工的一类工具。加工过程中，与磨具表面硬度不一致的被加工材料在一定压力作用下与磨具之间发生相对运动，从而产生研磨、磨削、抛光等作用。

1.2磨具的结构与主要特征

1.2.1磨具的结构

磨具（固结磨具）一般由磨粒、结合剂与气孔三部分组成，它们对磨具的各项性能有重要的影响，因而通常将磨粒、结合剂和气孔这三者称之为磨具的三要素(图一所示))。在磨具的三要素中，磨料构成了磨具的最主要原料，其本身具有较高的硬度以及适当的脆性，在加工过程中能够对工件起磨削作用；结合剂主要将各个磨粒固结在一起，使之成为具有一定形状以及强度的磨具；气孔是存在于磨具中的空隙，在磨削过程中起到散发磨削热和容纳磨屑的作用，还可以浸渍某些特殊的填充剂或添加剂，如蜡、硫、树脂和金属银等，能够改善磨具性能，从而满足被加工材料某些特殊加工的要求。

图一模具结构示意图

1.2.2模具的分类

模具的分类一般有一下几种方法：

1.按基本形状和使用方法的不同分类

固结磨具—砂轮、砂瓦、磨石、磨头、抛磨块等；

涂附磨具—页轮、砂布、砂带、砂纸、砂盘等；

研磨膏—软膏、硬膏等。

2.按结合剂种类分类

陶瓷结合剂量磨具、金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、橡胶结合剂磨具、菱苦土磨具等。

树脂结合剂主要是酚醛树脂。它是由苯酚和甲醛按一定的比例在催化剂的作用下聚合而制得的。用它成型的磨具通过热硬化成为具有一定耐火性和耐热性的固体，并且具有相当的弹性，但其不抗碱性溶液作用，强度也不太大，不能在线速度大于60m/s的高速磨削中使用。

金属结合剂超硬磨具一般指烧结金属磨具。金属结合剂磨具中应用最广泛的是青铜结合剂磨具。青铜结合剂砂轮比树脂结合剂砂轮强度高、耐磨，工作面积和形状保持性好，寿命长，可承受大负荷，但自锐性差、效率低。青铜结合剂砂轮宜用于首先考虑耐用而不是效率的场合。此类结合剂多用于超硬模具，在普通模具中应用较少。

陶瓷结合剂利用的是低熔点的陶瓷玻璃，通过烧结，使结合剂全部或部分熔融，成为有一定流动性的粘滞液体，将磨粒粘结包裹起来，位于磨粒间的陶瓷结合剂液相由于表面张力的作用将两颗粒拉紧；冷却后把磨料紧紧固结起来。陶瓷结合剂的磨具在烧结中产生了一定量的气孔，因此磨具有很强的自锐性和较低的热膨胀性；陶瓷的脆硬特性使得磨具具有弹性模量高，使用时变形小，加工精度高的优点。

橡胶结合剂磨具具有高的弹性、结合强度，锋利，适用于精磨、抛光、超薄切片等优点，但其价格昂贵，同时耐热、耐碱性较差。菱苦土磨具是氧化镁与氯化镁的混合固化物，制作简单，只需烘干，不要烧成，自锐性好，质地软，发热小，可制造大且复杂的砂轮，但其寿命较短，耐水性较差；

3.按磨料材质分类

氧化物系磨具—棕白刚玉磨具等；

碳化物系磨具—碳化硅磨具、金刚石磨具等；

氮化物系磨具—立方氮化硼磨具等。

1.3.3磨具的主要性能指标

1.磨具的硬度

磨具硬度是指结合剂在外力作用下抵抗磨粒从磨具表面脱落的抵抗力。一般而言，磨具的硬度不同，其磨削性能也不同。一方面是因为磨具的硬度高，磨粒难从磨具表面脱落，磨削时磨具损耗就小；反之，磨粒容易从磨具表面脱落，磨具磨削时损耗就大。另一方面是因为磨具的硬度直接决定了磨具的自锐性能。磨具在磨削时磨粒棱角磨损逐渐变钝，磨削力逐渐增加，进而促使变钝的磨粒崩裂或脱落而露出新的磨粒。而磨具自锐性的好坏，直接影响了磨削锋利程度、磨削效率、磨削力、磨削表面粗糙度、磨具的耐用度及使用寿命等一系列性能。影响磨具硬度的主要因素是结合剂的性能及数量、成型密度、烧成时间和温度等，而与磨粒本身的硬度无关。

图二普通磨具的综合分类

2.磨具的组织

磨具组织是指磨粒在磨具中的体积分布，反映了磨具中磨粒的疏密程度。以磨粒占磨具的体积百分比表示，称为磨粒率。磨具组织的松紧，反映了磨具中气孔的多少和单位面积上有效磨削刃（磨粒的棱角）的疏密，是影响磨具磨削性能的重要因素之一。组织松的磨具，磨粒之间的间距大，单位面积内参与磨削的磨粒少，故磨削生热较少，同时磨具中气孔多，一方面使磨具具有的容屑空间大，排屑容易，减少磨削过程中的堵塞；另一方面由于气孔多而使得磨削液或空气进入磨削区，降低了磨削点温度，从而减少工件的热变形和烧伤、裂纹等加工变质层的产生；反之，组织紧密的磨具中气孔少，容屑的空间少，排屑困难，气孔容易堵塞。但是组织紧密的磨具其单位面积内的磨粒数较多，有利于降低加工后工件的表面粗糙度，提高加工精度。鉴于此，磨具组织的选择与确定应综合考虑被加工工件材料的性质、加工方式、接触面积等因素。

3）磨具的强度

磨具的强度包括抗弯强度、抗拉强度、抗冲击强度和抗压强度。磨具抗拉强度反映了磨具抵抗拉伸应力而不被破坏的能力，与磨具在高速回转时可能破裂的程度有关；磨具的抗弯强度反映磨具抵抗弯曲应力而不被破坏的能力。在成型磨削的过程中，如曲轴磨削、螺纹磨削及各种类型的切入磨削，磨具主要受到弯曲应力的作用，因此要求磨具具有良好的抗弯强度。磨具的强度与磨料种类、结合剂种类及性能、磨具的组织、硬度、密度、混料及热处理工艺等因素有关。

1.3陶瓷结合剂概述

在陶瓷磨具制造中结合剂起着粘结和把持磨粒的作用，决定着陶瓷磨具的强度、硬度、自锐性和使用寿命等主要性能，同时也决定了陶瓷磨具的制造工艺。要得到性能良好的陶瓷磨具，陶瓷结合剂的性能是关键。陶瓷结合剂与树脂结合剂和金属结合剂相比，具有以下优势：第一，陶瓷结合剂在烧结过程中与磨粒产生物理化学反应，使得陶瓷结合剂对磨粒的把持力强、刚性好、耐热性好。第二，陶瓷结合剂在烧结过程中产生气孔，这些气孔在磨削中能够起到容屑、排屑的作用，提高了磨削效率；同时气孔可以存储磨削液，对加工表面进行润滑和冷却。第三，陶瓷结合剂弹性模量大，磨具变形小，因此陶瓷磨具加工出的表面精度高，表面光洁度也较高，故适用于精加工。第四，陶瓷结合剂脆性大，磨具易于修整和修锐，磨削时切削刃锋利，磨削力小。第五，陶瓷结合剂化学稳定性好，一般不与磨削时的冷却液发生反应。

按陶瓷结合剂烧成温度(或耐火度)的高低来分，陶瓷结合剂分为高温和低温两大类。一般把耐火度高于1000℃以上的称为高温结合剂，这类结结合剂由长石、石英等无机非金属矿物和少量的添加化合物组成，其原料成本较低，结合剂的耐火度高，适用高温烧成，烧成后的磨具内物相不均匀，有大量的未融物质，常用作普通磨料磨具生产用结合剂。耐火度低于1000℃以下的称为低温结合剂，又分为两种类型，一类用于普通磨料磨具生产；另一类是超硬材料磨具剂。为满足低温烧成的要求，结合剂中一般要引入大量的熔剂性原料，这些熔剂原料若以矿物质或化工原料引入，在烧成升温过程中一方面将发生较大的体积变化，另一方面由于分解而产生大量的气体，不利于结合剂与磨粒之间的粘结，因此对这些原料应首先熔制成预熔玻璃。低温陶瓷结合剂所用玻璃料具有如下特点：

（l）玻璃料的耐火度低，熔融温度适当，可以适用于低温烧成；

（2）由于引入大量低熔原料，因此结合剂的热膨胀系数往往比较高；

（3）结合剂的强度比较低。

1.3.1陶瓷结合剂的原料

可以用来配制陶瓷结合剂的材料很多，特别是近年来低熔点结合剂的发展，加之类金属陶瓷结合剂的出现，使得所用的材料突破了传统的硅酸盐材料的范畴。

表一陶瓷结合剂常用结合剂原料及其物理、化学参数

低温烧成不仅对超硬磨料的磨具制造是必要的，也是普通磨料的磨具制造的发展方向。它能大量节省能源、缩短生产周期。各厂的试验表明，低温烧成完全可以制造常规速度的中等规格的砂轮。对强度要求不高的磨具更是完全可以使用低温烧成。它的使用，将更加扩大结合剂及其材料的种类范围。表一中列出与结合剂材料有关的矿物及其一般特性。

1.黏土

黏土是一种含水铝硅酸盐矿物，主要包括：高岭石类、蒙托石类、伊利石类、水铝英石和叶腊石类，是地壳中长石类岩石经过长期风化和地质作用而形成的。如高岭石的生成可用下式表示：

K₂O·Al₂O₃·6SiO₂+2H₂O+CO₂→Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O+4SiO₂+K₂CO₃

（钾长石）（高岭土）（残留石英）

黏土的主要化学成分是SiO₂、Al₂O₃和结晶水。随着生成条件的不同，还含有少量的碱金属和碱土金属氧化物以及着色氧化物（TiO₂，Fe₂O₃）等。

黏土在结合剂中的作用主要有：1）黏土具有一定的可塑性，便于磨具毛坯的成型，并使毛坯具有一定的强度；2）提高结合剂的耐火度（高岭石的耐火度达1730℃~1770℃），增加结合剂的高温黏度；3）向结合剂中引入Al₂O₃成分，促使结合剂中生成高铝酸盐玻璃；4）一般优质高岭土的烧结范为200℃，不纯黏土也可达150℃，故结合剂中加入黏土可扩大烧结范围。

2.黄土

黄土是一种属于粘土类的矿物材料，它是二次粘土，杂质含量较多。据分析知其主矿是伊利石，杂质是游离石英、赤铁矿、方解石、菱镁矿、云母等。它主要用在配制水浇注结合剂，一般用量不多。

为了适应水浇注工艺的需要，对黄土结合剂的主要原料黄土有其特定的技术要求：1）悬浮性要好，一般粘土类结合剂的悬浮性，最多只能满足碳化硅浇注磨具泥浆悬浮能力的要求，如用到刚玉磨具水浇注上，则磨粒易从泥浆中下沉，造成磨具组织、硬度不均现象。黄土结合剂的悬浮远比粘土结合剂好，可以适用于比重较大的刚玉磨具水浇法成型。2）可塑性较好，黄土的可塑性较粘土好，如采用黄土结合剂，则对坯体于强度低问题可以得到解决。当然，过高的可塑性也是不可取的。3）触变性要小，黄土中的Fe₂O₃含量较高，用黄土结合剂所制磨具都呈淡黄色以至棕红色，不显白刚玉的白色，如用在制造铬刚玉磨具，也不显其玫瑰色，对产品的商品化上，并不理想。

黄土的加热变化与粘土中的同类矿相近似。因杂质含量多，耐火度较低(一般为1150~1250℃)，各种钙、镁等化合物的分解，会放出CO₂等气体促使焙烧的黄土样块膨胀，闭封气孔率高，当氧化气氛不强时，样块的表面或内部都呈棕黑色，这是因为黄土内氧化铁(Fe₂O₃)含量较多，三价铁Fe变为两价铁Fe²⁺所致。烧后样块物相组成为莫来石、石英、氧化铁及玻璃相等。

黄土结合剂用于制造螺纹砂轮时，可提高砂轮的牙尖保持性适用于成型磨削。

3.长石

长石是一族矿物的总称，是不含结晶水的碱金属和碱土金属的铝硅酸盐，呈架状硅酸盐结构。自然界中长石的种类很多主要由下面四种简单的长石组合而成：

钠长石—Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂或NaAlSi₃O₈

钾长石—K₂O·Al₂O₃·6SiO₂或KAlSi₃O₈

钙长石—CaO·Al₂O₃·6SiO₂或CaAlSi₃O₈

钡长石—BaO·Al₂O₃·6SiO₂或BaAlSi₃O₈

上述四种长石以前三种居多，后一种较少。它们之间因结构相近可以形成固溶体，钾长石和钠长石在高温时固溶，温度降低到900℃以下后又分离。钠长石和钙长石可按任意比例互溶，低温时也不分离。而钾长石和钙长石不能互溶，二者永久分离。由于以上的互溶关系，地壳中单一长石很少，多是几种长石的固溶体。

因为钠长石在高温状态下，热膨胀系数较大，液相黏度较小，且液相黏度随着温度的上升下降较快，容易使坯体变形。而钙长石易促使结合剂中生成粗大结晶。钾长石开始熔融温度较低（约1130℃），熔融温度范围大，液相黏度随温度变化慢，有利于烧成。所以，结合剂原料一般采用钾长石。长石在结合剂中主要起助熔的作用。

4.硼砂和硼玻璃

硼砂是一种硼酸钠（Na₂B₄O7·10H₂O）的天然矿物，理论化学成分为Na₂O 16.2%，B₂O₃6.6%，H₂O 47.2%。硼砂易溶于水，加热时容易失去结晶水，且不易与其他原料混匀，因而在磨具制造中，其通常与长石粉按一定比例（40:60）熔融制成硼玻璃使用。硼玻璃主要用于高速砂轮与粗粒度砂轮。

硼玻璃在结合剂中的作用有：1）具有催熔作用。降低结合剂的耐火度，提高结合剂的流动性和润湿性，使结合剂均匀分布在磨粒周围，从而较大程度的提高磨具的强度；2）提高结合剂的反应能力。结合剂与磨粒表面的Al₂O₃反应生成反应层，使二者的热膨胀系数趋于一致，从而提高了结合剂的强度；3）促使结合剂形成玻璃体，增大结合剂的玻璃范围。

5.石英

石英存在着许多种状态和同质异形体，其主要的矿物类型有水晶、石英岩、脉石英和砂岩。用作结合剂的主要是脉石英和石英岩。主要化学成分是SiO₂，常含有少量杂质，如Al₂O₃、CaO、MgO、Fe₂O₃、TiO₂等。自然界中的石英大部分是β-石英，只有很少部分是磷石英或方石英。石英在不同温度下有三种存在状态：石英（870℃以下）→鳞石英（1470℃以下）→方石英（1713℃以下）→熔融态石英（超过1713℃）。加热过程中，石英在不同晶型之间进行转变，对体积的影响巨大，在实际生产中应当十分注意。

石英在结合剂中的主要作用是：1）石英是瘠性材料，可以减小磨具毛胚干燥时的收缩；2）在碳化硅磨具中，石英可促进结合剂和碳化硅磨粒反应生成硅酸盐层，阻止碳化硅磨粒继续分解，防止磨具“黑心”；3）增大结合剂的高温黏度；4）调整磨具的烧成收缩，这主要是因为石英在高温时发生体积膨胀。

6.滑石

滑石是一种天然的含水硅酸镁矿物，它的化学式是：3MgO·4SiO₂·H₂O，结构式可以写成Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂，理论化学成分为：MgO31.9％，SiO₂63.4％，H₂O4.7％。与滑石共生的矿物有白云石、菱镁矿、顽火辉石(MgO·SiO₂)，蛇纹石(6MgO·4SiO₂·4H₂O)，黄铁矿等。

滑石在结合剂中的作用：1）滑石在结合剂中引进MgO，以构成Na₂O-MgO-A1₂O₃-SiO₂四元系统，藉以提高刚玉砂轮的机械强度。2）滑石是一种催熔剂，它可以降低结合剂的耐火度。3）它能防止碳化硅砂轮烧成发红。4）滑石的烧结温度约1310℃，它的烧结范围狭窄，约10－20℃，故能缩短结合剂的烧结范围。5）滑石能促使碳化硅磨具烧成严重黑心，通常此类结合剂的含量小于5％为好。

7.萤石

萤石(CaF₂)是一种矿物，它的理论化学组成为：Ca51.1％，F48.9％。晶体为立方体，比重3.18，常呈各种美丽的颜色，如黄、绿、萤、兰等色。在紫外光照射下，可发荧光，并带有油脂光泽。纯萤石熔点为1360℃，耐火度1320～1360℃，它是一种催熔剂，能降低结合剂耐火度，增大流动性，可作为高速砂轮结合剂的一种原料成分。

萤石在熔融玻璃体中能与铁作用生成易挥发的FeCl₃，有去铁作用。此外，萤石中的钙被氧化为氧化钙，也有消除Fe₂O₃的着色作用。

8.锂辉石

加入锂辉石的主要目的是降低制品的热膨胀系数，在陶瓷工业中用它可制得低膨胀釉，在玻璃工业中，用它代替一部分B₂O；，可制得低膨胀系数玻璃，如成分处理得当，釉及玻璃的热膨胀系数可接近于零。

实验表明，在结合剂中引入Li₂O，可制得高强度的砂轮。但由于锂辉石的产地不多，价格较贵，仅适宜于制造有较高要求的磨具。

锂辉石可直接作为组份加入，也可与其他物料制成预熔玻璃料加入于结合剂中。

9.其他原料

1）润湿剂

两种材料(或多种材料)之间的粘结，其首要条件是能互相润湿。磨具中的原料和结合剂，都是粉状或颗粒状干物料，要使它们在成型时产生粘结，干燥后又保持一定的形状，必须使用润湿剂对它们进行润湿。

润湿剂是磨具制造过程中窑前阶段很重要的材料，它的性能及用量，将对成型料的各项性能几乎起着决定性的作用，也即在结合剂和其它条件已确定的情况下，要改善成型料的某些工艺性能，主要是通过改变润湿剂的性能及用量来达到。而成型料的工艺性能，则决定了窑前阶段各种操作能否顺利进行。

润湿剂有三种类型。一类是仅起润湿作用，例如水，通过它的润湿作用使别的材料(如临时粘结剂、结合剂中的可塑物料等)产生粘结作用；另一类是既起润湿剂的作用，又有临时粘结剂的作用，如糊精溶液、树脂液等有机物质；第三类材料，如水玻璃等无机材料，除了起到润湿剂、临时粘结剂的作用外，经高温烧成后的残余物是结合剂的组成部分。

2）造孔材料

一般使用精萘或木炭粉，使用时应注意造孔剂的粒度。

3）预熔玻璃料

为了配制低熔点的结合剂或者具有某一特定性能的结合剂(如高强度，高弹性模量)，需要在结合剂中加入较多的熔剂或其他的一些矿物和化工原料，但有些熔剂、矿物或化工原料，往往在升温过程中或者发生较大的体积变化，或者由于分解而产生大量的气体，不利于结合剂和磨粒之间的粘结，有时也为了避免某些物料对磨料的强烈侵蚀，需要将其与结合剂的部分材料预先加以熔融、冷却和粉碎以后再加入结合剂中。

还有一些材料，它较难被粉碎至很细的粒度，而且，由于吸潮或其他原因，很难与结合剂其他组份混合均匀。对这些材料，也预先熔制成玻璃，经粉碎后再加入结合剂中。这种经预熔、冷却和粉碎的玻璃料，称为预熔玻璃料，或称玻璃熟料。它可以是结合剂的一部分，也可以全用它而不加其他材料来作为结合剂，在低熔点结合剂中常是这样。

1.3.2陶瓷结合剂的主要性能指标

陶瓷结合剂的主要性能包括热学、力学、化学等方面的性能，主要性能指标包括耐火度、高温润湿性、热膨胀性、流动性、反应能力和机械强度等。

1.耐火度

陶瓷结合剂的耐火度是指结合剂在高温下软化时的温度，其代表了结合剂抵抗高温而不熔融的能力。它是结合剂的主要性能指标之一，在磨具的烧成温度的确定过程中起着决定性的作用。当烧成温度一定时，结合剂的耐火度过高或过低，都直接影响磨具的烧成质量。因为结合剂的耐火度偏高时，烧结时结合剂中液相量不足，烧结程度较差，导致结合剂与磨粒之间结合性太差，致使磨具的硬度和强度的降低；耐火度偏低时，烧成时结合剂中液相量较多，液相粘度较小，在增加磨具的硬度的同时也容易使磨具发泡变形，产生次废品。因此，结合剂的耐火度一般作为制定磨具烧成温度的主要依据。

影响耐火度的因素主要有：结合剂的化学组成、分散度、粒度及升温速度等。一般而言，结合剂中Al₂O₃的含量增加，能明显地提高结合剂的耐火度。碱金属及碱土金属氧化物Li₂O、Na₂O、K₂O、MgO、CaO等以及B₂O₃、PbO都是助熔剂，随着其含量的增加会降低结合剂的耐火度；结合剂的颗粒越细，分散度越大，其具有的表面能越大，故能降低结合剂的耐火度；在测定结合剂的耐火度时，升温速度过快，会导致测得的耐火度偏高。反之，则会使得测得的耐火度偏低。

2.高温润湿性

陶瓷结合剂的高温润湿性是指高温状态下结合剂熔体对磨料的润湿能力。一般用结合剂熔体对磨料的润湿角θ的大小来表示陶瓷结合剂的高温润湿性的好坏。高温润湿性目前主要采用高温显微镜进行测定。

当结合剂熔体液滴在磨料表面上处于平衡状态时（如图三），存在如下关系式：

图三润湿角示意图

式中σ_sg—固-气界面上的表面张力

σ_ℓg—液-气界面上的表面张力

σ_sℓ—固-液界面上的表面张力

当θ＝0时，结合剂可以完全铺展到磨料表面，称为结合剂熔体对磨料的完全润湿;当0°＜θ＜90°时，结合剂熔体可以部分润湿磨料；当θ＞90°时，结合剂熔体不能润湿磨料。

结合剂对磨料的高温润湿性的好坏直接关系到两者能否产生良好的结合。如果结合剂对磨粒的润湿性很差，熔体很难流铺到磨粒的表面，这样结合剂就不能将磨粒包裹住而形成良好的粘结，进而导致磨具强度较低，磨粒容易脱落。因此希望结合剂的高温润湿性要尽可能的好，即θ角越小越好。

影响结合剂的高温润湿性的主要因素是结合剂的化学组成。因为物质的组成决定着其本身的性质及表面张力，从而决定了其润湿角的大小。此外，被润湿物质的表面状况对润湿的好坏也有影响。当润湿角小于90°时，被润湿的固体表面粗糙度越大，润湿效果越好；若被润湿的表面被污染，润湿状态则会下降。

3.热膨胀系数

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀主要用热膨胀系数来衡量。结合剂与磨料的膨胀系数匹配性直接影响着磨具的强度、制造工艺和使用性能。若结合剂的膨胀系数大于磨料的膨胀系数，则产品在冷却时，结合剂的体积收缩比磨料大，结果结合剂桥将产生张应力，削弱了结合剂桥的作用。相反，若结合剂的膨胀系数小于磨料的热膨胀系数，当产品冷却时，磨料的体积收缩比结合剂大，磨粒拉离结合剂桥，削弱了结合剂与磨料的联结程度，磨削时磨粒容易脱落。因此磨具生产一般要求结合剂和磨料的膨胀系数要相等或接近。此外，还要求结合剂的热膨胀系数随温度的变化是平缓的，不能发生突变。否则，在烧成时会因为温差产生较大的热应力，从而导致产品产生裂纹。

结合剂的膨胀系数对磨具的磨削性能的影响表现为：在磨削过程中会产生大量的磨削热，当结合剂的膨胀系数大于磨粒的膨胀系数时，结合剂会产生一种压应力，更紧的把持着磨粒，表现为韧性的增加。相反，则使磨粒易于脱落，表现为脆性的增加。

影响结合剂热膨胀系数的因素主要有：化学成分、晶体结构和键合度、晶型转变等。此外，还与测定的条件如结合剂烧结与否、升温速率、烧结温度等有关。目前，热膨胀系数的测定方法主要有差比热膨胀仪法和X射线衍射法(XRD)。本课题使用的普通氧化铝磨料的热膨胀系数在20℃-1000℃为8-9.5×10^-6℃^-1。

4.流动性

结合剂的流动性定义为结合剂高温熔体粘度的倒数。即：

式中：φ—结合剂的流动性；

η—结合剂的高温熔体粘度。

结合剂的流动性对磨具制造及产品性能有重要影响。若结合剂流动性过低，即结合剂粘度大，使得结合剂不能均匀分布于磨粒之间，进而会降低结合剂和磨粒之间的结合状态，降低磨具的机械强度；相反，若结合剂流动性过大，即结合剂粘度过低，使得结合剂很容易从磨粒间流出而造成制品变形。因此，结合剂应具有适当的流动性，这样既能实现结合剂在磨粒周围的均匀分布，保证磨具具有较好的机械强度，又能保证产品不出现变形、黑心等废品。结合剂的流动性主要与结合剂的化学成分、烧结温度等因素有关。

5.反应能力

结合剂的反应能力的测定是以氧化铝基准的，是指结合剂在高温下溶解磨粒表面氧化铝的能力。

刚玉磨具在烧成过程中，刚玉磨料与结合剂相互作用，刚玉表面的Al₂O₃溶解、扩散到结合剂中，结合剂中的SiO₂、K₂O等也会溶解到刚玉中，在刚玉与结合剂的结合处，形成厚度为10~100μm的过度层。从而使得结合剂与磨粒的热膨胀系数趋于一致。影响结合剂反应能力的因素主要有化学成分，磨料粒度、烧成温度和保温时间。

6.机械强度

结合剂的机械强度是指磨具制品抵抗外力作用而不被破坏的能力。主要包括抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度和抗压强度四种。由于抗压强度比其它三个强度大很多，对磨具质量影响也很小，所以一般只测定抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度。磨具的抗拉强度和抗弯强度具有相同的变化趋势，影响因素相同，所以，也可以用磨具的抗弯强度的变化来示意结合剂抗拉强度的大小变化。磨具的机械强度主要取决于结合剂本身的强度、结合剂的反应能力与结晶程度、复合材料的显微结构以及结合剂与磨料热膨胀系数的匹配性等因素。

影响结合剂抗弯强度的因素主要包括：1）结合剂的化学组成；2）结合剂的物相组成；3）结合剂的其他性能，如热膨胀系数、流动性、高温润湿性、反应能力等；4）结合剂桥的显微结构；5）烧成工艺，其决定了结合剂中玻璃相含量、晶相量、晶粒大小、气孔率及气孔尺寸等。

1.3.3陶瓷结合剂的类型

这里所列举的类型是以所加入的原材料来划分的。有关的数据、成分以及使用范围等均以某些厂的材料或实验所得列出的，对于各厂原料及工艺不尽一致，所以，仅供参考。

1）粘土—长石型结合剂

其粘土与长石的比例视原料的情况而定，不同的粘土的种类与成分差别较大，因而一般来说，我国各地所产的钾长石的成分区别不大，但粘土的种类与成分差别较大，在用此类型结合剂时，其主要考虑粘土的差别。一般说来，各厂此类结合剂的粘土加人量约为20％~50%，长石加入量为80％~50％。粘土加入量较低，即≤35％，且制造磨具时使用水玻璃的结合剂，多用于刚玉类磨具。而粘土加入量≥30％且制造磨具时不用水玻璃的结合剂，多用于碳化硅磨具。

这种类型结合剂是我国磨具工业早期通用性较强的结合剂。至目前仍有使用，但其适用范围已大大缩小，大部分已被其他类型结合剂所取代。

长期的生产实践表明，①在粗粒度、软硬度的棕刚玉磨具范围内，此种结合剂较难满足强度上的要求；②在一般粒度与硬度范围内，这种结合剂由于加入量较大，特别碳化硅磨具，对磨具的磨削性能有一定的影响，且其适应性不广，即不能适应多种磨削类型的要求。但这种结合剂成本较低，在某些范围(例如硬度较高的磨具或粒度较细的磨具等)其工艺性能较稳定，因而仍有部分厂在使用。

2）粘土—长石—硼玻璃类结合剂

如以硼玻的加入量来划分，大致有：硼玻璃加入量在10％左右、制造磨具时不使用水玻璃的结合剂，通常磨具硬度在L及更软的碳化硅磨具中，以减少配方中结合剂量，提高磨具的磨削性能。硼玻璃加入量在15％~25％，且制造磨具时使用水玻璃的结合剂，通常用于强度较难达到的粗粒度软砂轮。此外，由于这一范围的结合剂强度较高，配方中可减少结合剂量，从而能提高磨具的磨削性能，巳能适应多种磨削类型的性能要求，所以，也被广泛应用于中等粒度、硬度从G至P级的刚玉、白刚玉等刚玉类磨具。由于这一区域内的磨具品种最多，产量最大，所以，这一范围的结合剂已成为应用最广泛的结合剂。它还常用来制作50~60m/s的高速砂轮。硼玻璃加入量在30％以上，且制造磨具时使用水破璃的结合剂，被认为是高强度结合剂，有些厂用来制作50~60m/s的高速砂轮。

长期的经验表明，使用这类型结合剂作碳化硅磨具时，即使有的厂己成功地加入10％以上的硼玻璃，但仍应结合本厂的磨料、粘土等原材料情况及烧成温度与条件来慎重考虑，因为硼玻璃加入量多，极易引起黑心。其适用的硬度界限，也应慎重确定。有研究表明硼破璃加入量为15％~25％的结合剂，有较满意的强度，(A46^#磨具试样的抗拉强度可达17MPa)，且工艺性能稳定，适应面较广，磨削性能较佳，但硬度在Q以上的磨具，仍以用其他类型的结合剂为宜。

3）粘土—长石—滑石类型的结合剂

滑石加入量在5％以下，且不用水玻璃作润湿剂的结合剂，通常用于碳化硅磨具作为通用结合剂．但也有仅用于M或N以上硬度的磨具。有时也在这类结合剂中加入少量金属硅以提高结合剂的抗黑心能力。滑石加入量在10％左右，且使用水玻璃作为润湿剂的结合剂，可作为刚玉类中等粒度磨具的通用结合剂或者仅用作Q及更硬磨具的结合剂。

这种结合剂强度虽不如粘土一长石—硼玻璃型，但在中等粒度范围，其强度足够，它成本较低，可在相当的强度、硬度范围中代替硼玻璃结合剂。在结合剂中加入一定数量的滑石，能起催熔作用。强度也较理想，但加入太多的滑石，经验表明，会使结合剂从开始熔融至全熔的温度范围大为缩小，因而工艺上很不好掌握。碳化硅磨具用这类结合剂时，因滑石会促使碳化硅分解，故用量不宜太多，一般在5％以下，适度加入滑石，有助于避免碳化硅磨具发红的缺陷。

4）粘土一长石一硼破璃—滑石类型的结合剂

其硼玻璃加入量约15％~35％，滑石加入量5％适用于刚玉类磨具。高硼玻璃含量的结合剂曾被用来作高强度结合剂，用于高速砂轮。低硼玻璃含量结合剂被用作通用型结合剂，也可用作制造高速砂轮。这种结合剂既可用于一般粒度，也可用作压型法细粒度磨具。

5）粘土—长石—石英类结合剂

粘土—长石—石英类型以及由此变化而成的粘土一长石—石英一滑石类型和粘土－长石—石英—硼玻璃类型的结合剂。石英加入量为15％一30％制造磨具时不用水玻璃，主要用于碳化硅磨具。在粘土一长石一石英类型的基础上，加入少量滑石，石英加人量亦适当提高，不用水玻璃，主要用于碳化硅磨具的较硬部分例如P及更硬级)。在粘土一长石—石英类型的基础上，加入硼玻璃(约10％左右)，石英量适当提高，不用水玻璃，用于碳化硅磨具的较软部分(例如N及更软级)。

在碳化硅磨具中加入石英粉，能提高结合剂的抗黑心及抗发红的能力，但发现，单纯的粘土一长石一石英型结合剂在制造较硬的磨具时，硬度较难达到，而制造较软磨具时，强度又不高。因而，在此类结合剂中加入少量滑石，适当降低耐火度，用于较硬的碳化硅磨具，既能避免黑心及发红，又能达到较高的硬度。同样，在上述三组分中加入适量硼玻璃，使结合剂成半烧熔型，用于制造较软的磨具，既能提高结合剂的抗黑心和抗发红的能力，又可适当提高强度及磨削性能。

6）其他结合剂类型

以上叙述的结合剂类型多是国内各厂曾用、现用的结合剂，但随着磨具制造技术的提高，国外专利与资料所载的结合剂类型还有很多，均未收集于此。值得注意的动向是，近年国外已出现金属—陶瓷类型的结合剂。这些都说明，在选择和研究新的结合剂时，不要受上述各种类型所局限。其他的结合剂类型见表二。

表二几种结合剂类型及说明

1.4陶瓷结合剂的选择原则

制造陶瓷结合剂磨具，要求结合剂应该保证磨具有足够的强度及良好的磨削性能，并且具有良好的工艺性能。

1.4.1结合剂的选择原则

1.根据磨料选择结合剂

不同的磨料对结合剂的性能要求不一样，对于不同的磨料，所研制的结合剂的膨胀系数、高温湿润性、酸碱度等性能要与所选择的磨料以及填料相匹配。同时要根据磨料热稳定性，选择相应烧结温度的结合剂。

刚玉类磨具常用烧熔结合剂，即结合剂耐火度低于烧成温度100℃-200℃，甚至更低，在考虑结合剂耐火度时，要把水玻璃的影响也考虑进去。

碳化硅磨具采用半烧熔烧结结合剂，前者耐火度略低于烧成温度，后者耐火度高于烧成温度。

2.根据磨削要求选择结合剂

高速磨削砂轮，除采用补强措施外，必须使用高强度结合剂。这些结合剂具有高的抗拉强度、高弹性模量、高韧性。结合剂的流动性、反应能力、膨胀系数等，都必须与所用的磨料相适应，才能使磨粒与结合剂之间具有牢固的粘结。结合剂的微裂纹、微气孔等显微缺陷必须减少到最低程度，特别是对80m／s以上的砂轮，所用的原材料(包括磨料)，力求杂质质少。

以工具磨削为代表的磨削类型，对工件的烧伤特别敏感，要求砂轮有很好的自锐性、气孔率较大、组织较松。对这类砂轮，通常加入能促进脆性的物料较多，在确保强度的前提下，结合剂桥中有适当的微缺陷是可取的，在使用上要求有较好的耐用度和成型性的磨具。

1.4.2普通磨具对结合剂的性能要求

1）结合剂的耐火度

这是结合剂的主要性能之—。它是按烧成温度来选择结合剂(或是按耐火度来确定烧成温度)的重要依据之一。

一般是使用纯结合剂制作试样进行测定。测定的数据对于碳化硅磨具用的结合剂，即可从耐火度得知其在烧成温度下的烧结或熔融状况。但对于刚玉类磨具用的烧熔结合剂，则还需要考虑两个因素。一是在高温中结合剂与磨料产生的物化反应，在结合剂中会不同程度地溶入了磨粒的Al₂O₃成分,而从提高结合剂的耐火度，所以对烧熔结合剂，要把耐火度和反应能力联系起来考虑。另一个因素是，当使用无机材料—水玻璃作润湿剂时，它的固体物料在烧成中成为结合剂的一部分．由于它是催熔物质，因而会降低结合剂耐火度。不同粒度，不同硬度的磨具，水坡璃加入量是不同的，因而对耐火度的影响程度也不同。由试验可知：粒度越粗、硬度越软的磨具，水玻璃加入的比例越大，反之亦然。

2）结合剂的强度要求

高速磨削所使用的砂轮必须具有足够高的强度，而砂轮的高强度主要由高强度的结合剂来保证的。

3）结合剂的膨胀系数要与磨料等磨具组成的热膨胀系数相匹配

结合剂要与磨料的热膨胀系数尽量接近，不能相差太大，这样在磨具制造过程中受热作用时变化一致，从而保证磨料等组成与结合剂之间获得较牢固的结合，而不出现裂纹。因为超硬磨料膨胀系数较小，所以结合剂中要由低膨胀物质构成或能形成低膨胀物质的相的物质构成。

4）高温湿润性要好

结合剂对磨料的高温湿润性直接影响结合剂对磨料的把持强度，高温湿润性好，结合剂与磨料之间的结合好，结合剂对磨料的把持强度就高，所以结合剂与磨料必须有较好的高温湿润性，才能保证磨料和结合剂之间的良好粘结。

5）结合剂与磨料之间应无明显的化学反应

如果结合剂与磨料之间发生化学反应，反应产生的气体不易排出在磨料周围会产生气泡，影响结合剂对磨料的把持，另外对磨料表面结构及强度等性质有破坏作用。陶瓷结合剂超硬磨具是利用超硬磨料高硬度的特殊性能进行磨削的，为了保持超硬原有强度和高硬度的性质，结合剂与磨料之间应无明显的化学反应。

6）较好的导热性

磨削时产生的热量如果来不及传递转移，就会烧伤工件，结合剂最好具有较好的导热性，从而提高磨具整体的导热性。陶瓷结合剂虽然是热的不良导体，但在磨具中存在很多气孔，热量能很快分散出去，因此陶瓷磨具是很多材料磨削时的理想工具。

7）具有良好的工艺性能

良好的工艺性能包括良好的成型性能，较高的干、湿坯强度，较小的收缩率，不易出现变形、开裂、发泡等废品。