鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

天鑒碳材料有限公司 張洪濤

中國超硬材料網 李旭銅

       1. 引言 
       固結磨料加工作為新興的超精密加工技術之一，在很多難加工材料加工中得到了廣泛的應用。例如，如何提高石英玻璃加工效率和表面質量。堆積磨料即通過特殊的造粒方式，用高強度粘結劑把細顆粒磨料粘結起來，使其形成一個獨立的組合體，這種組合體通常也具有磨具的三要素——磨料、結合劑和極細小孔，可將其稱之為一種微型磨具。

       堆積磨料根據結合劑種類的不同分為兩種，分別是陶瓷結合劑堆積磨料和有機結合劑堆積磨料。堆積磨料從外觀上看是一個個粗大的磨粒，而實際上每個大磨粒都包含了許多微細的磨料顆粒。因此，堆積磨料由于其堆積效果在磨削過程中不斷有鋒利的切削刃產生，所以具有較長的壽命和對材料均勻一致的切除率，并能得到較好的工件表面質量。圖1為近球形堆積磨料結構示意圖。

堆積磨料的造粒原理與其他行業物質造粒略有不同。磨料因其本身形貌與性質決定，固體粒子間的吸引力相對較小，顆粒與顆粒之間產生堆積主要來自可自由流動液體產生的表面張力和毛細管力和不可流動液體產生的粘接力，在粒子之間形成固體橋。使用某些特殊的造粒方法，還可以使堆積磨料產生粒子間機械鑲嵌，這樣可以提高顆粒本身的機械強度，從而提升性能。細節如圖2所示，（A）為造粒原料表面附著液層相連接；（B）為造粒原料通過固體橋連接；（C）為造粒原料之間的機械鑲嵌。

2. 固結磨粒研究過程
       1935年RaymondC等人分別以金屬樹脂陶瓷為結合劑制備了金剛石類多晶磨料，每個多晶磨粒中有10--40粒微米級的金剛石，并將這種金剛石類多晶磨料應用于砂輪。金屬結合劑類多晶磨料的自銳性差，在磨削過程中易粘連金屬，因而不實用。陶瓷結合劑類多晶磨粒的自銳性高，但是由于陶瓷結合劑脆性較大，只有用于彈性較好的樹脂結合劑磨具時才能獲得較好的磨削比和磨削效率。

       1997年RobertBenguerel制備了陶瓷結合劑金剛石或CBN類多晶磨料應用于樹脂結合劑砂輪，并提出樹脂結合劑砂輪中每個類多晶磨粒都相當于一個微型砂輪，相互獨立的起著磨削作用。為解決超硬材料類多晶磨料制備難題，經過學者們的不懈努力，終于設計出類多晶磨料專用造粒設備，如圖3所示。

       近年來，陶瓷結合劑類多晶磨料在磨具中的應用越來越廣泛，BretW，Ludwig將陶瓷結合劑金剛石類多晶磨料用于非織造布涂覆磨具中，每個磨粒在特定位置起磨削作用，極大的提高了磨具的磨除率。BruceASvente制備陶瓷結合劑金剛石類多晶磨料并設計一種新型的具有柔性研磨面的磨頭，在磨削玻璃時，有效解決了玻璃崩邊的問題。

       2011年于艷妍采用粉末燒結法制備了陶瓷結合劑金剛石類多晶磨料，探索了R2O-B2O3-SiO2體系低溫陶陶結合劑及特定添加劑對類多晶金剛石磨料的影響，并探索了類多晶金剛石磨料的制備工藝參數。2012年天津大學趙佳碩對金剛石類多晶磨料用結合劑及其制備工藝進行了更進一步的探索。2018年劉菊等采用反相微乳液法制備了球形陶瓷結合劑，獲得了球形度較好的金剛石類多晶磨料。隨著類多晶磨料制備工藝的日趨成熟，類多晶磨粒的應用范圍也在不斷擴大，目前國內在砂帶，固結磨料研磨墊，拋光液等方面開始使用類多晶磨料產品，其高效磨削機制也不斷被完善。

       3. 制備方法的多樣性 

       3.1預燒結破碎法

       預燒結破碎法制備類多晶磨料，一般采用樹脂或低溫陶瓷為結合劑。先將結合劑與磨料混合，加入臨時粘結劑，壓制成型，低溫干燥使其具有一定的強度，隨后破碎篩分成所需粒徑類多晶磨料。類多晶磨料中粘結劑的體積含量為20%--75%.粒徑為200#--16#，形狀可為球形，條形，近球形等。采用粉末燒結法制備類多晶磨料，工藝簡單，成本較低，適合大規模工業生產，可制得粒徑較大的類多晶磨料，但是此方法造粒球形度不好，粒徑控制不易，磨料得率低。

       3.2滾粒法

       將物料加入一個轉動的滾筒中，滾筒的轉動使得物料在滾筒中流動，然后噴入一定量的粘結劑溶液使得物料相互黏結而成為顆粒，就得到球形堆積磨料，繼續滾動會使得顆粒具有一定的粒度和強度。

       滾粒法制備球形堆積磨料的工藝流程主要分為以下幾步，分別為配料，混料，滾粒，固化，篩分。滾粒在混料機中進行，滾筒使得物料具有流動性，然后噴入臨時粘結溶液，當臨時粘結劑達到一定量時，物料開始粘結成粒，隨著溶液量的加入，顆粒直徑迅速增大，此時根據所需粒度要求停止加入粘結劑溶液。

       從圖5. 圖6可以看出球形堆積磨料形狀為等積形，顆粒形狀均勻，粒度集中。

       滾粒法制備的類多晶磨粒，工藝簡單，球形度好，但粒度不均勻且較大，制造成本較高1。

       從圖7中可看出，滾粒法制備的堆積磨料的粒度主要集中在12--30mesh之間，因此滾粒法制備的堆積磨料粒度很集中，加以過篩處理，便可以得到更加集中的球形堆積磨料顆粒。

       3.3壓力噴霧干燥法

       噴霧干燥法主要用于陶瓷結合劑類多晶磨料制備，其結合劑可以分為低溫陶瓷結合劑干粉或鋁溶膠與酸性硅溶膠混合溶膠。以低溫陶瓷干粉為結合劑，先將陶瓷結合劑與磨料混合均勻，加去離子水制成合適濃度的料漿，用噴霧干燥機進行噴霧造粒。以混合膠溶為結合劑，采用溶膠凝膠法將磨料、溶膠、輔料混合成溶膠，用噴霧干燥機造粒，噴霧壓力為0.3~0.5MPa，干燥溫度為200℃~220℃。噴霧干燥法制備類多晶磨料是目前機械化程度最高，工藝最成熟的方法，采用此法制備的類多晶磨粒球形度好，粒度均勻且可以控制，尤其是在細粒度類多晶磨料的制備中起了不可替代的作用，但噴霧干燥設備昂貴，工藝復雜，很難大規模工業生產。

       3.4反相微乳液法

       反微乳液法制備球形金剛石堆積磨料就是將金剛石分散在硅溶膠中，再將混合漿料緩慢加入高速攪拌的微乳液體系中，在微乳液體系中混合料漿會自發的分散成無數個球形液滴，充分攪拌后，這些球形液滴中的硅溶膠會與微乳液體系中的無水乙醇和異辛醇發生反應形成球形凝膠顆粒，與此同時金剛石也均勻的分布在凝膠顆粒中，這些凝膠顆粒經過干燥和高溫煅燒后，異辛醇等有機物充分分解，最終獲得由無機陶瓷結合劑包覆的金剛石的堆積磨料。該方法不僅能夠制備出粒度分布均勻，而且不需要傳統的大型高溫噴霧干燥裝置即可獲得形狀穩定的球形凝膠顆粒。劉菊等人以硅溶膠為結合劑，金剛石微粉為單顆粒磨料，運用反相微乳液法制備的陶瓷結合劑球形金剛石堆積磨料，考察溶膠結合劑對金剛石的包覆情況，并討論結合劑量對堆積磨料拋光性能的影響。拋光實驗表示，隨著結合劑量的增加，拋光速率先增大后減小，在結合劑含量為50%（質量分數）左右時加工效率最高，玻璃表面粗糙度先減小后增大，在結合劑量為55%（質量分數）左右時，工件的表面一致性較好，粗糙度最低，約為Ra0.095um。

       從圖8可以看出，通過反相微乳液法制出的球形度較好的金剛石堆積磨料，在660℃下，煅燒并保溫1h后，結合劑能熔融為液相并對金剛石微粉產生包覆，金剛石堆積磨料的粒度分布均勻，粒徑可控制在50--100um之間。

       隨著結合劑量的增加，金剛石磨粒之間的接觸面增大，當結合劑添加量<50%（質量分數）時，金剛石磨料顆粒之間以點接觸形式連結，此時，結合劑對金剛石磨料的把持力較小，在結合劑添加量為50%（質量分數）時，金剛石磨料之間通過結合劑橋以面接觸的形式連結，結合劑對金剛石磨料的包覆性較好，形成比較強的把持力，結合劑添加量為60%（質量分數）時，過多的結合劑將填充于金剛石磨料之間的孔隙，導致結合劑對金剛石磨料的把持力過高，在拋光過程中金剛石堆積磨料自銳性變差，致使拋光效率下降。

       引用文獻：1.王兆武,栗正新.滾粒法制備球形堆積磨料及其性能分析[J].超硬材料工程,2016,28(04):11-14.