2.1陶瓷结合剂的配方设计

超硬材料磨具所用陶瓷结合剂由玻璃料和非玻璃料两部分组成，其中玻璃料占结合剂的大部分，含量约在75%一100%。预熔玻璃的性能直接影响着结合剂的性能，也是影响磨具各项性能的关键因素。

鉴于超硬磨料的物理性能，所设计的预熔玻璃料必须满足如下要求：其一是根据超硬磨料的热稳定性(金刚石的热稳定温度约800℃，cBN的热稳定温度约1250℃，但800℃以上一些碱金属氧化物会强烈腐蚀cBN)，设计较低耐火度的预熔玻璃料，其二根据超硬磨料的热膨胀系数，设计出与其膨胀系数比较相近的预熔玻璃，并且要求预熔玻璃料对磨粒有较强的把持能力。

通过上述分析基本上确定出适用于低温陶瓷结合剂的玻璃料的种类，根据玻璃料的种类要求，初步确定其配料组成及配比，然后计算出配料的化学成分，通过化学成分可以估算出玻璃料的有关性能。

2.1.1玻璃料熔制温度的计算

玻璃料的熔制温度及熔制速度主要由其化学组成决定，配料的化学组成不同，熔融温度也不相同。配料内的助熔性物料含量越多，表明配料中碱金属氧化物和碱土金属氧化物等总量对二氧化硅的比值越高，则配料越容易熔化。因此可以根据配混料的化学成分估算出玻璃熔制的熔融温度范围。

熔制前可以根据玻璃料的化学组成，运用沃尔夫（Volf）得出的如下关系式计算出玻璃熔制速度的经验常数τ：

含硼硅酸盐玻璃熔制速度常数的计算：

含铅质玻璃熔制速度常数的计算：

一般硅酸盐玻璃熔制速度常数的计算：

式中：、、、、、为各氧化物在玻璃料中的质量百分比。

以上各公式计算的τ值仅适用于玻璃液形成到砂粒消失为止的阶段。τ值越小，玻璃越容易熔制。τ的数值还与一定的熔化温度相对应。表2-1为不同T值时的熔制温度。

表2-1不同τ值所对应的熔制温度

2.1.2结合剂性能的估算

依据化学成分对结合剂的性能进行预测，从而验证配料配比的可行性，减少试验的盲目性，提高试验的准确性。首先对结合剂性能的估算，主要估算的性能有：结合剂的耐火度、结合剂的热膨胀系数及结合剂的强度。

长期以来，陶瓷工作者为了掌握配合料制备的玻璃、釉料的性能，进行了大量的研究，并通过长期的试验数据总结出了许多经验公式，这些公式在一定程度上对人们开发陶瓷方面的新产品起到重要指导作用。但是陶瓷结合剂磨具中，由于不同结合剂结构比较复杂，其原料组成又多种多样，因此很难找到适用于某种性能计算的通用公式，但通过大量试验总结，找出了适用于一定范围内计算低温陶瓷结合剂热膨胀系数、抗拉强度及耐火度的经验公式，利用这些公式可以预测结合剂的基本性能，从而对试验研究起到一定的指导作用。

（l）结合剂抗拉强度的计算公式:

结合剂的组成以玻璃相存在，玻璃强度理论认为:玻璃的化学组成对其强度的贡献复合加法法则：

σ=σ₁a₁+σ₂a₂+……+σ_ia_i

式中: σ——玻璃的抗拉强度，MPa；

σ_i——各氧化物强度的经验数值，MPa，见表2-2；

a_i——组成中各氧化物的百分含量，%。

表2-2各氧化物的抗拉强度经验系数(MPa)

上表表明：在玻璃组成中，CaO、Bao、B₂O₃(15%以下)、Al₂O₃、ZnO等对强度的提高作用较大，MgO等对强度的影响不大。成分中个氧化物对抗拉强度的提高作用顺序为：

Cao>B₂O₃>BaO>Al₂O₃>PbO >K₂O>Na₂O>（Mgo、Fe₂O₃）

（2）结合剂的热膨胀系数计算公式

根据玻璃化学理论，玻璃的膨胀系数取决于其化学组成，并符合加合法则:

α_玻=P_lα₁+P₂α₂+P₃α₃+……+P_iα_i

式中:P_i——玻璃中各氧化物的质量百分数；

α_{i<, /SUB>}——各氧化物的经验膨胀系数(见表2-3)。

表2-3各氧化物的经验膨胀系数

（3）结合剂耐火度的计算

在磨具烧成温度下结合剂几乎全部或大部熔化，其性质接近玻璃的性质，根据熔融温度的经验公式，计算出结合剂的耐火度。

熔融温度系数计算公式为：

式中：a₁、a₂…a_i——易熔氧化物熔融温度系数；

b₁、b₂…b_i——难熔氧化物熔融温度系数；

w_al、w_a2…w_ai——易熔氧化物质量分数；

w_bl、w_b2…w_bi——难熔氧化物质量分数。

各氧化物的熔融温度系数见表2-4。

表2-4组分中各氧化物的熔融温度系数

根据上述已知条件，计算出结合剂的熔融温度系数K，由表2-5查出相对应的熔融温度T即为结合剂的估算耐火度。

表2-5K值与熔融温度T的对照表

2.2陶瓷结合剂的制备工艺

陶瓷结合剂的制备流程如图2-1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。

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.热压烧结

加压烧结，又称热压，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常的烧结温度或更低一些，将压制和烧结两个工序一并完成，在较低压力下，经过较短时间烧结得到冷压烧结所达不到的致密而均匀的制品。其最大的优点就是可以大大的降低成形压力和缩短烧结时间，热压是一种强制的烧结过程，从这个意义上说，热压也是一种活化烧结，所以对粉末间的润湿性要求不是很高，并且在热压过程中，粉末塑性变形很大，使表面的氧化膜破碎，接触面积增大，进一步促进烧结，从而制得密度极高和晶粒极细的材料。

采用SM-98热压烧结机进行热压烧结，整个测温系统由非接触式光纤传感测温仪和智能温控表组成，将结合剂原料装入如图2-2所示模具中，设定温度曲线及压力曲线后，由非接触测温仪测温，智能仪表自动控温，可实现自动烧结。