2.陶瓷结合剂普通磨具的制备过程

2.1陶瓷结合剂的配方设计

配方设计是磨具制造中非常重要的一个环节。通过在配方中所给出的各种物料的加入量以及对有关工艺参数(如压力、成型密度)的规定，一方面要使构成磨具的几个要素(磨料、结合剂、气孔、填充剂)有适宜的比例，从而使磨具有最佳的磨削性能。另一方面是要使制造出来的成型料、半成品坯件有着良好的工艺性能，使各工序得以顺利进行，从而使生产过程有高的生产效率，较低的废次品率。

2.1.1配方设计时要考虑的因素

1.磨削用途方面的因素

—般来说，工具刃磨、平面磨及立式平磨等所用的磨具，一般要求组织较松，自锐性要好。而内圆磨、无心磨和成型磨削用的砂轮，组织可略紧、形状保持性要好。

2.制造工艺上的因素

⑴．磨具烧成前要有一定的湿坯和干坯强度，以利于卸模、移走、坯件的运输及装窑操作。

⑵．要有利于混料操作和筛松操作。为此，配方中对结合剂加入量较多的细粒度磨具、较硬的磨具以及碳化硅磨具等，其润湿剂，临时粘结剂的用量、密度或浓度，—般均有别于粗、中等粒度的磨具。需窑前半成品加工的磨具，干坯强度要考虑很高一些。

⑶．要从配方的角度去尽量避免可能会产生的废品(如过大的收缩量产生的裂纹；发泡变形等等)。对易产生废品的粒度、硬度(超细粒度；高硬度等磨具)，尤应注意。

⑷．应从配方的角度去保证磨具有足够的强度。特别是对易回转破裂的磨具(如粗粒度软砂轮等)。

上述原则大致可归纳为：使用强度高的磨料，使用强度高而弹性模量低的结合剂以减少结合剂量和增加气孔率；使用堆积密度低的磨料或较低的磨具密度以便使磨具的组织更松。

2.1.2配方设计的内容

1.单一磨料与混合磨料的使用

使用何种类型的混合磨料或仅使用一种磨料，主要取决于磨削用途，特别是决定于被磨材料的特性。一般以同类磨料作混合使用，但也出现不同类磨料的混合(如WA与GC)。

2.混合粒度的使用

使用混合粒度的目的有下列几种：

⑴．为增加粗粒度砂轮的强度。在本号粒度之外，加入较细的粒度，或者粒度之外再增加少量更细的粒度，使细粒度磨料充填于粗粒之间，使其连接牢固；

⑵．为达到较高的硬度，一般不推荐无限地加大压力，国内外的经验表明，超过15MPa，较适宜的方法是除用较大压力外，配合使用混合粒度。

⑶．为改善磨具的某一项磨削性能(如磨削效率或表面精度等)，在本号粒度之外，混入较组成较细的粒度，但一班不超过粗或细一个号。

⑷．用粗一号或细一号各半来代替本号粒度，但这只在不得己的情况下使用。

3.磨具的组织

我国组织号采用0~12号，其磨粒率为62％~38％。但这并不意味着每种粒度每种硬度都可以制造所有组织号的磨具，更不是磨削上对每种粒度、硬度的磨具都需要所有的组织号。

配方的组织号主要是根据磨削用途来确定。实际中，磨具的组织号还常与结合剂的特性相配合。例如：要求自锐性好的磨具，除使用较松的组织外，还使用脆性较大的结合剂，而要求形状保持性较好的磨具，陈适当用较密的组织外，常使用韧性较大的结合剂。

4.磨具的气孔率

由于磨具中存在着封闭型气孔，较难用简易的方法来进行大量的测定，因而对磨具的气孔率研究得还不多。目前，国内外的一般磨具配方都没有对气孔率作特殊的控制、仅调整磨具的组织而同时使气孔率作有限的变动。

对于硬度特别软、或者需要有高气孔率(例如：50％以上)以及对气孔杨尺寸有特定要求的磨具，制造时需要加入成孔剂，这时配方中需给出成孔剂的粒度及加入量。

5.临时粘结剂加入量

临时粘结剂主要与磨具的湿坯与干坯的强度有关，所以其加入量主要取决于对湿、干坯强度的要求。在满足这个要求的前提下，适当考虑成型料的流动性，尽量避免由于加入量太多而使成型料粘附性太强而造成结团结块。需要考虑的有关因素有：⑴．从卸模至装窑这一段的机械化程度。如果这一段的人工搬运较多，则湿、干坯强度要高。需加入较多的临时粘结剂；⑵．某些形状或某些规格的磨具，都要求有较高的湿、干坯强度；⑶．需要进行半成品加工的磨具；

7.润湿剂加入量

用液压机成型所用的半干料，如果使用的是水性或水溶性润湿剂，成型料的水分含量大致在1％－4％。润湿剂加入量的总原则是需使各种干物料能充分润湿，这样才能充分发挥物料中的可塑物质及粘结物质的粘结作用。但在这个总原则下，可以根据各厂的具体情况，控制其加入量，使成型料呈略干型和略湿型。

8.成型密度

成型密度有以下几种表示方法：⑴．模腔密度：即在施压时以料的单重除以模腔体积，这种密度不考虑弹性后效引起引起的体积变化；⑵．毛坯密度：卸模后湿坯的重量除以坯体的体积，如果在称量、压制与卸模过程中，料没有损耗，则也可以用称量的单重除以毛坯体积。此时毛坯密度即为通常所说的成型密度；⑶．无机物生料密度：用单位体积中无机物生料的重量来表示。除了较特殊的磨具(如细粒度磨具、高硬度磨具等)外，一般经烧成后无机物生料中的灼减大致可被收缩等因素抵消，这样，从无机物生料密度可大致得知磨具的烧后密度。这对于计算烧后磨具的磨粒、结合剂及气孔的体积比例是较为方便的。但无机物生料密度不能用作成型密度。

2.1.3陶瓷结合剂普通模具的制备流程

根据使用原料的不同，实验室制备陶瓷结合剂普通模具的流程分为两种。分别如图四、五所示。

1.称量原料

原料的配比直接影响结合剂的性能，称量时必须严格按照配方称量各组分物质，使用高灵敏度电子电平称量，含量较少的组分，要做到尽可能的精确。

图四矿物原料制备普通磨具流程图

图五化学原料制备普通磨具流程图

2.混匀原料

称量好的原料要混合均匀，防止结合剂局部成分偏离配方，形成富集区。将称量好的各组分倒入研钵，仔细研磨使之混合均匀。

3.高温熔炼

将混匀的玻璃料放入坩埚，放入箱式炉进行高温熔炼。烧熔结合剂制造磨具的目的在于使结合剂呈玻璃相微观结构，结合剂中如果出现微晶玻璃结构能提高结合剂强度，如果出现较粗的结晶体，就会破坏玻璃组织的均匀性，使磨具产生微气孔，微裂纹等缺陷。所以我们采用高温冶炼结合剂，使各组成在高温下真正成为一体。

多种原料的结合剂在加热过程中，某些原料的新生化合物之间产生共熔而出现液相，然后就是催熔材料被熔融，液相量增多，继续加热，难熔固相全部转化为液相。因为组成结合剂的原料多为晶体结构，被加热时，晶格结点上的质点动能增高，振幅增大，质点间的结合力减弱，当达到该物质的熔点时，晶格被破坏而形成了液体，这是物质从晶体变为液体的根本原因。晶体的熔融并不是在熔点温度全部变为液体，而是需要一个过程，影响熔融速度的主要因素是温度，其次是晶体的颗粒度，温度越高，粒度越细，熔融速度越快。

4.水淬

将熔融状态的玻璃料，倒入水中急冷。其目的为了使烧熔结合剂成为玻璃相微观结构，结合剂的烧熔冷却方式非常关键。冶炼过程中冷却速度的快慢会直接影响玻璃熔体的形成，冷却速度缓慢时，结合剂的熔体就容易产生晶核，并成长为晶体。因为熔体内的质点一般都有释放能量进行结晶的趋向，故冷却速度越慢，熔融结合剂内所生成的大结晶体越多；相反，如冷却速度很快，采用急冷的形式，熔体的粘度很快增大，晶核的形成及长大都受到阻碍，烧后的结合剂内绝大部分呈玻璃体。所以高温冶炼后要经过急冷处理。结合剂的主要成分都是玻璃体，在磨具的烧成过程中结合剂呈玻璃熔体，能把金刚石磨料牢固地结合在结合剂周围。

5.破碎与过筛

熔炼后的结合剂，经烘干后是块状的玻璃，必须破碎成很细的粉末，才能用做结合剂。一般用球磨机来研磨，选用烧结刚玉球作研磨球，对结合剂进行破碎和粉磨，根据球磨机的破碎原理，直径大的刚玉球对结合剂的破碎能力强，直径小的刚玉球对结合剂的粉磨能力强，因此在对结合剂进行破碎时，不仅要确定结合剂与研磨球的比例，而且还应确定不同直径的刚玉球的量。一般来说结合剂与研磨球的重量比为1:1到1.5:1时研磨效率最高。根据结合剂的重量选择不同大小、合适重量的刚玉球进行研磨。研磨好的结合剂必须过筛。一般结合剂粒度应能通过280目筛(即粒度小于63pm)。过筛后的结合剂为结合剂成品。筛上的结合剂破碎不够，粒度较大，应再送入球磨机中研磨，过筛，得到结合剂成品。

6.压制成型

压制成型又称模压成型，是最常用的成型方法之一。其过程是将经过造粒后流动性好，颗粒级配合适的粉料，装入金属模腔内，通过压头施加压力，压头在模腔内位移，传递压力，使模腔内粉体颗粒重排变形而被压实，形成具有一定强度和形状的素坯。

7.烧结

陶瓷在烧结过程中要发生一系列复杂的物理化学变化，如原料的脱水、氧化分解、易熔物的熔融、液相的形成、旧晶相的消失、新晶相的生成以及新化合物量的不断变化，液相的组成、数量和黏度的不断变化。与此同时，坯体的孔隙率逐渐降低，坯体的密度不断增大，最后达到坯体孔隙率最小，密度最大时的状态称为烧结。烧结时的温度称为烧结温度。若继续升温，升到一定温度时，坯体开始过烧，这可通过试祥过挠膨胀出现气泡、角棱局部熔融等现象来确定。烧结温度和开始过烧温度之间的温度范围称为烧结温度范围。