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陶瓷 CBN 砂轮的研究进展*吴恒恒，许桥，周宏根，管小燕，史肖娜，李国超（江苏科技大学 机械工程学院,江苏 镇江 212003）摘要陶瓷 CBN 砂轮在成形加工和精密加工等领域广泛应用，对其进行研究在提高工件加工质量和加工效率方面具有重要意义。分别从 CBN 磨粒、改性剂的添加、陶瓷 CBN 砂轮的制备和磨削性能方面，综述近些年陶瓷 CBN 砂轮的研究进展，并对其未来发展前景进行展望。在 CBN 磨粒方面，论述了 CBN 单晶的合成，介绍了 CBN 磨粒表面处理和加入强磁场时的处理方式；对于改性剂，分别论述了成孔剂、氧化物、金属物质、纳米材料的添加对陶瓷 CBN 砂轮性能的改善；在陶瓷 CBN 砂轮制备方面，介绍了其成形和烧结的方法。此外，还介绍了陶瓷 CBN 砂轮在钢类材料、镍基合金、钛合金等难加工材料上的磨削加工应用，并提出影响其磨削性能的因素。关键词陶瓷 CBN 砂轮；磨粒；改性剂；陶瓷结合剂；磨削性能 中图分类号TQ164;TG74;TB39文献标志码A文章编号1006-852X(2023)04-0455-19DOI 码10.13394/ki.jgszz.2022.0151收稿日期2022-09-13修回日期2023-01-03 随着现代制造技术的发展，对工件的加工质量提出了更高的要求，加工用高性能磨具的研发也成为必然趋势1-2。金刚石和立方氮化硼（CBN）超硬磨料制备的超硬砂轮具有磨削能力强、磨损小、寿命长等特点，在高质量工件加工中已广泛应用3。对比这 2 种超硬磨料，尽管 CBN 的硬度略小于金刚石的，但其良好的导热性和耐热性以及对铁族金属及其合金的化学惰性，使其应用领域得到极大地扩展4-5。此外，用 CBN磨料制备的砂轮在高速钢、高强度钢、高温合金等难加工工件的磨削中表现出极大的优势，可实现其高速、高效和高精度地磨削加工6-8。CBN 砂轮按照结合剂可分为金属、树脂和陶瓷结合剂砂轮 3 种。其中的陶瓷CBN 砂轮，在自锐性和孔隙可控性方面比金属 CBN 砂轮的好，在热稳定性和黏结强度方面强于树脂 CBN 砂轮9。因此，陶瓷 CBN 砂轮受到研究者的广泛关注。目前，国内陶瓷 CBN 砂轮的发展水平与发达国家相比存在较大差距。在磨削速度方面，国外已对砂轮轻量化技术进行研究，如研制出以碳纤维增强复合材料为基体的轻质、高强度砂轮，并将其应用于生产中；日本通过研究陶瓷结合剂，已研制出磨削速度达 300 m/s的陶瓷 CBN 砂轮。国内磨削速度为 200 m/s 的陶瓷CBN 砂轮已被批量应用于凸轮轴、曲轴等零件的生产中，想要进一步提高磨削速度有一定难度10。在陶瓷CBN 砂轮本身精度方面，国外研制的超薄切割砂轮的对称度在 0.01 mm 之内，可以满足产品的高精度加工要求；而国内还没有减小砂轮精度差的设备和技术。在砂轮加工的工件精度方面，国内陶瓷 CBN 砂轮的加工精度已达 2 m，对精度要求更高的陶瓷 CBN 砂轮，国内几乎没有生产，主要依靠进口11。在陶瓷 CBN 砂轮生产自动化和智能化方面，国外已经实现陶瓷 CBN砂轮的自动称料、成形、卸模、检测等，在生产过程中就可完成数据的采集；而国内陶瓷 CBN 砂轮的制备还处于半自动化加手工生产的状态，生产过程中仍离不开手动操作，且无法自动完成数据的采集12。对于亚微米级和纳米级磨粒粒度的超精密陶瓷 CBN 砂轮，国外已有产品，而国内仍处于研究阶段。对于上述状况，有必要加大对陶瓷 CBN 砂轮的研发，提高其磨削性能。为此，对近年来 CBN 磨粒的合成和处理、陶瓷CBN 砂轮改性剂的添加、陶瓷 CBN 砂轮的制备和其对难加工材料磨削方面的进展进行梳理，并对其未来 *基金项目：船舶智能制造关键共性工艺研究（MC-201704-Z02）;江苏科技大学科研启动基金专项（1022932006）。2023 年 8 月 第 4 期金刚石与磨料磨具工程Aug.2023第 43 卷 总第 256 期Diamond&Abrasives EngineeringNo.4 Vol.43 Serial 256的发展前景提出展望。1陶瓷 CBN 砂轮用磨粒的研究立方氮化硼（CBN）是以六方氮化硼（hBN）为原料，经过高温高压制造的一种超硬材料。对陶瓷砂轮用 CBN 磨 粒 进 行 研 究，主 要 表 现 在 3 个 方 面：（1）CBN 单晶的合成。对 CBN 单晶的合成进行研究，可提高 CBN 单晶的质量；（2）CBN 磨粒的表面处理。可在一定程度上避免结合剂中碱性物质对 CBN 磨粒的侵蚀，提高陶瓷 CBN 砂轮的性能；（3）CBN 磨粒的排布调控。通过添加强磁场，改变磨粒在砂轮内的排布，可提高烧结后陶瓷 CBN 砂轮的性能。1.1CBN 单晶的合成通常情况下，CBN 单晶是在高温高压下添加触媒后 合 成 的，合 成 的 单晶 CBN 的 维 氏 硬 度 在 30 45GPa13。人们最早采用的触媒是电负性较强的金属 Li、Mg、Ca、Al 单质14。WENTORF15 采用金属 Mg 为触媒在高温高压下第一次合成了 CBN 单晶。但后续研究发现，对 CBN 合成起作用的并不是触媒金属，而是其氮 化 物、硼 化 物 和 硼 氮 化 合物 Li3N、Ca3N2、Mg3N2、Mg3B2N4、Ca3B2N4等16-17。CBN 单晶合成用触媒体系主要以锂基和镁基触媒为主，而钙基触媒稳定性差，生产中已不常用。锂基触媒主要是以碱土金属氮化物（如 Li3N）为触媒来合成 CBN 单晶的，尽管合成时的温度和压力较高，还有 CBN 生长区间较窄等缺点，但合成的 CBN 单晶品质较好，且大多为大颗粒。GUO 等18发现在高温高压条件下，hBN 与 Li3N 会发生共熔反应生成 Li3BN2中间相，中间相具有催化作用，使 hBN 转变为 CBN 单晶，但不会发生反向转变。LV 等19利用固体和分子的经验电子理论，分析了数十个 hBN/CBN 双相界面和Li3BN2/CBN 的电子密度相对差异，得出 Li3BN2是一种催化剂的结论。LV 等20对在 Li3N 触媒下 hBN 转变为CBN 单晶的电子能量损失谱进行了分析，发现 CBN 单晶外层到内层的 sp3分数逐渐增加，sp2逐渐减少，且CBN 单晶可由 hBN 直接转化。另外，温振兴等21发现Li3N 触媒的粒度对单晶 CBN 的合成效果有影响。在触媒粒度尺寸为 80100 m 时，合成的 CBN 单晶具有抗压强度高、生长完善且晶形完整度较好的特点；当触媒粒度尺寸为 6080 m 时，CBN 单晶的合成产量和转化率较高。王功振等22-23研究了触媒层内组织形状与合成 CBN 单晶品质好坏的关系，发现合成的 CBN单晶品质较好时，触媒层内存在均匀的熔融球状和管状组织。CAI 等24对在高温高压条件下 Li3N 和 hBN合成 CBN 单晶的工艺进行了优化处理，发现逐渐升高的压力、恒定的功率和 15 min 的加热时间有利于在高温高压下合成大尺寸的 CBN 单晶。而对于镁基触媒而言，于丽娟25认为 Mg3N2触媒合成的 CBN 单晶品质较差，而纯度较高的 Mg3B2N4却有利于合成高质量的CBN 单晶。李启泉等26在 700 温度下将金属镁和hBN 按质量比为 11 的比例均匀混合，生成硼氮化镁化合物 Mg2B2N4，后将其和 hBN 混合，在高温高压下合成了 CBN 单晶。同时，通过实验还发现：制备 hBN 的温度对 CBN 单晶的合成有影响，在 1 500 下制备的hBN，可以与硼氮化镁合成出产量高、粗颗粒占比高的CBN 单晶。为了降低 hBN 转变为 CBN 时的压力和温度，研究者们进行了一定的探索，发现添加催化剂可以有效降低反应压力和温度，催化剂有碱金属、硼酸铵盐、金属氮化物等。SINGHAL 等27通过在高温高压下加入催化剂 Li3N 和固态化合物(Co(NH3)6Cl2和 NH4F 合成了CBN 单晶，发现固态化合物在高温下会分解出氨，增大内部的压力，在 2 GPa 和 1 300 下就可合成 CBN 单晶，因而极大地降低了反应压力和温度。最近，MA28提出了一种新型合成 CBN 单晶的方法，引入化学反应产生的活性氮和硼原子替代 hBN 原料，在 2.5 GPa 和1 450 下合成了 CBN 单晶。与传统方法相比，系统降低了压力和温度，同时降低了生产成本并延长了设备使用寿命。至今为止，高温高压法仍是 CBN 单晶合成的常用方法，但由于设备条件和技术的限制，合成出的 CBN晶体尺寸通常小于 0.5 mm29。面对大粒径 CBN 单晶的迫切需求，研究者们加快探索大粒径 CBN 单晶的制备方法。MISHMA 等30第一次利用温度梯度法添加籽晶的方式，在5.5 GPa 压力和1 800 温度下合成出粒径达3 mm 的 CBN 单晶。此后，TANIGUCHI 等31利用同样的方法，在高温高压下通过自发成核合成出 13 mm的 CBN 单晶。张铁臣等32在 hBN-Mg 体系中加入适当的水和酒精，利用水在高温下可以分解 hBN 的特性，以增加较活泼的 B 和 N 原子数量，提高晶体生长速率，最终在超高温高压下得到粒径为 1.6 mm 的 CBN 单晶。456金刚石与磨料磨具工程总第 256 期苏海通等33发现添加籽晶有助于生产出大尺寸的CBN 单晶，但存在合成时间长、生产成本高等问题，无法满足工业化生产的需要。目前，合成的 CBN 单晶最大尺寸在 3 mm 左右，想要进一步提升 CBN 单晶的尺寸具有一定难度。1.2CBN 磨粒的表面处理陶瓷结合剂中的碱金属、碱土金属氧化物会侵蚀CBN 磨粒，破坏其晶体结构及强度。因此，需对 CBN磨粒表面进行处理，防止磨粒被侵蚀，提升砂轮强度。LI 等34对 CBN 磨粒表面进行酸处理，清除了磨粒表面的杂质，显著提升了磨粒的稳定性，同时提高了陶瓷结合剂与 CBN 磨粒间的湿润性。YANG 等35-36对 CBN磨粒表面预氧化处理，使其表面生成 B2O3，增强了陶瓷结合剂与 CBN 磨粒间的湿润性，提高了砂轮的抗折强度，降低了砂轮磨削时的磨耗。对 CBN 磨粒表面进行镀覆处理，可防止碱性物质对 CBN 磨粒的侵蚀，提高陶瓷结合剂对 CBN 磨粒的把持能力，间接地提高陶瓷结合剂砂轮的强度，还可改善陶瓷结合剂与 CBN 磨粒之间的湿润性。王艳辉等37-38在 CBN 磨粒表面进行镀 Ti、镀 Cr 处理，Ti、Cr 镀层在一定的烧结温度下与 CBN 晶体发生化学反应，在晶体表面外延生长难熔化合物，使 Ti、Cr 镀层与 CBN 结合牢固，阻止了碱性物质对 CBN 的侵蚀。张明等39在CBN 磨粒表面涂覆 Mo，Mo 涂层与 CBN 磨粒发生化学反应生成 Mo2N、Mo2B5和 MoB 等，实现了镀层与 CBN之间的化学结合，使陶瓷结合剂与 CBN 磨粒之间的结合能力增强，在镀层的保护下还可防止 CBN 磨粒被侵蚀。赵玉成等40通过电镀和涂覆等方法，在 CBN 磨粒表面覆盖一层刺状的镍、铁或 Al2O3，可以保护 CBN 磨粒不被结合剂侵蚀，同时还增加了结合剂与 CBN 磨粒之间的湿润性。近些年，张林森等41在 CBN 磨粒表面镀覆一层连续、均匀的 Ni-P 合金镀层，提高了 CBN 磨粒的强度，也有利于结合剂与磨粒之间的结合。李建壮等42对超高速 CBN 砂轮进行镀 Ti 处理，镀 Ti 前的CBN 磨粒与结合剂之间为机械包镶式结合，镀覆后的CBN 磨料与结合剂之间发生化学反应，提高了超高速CBN 砂轮的强度。梁宝岩等43利用微波熔盐法在CBN 表面反应生成 TiN、Ti2N、TiN0.3、TiB2组织，实现了 CBN 磨粒表面的镀 Ti 处理。1.3CBN 磨粒的排布调控随着低温超导技术的发展，强磁场被应用到材料科学等领域44。为了实现 CBN 磨粒的有序排列，YU等45认为强电磁下的陶瓷 CBN 复合材料的机械性能要强于常规烧结下陶瓷 CBN 复合材料的机械性能，并通过实验研究在强磁场条件下 Ni 的添加对陶瓷 CBN复合材料微观结构和性能的影响。结果发现：Ni 的加入可提高陶瓷结合剂的流动性和抗弯强度，强磁场的引入可提高陶瓷结合剂与磨粒之间的结合能力。图 1为陶瓷CBN 复合材料的截面形貌45，其中的图1a 与图1c分别是常规烧结的 CBN 复合材料放大 100 倍和 500 倍时的形貌，图 1b 与图 1d 分别是强电磁烧结的 CBN 复合材料放大 100 倍和 500 倍时的形貌。从图 1a 与图 1c中可看出：复合材料的截面形貌不光滑，表面纹理不规则，断裂发生在结合剂与 CBN 磨粒之间，这表明陶瓷结合剂与 CBN 磨粒间的结合能力不佳；而从图 1b 与图 1d 中可看出：复合材料的截面相对平滑，断口处的裂纹沿着晶界扩展，属于磨粒之间的断裂，这表明陶瓷结合剂与 CBN 磨料间的结合紧密。(a)(b)(c)(d)100 m100 m20 m(a)常规烧结复合材料放大 100 倍时的形貌Morphology of conventional sintered composites at 100 times magnification (b)强电磁烧结复合材料放大 100 倍时的形貌 Morphology of strong electromagnetic sintered composites at 100 times magnification (c)常规烧结复合材料放大 500 倍时的形貌Morphology of conventional sintered composites at 500 times magnification (d)强电磁烧结复合材料放大 500 倍时的形貌Morphology of strong electromagnetic sintered composites at 500 times magnification磨粒磨粒20 m图1陶瓷结合剂 CBN 复合材料的截面形貌45Fig.1SectionalmorphologiesofvitrifiedbondCBNcomposites45 此外，引入强磁场可以促使 Ni 在陶瓷结合剂中发生迁移和聚集，使磨粒旋转，从而提高陶瓷 CBN 复合材料的稳定性。WANG 等46研究了强磁场对陶瓷结合剂性能的影响，发现：加入强磁场后，陶瓷结合剂微观结构发生变化，晶粒的取向得到控制且尺寸减小，陶瓷结合剂的强度得到提高。但磁场强度并不是越高越好，合适的磁场强度应为 6 T。石莹等47对 CBN 磨粒镀镍第 4 期吴恒恒，等：陶瓷 CBN 砂轮的研究进展457处理并将强磁场引入到陶瓷 CBN 砂轮制备中，结果发现：在适当磁场力的作用下，改变镀镍 CBN 磨粒的方向，使其呈磁链式分布，可提升陶瓷 CBN 砂轮的性能；但施加的磁场强度过大，镍层和 CBN 磨粒会出现脱壳现象。WANG 等48对磁控陶瓷 CBN 砂轮进行了研究，发现通过调整磁场的强度和性能可以有效控制镀镍CBN 磨料颗粒的方向，使颗粒呈链式分布，且其长轴方向与磁场方向一致。另外，磁控陶瓷 CBN 砂轮磨削GH4169 金属时的磨削力和磨削温度优于普通陶瓷 CBN砂轮的。2陶瓷 CBN 砂轮中改性剂的添加常见的改性剂有成孔剂、氧化物、金属、纳米物质等。改性剂参与并促进结合剂的反应，使结合剂与磨粒的结合能力发生变化，而改变陶瓷结合剂的性能。2.1成孔剂对砂轮成孔效果及其性能的影响气孔是砂轮重要的组成部分，在磨削过程中起容屑、排屑、散热、冷却的作用49。通常情况下，通过添加成孔剂达到成孔效果。常见的成孔剂主要有以下类型：（1）精萘。萘是一种传统的成孔剂，在高温下升华、挥发或分解，达到造孔的效果，其成孔效果好。但萘升华挥发或分解产生的物质具有毒性，对人的健康和环境产生危害，已被国家禁止生产、销售和使用。（2）石墨与 CaCO3。张习敏等50比较了石墨和CaCO3成孔剂的成孔效果。由于石墨颗粒形状不规则，形成的气孔不规则；添加 CaCO3后生成的气孔形状多为球形且均匀，在允许的范围内随着 CaCO3添加量增大，气孔尺寸随之增大。因此，CaCO3的成孔效果要比石墨的好。（3）无机铵盐。此种成孔剂在水溶液性冷却液中溶解，其本身的位置就形成气孔。刘一波等51对 4种无机铵盐的成孔效果进行研究，发现添加无机铵盐NH4HCO3后，气孔的孔径增大；添加无机铵盐 NH4Cl、NH4F 后的成孔效果不明显，不适合作为砂轮的成孔剂；而添加无机铵盐(NH4)2SO4形成的气孔较小，气孔的可调性较差。（4）聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）微球和活性炭。LV 等52比较分析了 PMMA微球和活性炭成孔剂对砂轮微观结构和性能的影响，发现 PMMA 微球比活性炭更适合成为陶瓷 CBN 砂轮的成孔剂。图 2 为活性炭和 PMMA 微球的颗粒形态52。图 2a 中的活性炭含有许多大小不等的角状颗粒，颗粒的表面比较粗糙；图 2b 中的 PMMA 微球呈球形，其表面光滑。图 3 为添加不同质量分数活性炭和 PMMA 微球制备的陶瓷 CBN 样品断裂表面显微照片52。在图 3a中，不加成孔剂制备出的样品呈现多孔微结构，有许多不规则的小而紧密的孔。在图 3b图 3e 中，分别加入相同质量分数的活性炭和 PMMA 微球时，使用活性炭制备的陶瓷 CBN 样品具有大量不同尺寸且不规则的孔，而 PMMA 微球制备的陶瓷 CBN 样品具有相对较小的准球形孔，且添加 PMMA 微球形成的孔比活性炭形成的在孔分布上更加均匀。同时，在图 3d 中还可看出：内部的孔有一些变形，可能是由于液态陶瓷熔体在高温下流动，使 PMMA 微球完全分解，导致孔的薄壁坍塌。此外，还发现 PMMA 微球的添加对砂轮的强度和硬度的影响也较小。(a)活性炭 Activated carbon(b)PMMA 微球 PMMA microsphere50 m50 m(a)(b)图2造孔剂的颗粒形貌52Fig.2Particlemorphologiesoftheporeformers52（5）空心微球，其颗粒可以产生封闭的气孔，气孔的形状和大小容易控制53。WANG 等54-55研究了空心玻璃微球和空心刚玉微球的含量和粒径对陶瓷砂轮孔隙率和性能的影响，研究表明：成孔剂添加量越大，陶瓷砂轮孔隙率越高，其抗弯强度和硬度就越低；成孔剂的粒径越大，陶瓷砂轮孔隙率越低，其硬度和抗弯强度越高。轩闯等56研究了空心氧化铝微球的添加对砂轮性能的影响，发现空心氧化铝微球添加量越大，砂轮孔隙率越高，抗弯强度和硬度越低；粒径越大，孔隙率越低，砂轮抗弯强度和硬度越高。此外，空心氧化铝微球的添加可改善工件加工质量。（6）碳化硼、碳化硅等填料。此类填料与陶瓷结合剂之间具有较差的结合能力，磨削过程中容易脱落，脱落处形成气孔，同时脱落的填料对工件还起到一定的磨削作用。此填料造孔对砂轮强度下降的影响较小。不同类型的成孔剂具有不同的造孔特征。陈卫东458金刚石与磨料磨具工程总第 256 期等57比较了 4 种不同类型的成孔剂对砂轮成孔效果以及强度的影响，发现加入氧化铝空心球和空心玻璃微球后，结合剂强度降低较小，形成的气孔均匀且易控；而添加硫酸铵后形成的气孔较小且均匀，结合剂强度降低较大，因此不宜添加过多；加入碳粉后形成的气孔大，碳粉仍然有残留，结合剂的强度急剧下降。侯永改等58对燃烧型成孔剂、热分解型成孔剂、可溶性盐类成孔剂的成孔效果及其对陶瓷 CBN 砂轮性能的影响进行了研究，发现燃烧型成孔剂成孔效果明显，砂轮的冲击韧性降低十分明显；热分解型成孔剂的成孔效果要好于燃烧型成孔剂的，但对砂轮的抗弯强度影响较大；可溶性盐类成孔剂的成孔效果较好，形成的气孔分布均匀，对砂轮抗弯强度的影响较小，且对增强砂轮的韧性也有很大的益处。(a)无成孔剂 No pore forming agent (b)质量分数为 4%的活性炭 Activated carbon with mass fraction of 4%(e)质量分数为 8%的 PMMAPMMA with mass fraction of 8%(a)(b)(e)50 m50 m(c)质量分数为 8%的活性炭 Activated carbon with mass fraction of 8%(c)50 m50 m(d)质量分数为 4%的 PMMAPMMA with mass fraction of 4%(d)50 m图3使用不同质量分数成孔剂制备的试样的 SEM 显微照片52Fig.3SEMmicrographsofspecimenspreparedwithvariousmassfractionsofporeformers52 2.2氧化物对陶瓷结合剂及其砂轮性能的影响在陶瓷结合剂中添加新的氧化物会影响陶瓷结合剂和陶瓷 CBN 砂轮的性能。氧化物形成的玻璃体为陶瓷结合剂的主要组成部分，可形成主要的网格体结构，起到把持磨粒并将结合剂黏接成体的作用。此类氧化物有 SiO2、P2O5、V2O5、B2O3等。樊雪琴等59将V2O5引入到陶瓷结合剂中，当加入少量的 V2O5时，陶瓷结合剂的热膨胀系数减小，结合剂的强度、硬度先增大后减小；当加入质量分数为 0.8%的 V2O5时，结合剂的各项力学性能达到最大。REN 等60研究了 B2O3的添加对陶瓷结合剂结晶的影响，当加入质量分数为0.5%的 B2O3时，陶瓷结合剂的结晶度增加，并具有良好的半透明性；若 B2O3质量分数大于 0.5%时，结晶度和半透明性明显下降。王照等61研究了 B2O3的添加对陶瓷结合剂性能的影响，发现 B2O3的添加可以降低烧结温度，提高陶瓷结合剂的热稳定性并起到调节热膨胀系数的作用；当加入摩尔分数为 15%的 B2O3时，陶瓷结合剂的抗折强度、密度和硬度达到最大。玻璃中间体无法独立形成玻璃，当其中的氧化物被夺氧后，便可生成新的网格体，因此能改善结合剂的流动性、润湿性。常见的玻璃中间体有 ZnO、PbO、Al2O3、ZrO2、TiO2等。WANG 等62发现 ZnO 的加入会降低陶瓷结合剂的耐火度，改善其流动性，增强陶瓷结合剂与磨料间的润湿性。LUTPI等63利傅里叶红外光谱证实了 ZnO 在陶瓷结合剂中作为网络改性剂的功能；当加入质量分数为 1.45%的 ZnO 时，陶瓷结合剂的机械性能达到最佳。赵婧64将 PbO 引入陶瓷结合剂中，当加入少量的 PbO 时，能降低陶瓷结合剂的耐火度；当加入的 PbO 质量分数超过 10%时，对结合剂耐火度的影响不大；当添加质量分数为 5%的 PbO 后，磨具具有较高的抗折强度和洛氏硬度。陈建立65等在陶瓷结合剂中添加 Al2O3，当 Al2O3与 SiO2的百分比值从 5%到25%时，陶瓷结合剂的耐火度和抗弯强度逐渐增大，热膨胀系数基本保持稳定。ZrO2的加入可以提高陶瓷结合剂抗酸性和碱性的溶解能力，而提高砂轮寿命66。LI 等67发现加入 ZrO2有利于改善陶瓷结合剂的微观结构，当加入质量分数为 3%的 ZrO2后，结合剂形成的微晶玻璃的孔隙和裂纹减少，其具有致密的显微结构。侯永改等68-69发现加入 ZrO2可提高陶瓷结合剂的耐火度，降低其流动性；同时，ZrO2加入后结合剂中有 ZrSiO4细晶析出，可提高陶瓷结合剂的抗折强度和显微硬度。田久根等70加入不同含量的 ZrSiO4到陶瓷结合剂中，发现 ZrSiO4含量增加，陶瓷结合剂的耐火度变化不明显，热膨胀系数在一定范围内降低；当加入质量分数为 4%的 ZrSiO4后，陶瓷结合剂结构致密，微观状态均匀，综合性能达到最佳。第 4 期吴恒恒，等：陶瓷 CBN 砂轮的研究进展459SHAN 等71研究了 TiO2的添加对陶瓷 CBN 复合材料微观结构和力学性能的影响。图 4 为添加不同质量分数 TiO2时陶瓷 CBN 复合材料的扫描电镜图像71。由图 4 可以看出：添加质量分数为 4%的 TiO2后，陶瓷结合剂更好地覆盖了磨粒，复合材料中气孔更少；同时，陶瓷结合剂的流动性和热膨胀达到最佳，陶瓷 CBN 复合材料的弯曲强度和洛氏硬度也达到最大。SUN 等72对在常规烧结下添加 TiO2后的陶瓷结合剂性能进行了探讨，发现随着 TiO2的加入，陶瓷结合剂的耐火度先显著提升，然后略有下降，而其流动性与耐火度呈现相反的趋势；当添加适当的 TiO2后，陶瓷结合剂的抗弯强度提高。ZHOU 等73认为 TiO2的添加可改变陶瓷结合剂与 CBN 之间的润湿性，由于 CBN 表面致密的B2O3扩散到陶瓷结合剂中，与 Ti4+反应，形成较强的TiB 键，可改善陶瓷结合剂与 CBN 间的润湿性。肖攀等74认为结合剂中的微晶数量与 TiO2的添加量关系不大，因此在添加 TiO2的同时应同时加入一定量的RO 氧化物。ZHU 等75研究了 TiO2的添加对陶瓷结合剂结晶行为的影响，发现随着 TiO2含量的增加，晶体的含量增加，但尺寸减小。(a)0(b)4%TiO2(c)8%TiO2(d)图 4b 放大 Enlarged view of figure 4b(a)(b)(c)(d)界面结合桥500 m500 m500 m10 m图4不同 TiO2含量时陶瓷 CBN 复合材料的 SEM 图像71Fig.4SEMimagesofvitrifiedbondCBNcompositeswithdifferentcontentsofTiO271玻璃调整体可作为助溶剂降低陶瓷结合剂的耐火度，使其在较低温度下完成烧结。形成玻璃中间体的氧化物有 CaO、BaO、Na2O、MgO 等。李志宏等76研究了 CaO 的添加对陶瓷结合剂性能的影响，发现 CaO 的添加具有催熔作用，可降低砂轮制作过程中陶瓷结合剂的耐火度，但也会降低砂轮的强度。钟彦征等77将BaO 添加到陶瓷结合剂中，发现随着 BaO 的添加，陶瓷结合剂的热膨胀系数增大，流动性和力学性能先升高后降低；当加入的 BaO 质量分数为 2%时，陶瓷结合剂的力学性能最佳。赵仕敬等78发现较高的 Na2O 有利于阻止石英相的析出，随着 Na2O 含量增加，陶瓷结合剂的硬度和抗弯强度降低。梅涛等79将 Na2O 加入陶瓷结合剂中，随着 Na2O 含量增加，陶瓷结合剂耐火度降低，流动性增加；磨具中的孔隙度降低，结合剂与磨料间的结合更加紧密。稀土氧化物具有良好的表面活性，对陶瓷材料的表面起到润湿作用，可降低陶瓷材料的熔点。稀土氧化物 Y2O3加入后，微晶玻璃的黏度降低，结晶能力提高80-81。侯永改等82将 Y2O3加入陶瓷结合剂中，发现结合剂的耐火度降低、流动性增强；当加入质量分数为 0.8%的 Y2O3后，结合剂具有最佳的力学性能，CBN磨料与结合剂的结合更加紧密。FENG 等83-84加入稀土氧化物 CeO2和 Y2O3到基础陶瓷结合剂中，研究了 2种稀土氧化物的协同作用。结果表明：加入适量的稀土氧化物能够降低陶瓷结合剂的耐火度，增大其流动性；2 种稀土氧化物的共同作用对复合材料的影响大于单一稀土氧化物的，并通过对比发现稀土氧化物CeO2对陶瓷复合材料性能的影响要大于 Y2O3的。WANG 等85系统研究了 Y2O3和 ZrO2这 2 种氧化物的添加对陶瓷结合剂性能的影响，发现氧化物的添加都有助于提高陶瓷结合剂的耐火度，且两者等比例添加时效果最好。图 5 为加入不同质量分数 ZrO2和Y2O3时陶瓷结合剂试样的断口形貌85。从图 5 可以看出：不添加任何氧化物时，陶瓷结合剂试样的断裂质量较差（图 5a）；ZrO2的添加会改善陶瓷结合剂的微观结构，图 5b 中加入质量分数为 4%的 ZrO2后，试样断口形貌虽然不佳，但相比图 5a 的有所改善；图 5d 为加入质量分数为 8%的 ZrO2的陶瓷结合剂试样的断口形貌，发现其微观结构不佳，因此并不是 ZrO2添加越多越好；用质量分数为 4%的 Y2O3代替相同质量分数的ZrO2，有利于提高陶瓷结合剂的综合性能，图 5c 中的孔隙结构相对均匀，表面质量最好。WANG 等86认为Y2O3的添加可以增强陶瓷结合剂玻璃结构的稳定性。由于 Y2O3添加后，可降低玻璃转变的激活能，增加结晶活化能，从而提高玻璃结构的稳定性。LI 等87研究了 Y2O3和 La2O3对陶瓷结合剂结构和力学性能的影响。随着 Y2O3和 La2O3含量的增加，陶瓷结合剂的原子堆积密度增加，当添加摩尔质量为 4%的 Y2O3和 2%的La2O3时，原子堆积密度达到最佳；同时，陶瓷结合剂的460金刚石与磨料磨具工程总第 256 期维氏硬度、弹性模量和弯曲强度都有一定增加。因此，Y2O3和 La2O3的添加可以显著改善陶瓷结合剂的机械性能。(a)0 ZrO2+0 Y2O3(b)4%ZrO2+0 Y2O3(c)4%ZrO2+4%Y2O3(d)8%ZrO2+0 Y2O3(a)(b)(c)(d)20 m20 m20 m20 m图5不同配方的陶瓷结合剂试样的断裂形态85Fig.5Fracturemorphologiesofceramicbondspecimenswithdif-ferentformulas85 不同类型氧化物的添加对陶瓷结合剂以及陶瓷CBN 砂轮性能的影响不同。随着碱金属氧化物的添加，陶瓷结合剂的耐火度先增大后减小，平均热膨胀系数增大。砂轮的最佳烧结温度需根据结合剂中碱金属氧化物的含量来确定88。WANG 等89-90对比了不同碱金属氧化物和碱土金属氧化物的添加对陶瓷结合剂性能的影响，发现碱金属氧化物对陶瓷结合剂性能的影响要大于碱土金属氧化物的，碱土金属氧化物对陶瓷结合剂性能的影响大于其他氧化物的。2.3金属物质对陶瓷结合剂及其砂轮性能的影响金属具有较好的导热性和延展性，对陶瓷结合剂具有增韧作用。FENG 等91研究了 Cu 的加入对陶瓷CBN 复合材料微观结构和性能的影响。图 6 为加入不同质量分数 Cu 时陶瓷 CBN 复合材料的微观结构图及其放大图91。从图 6 中可以看出：加入质量分数为 6%的 Cu 后，磨粒被陶瓷结合剂均匀地包裹着，结合剂与磨粒之间的结合强度提高；同时陶瓷 CBN 复合材料中的孔隙增多，微观结构更均匀。此外，添加 Cu 后陶瓷CBN 复合材料的导热系数和抗弯强度也有所提高。Al 是一种良好的导热材料，能够在磨削的过程中起到冷却和散热的作用。程利霞等92发现：加入金属Al 微粉，陶瓷结合剂的耐火度提高、流动性降低、热膨胀系数降低，结合剂对磨粒的把持力增强，陶瓷 CBN砂轮的致密度提高、孔隙率降低，CBN 微粉与 Al 微粉在高温高压下会反应生成 AlN 和 AlB2。HE 等93也发现，随着 Al 的添加，陶瓷结合剂的抗弯强度和洛氏硬度提高，陶瓷结合剂与磨料之间的润湿性增强，陶瓷CBN 砂轮的性能提升。李君君等94将金属 Al 粉加入基础陶瓷结合剂中，陶瓷结合剂的耐火度升高，但其玻璃结构没有太大变化，陶瓷 CBN 复合材料的抗折强度随烧结温度的升高而提高。(a)(b)(c)(d)200 m200 m30 m30 m(a)0(b)图 6a 放大 Enlarged view of figure 6a(c)6%Cu(d)图 6c 放大 Enlarged view of figure 6c图6不同 Cu 含量时陶瓷 CBN 复合材料微观结构91Fig.6MicrostructuresofvitrifiedbondCBNcompositeswithdifferentcontentsofCu91 XIA 等95将 AlN 加 入 陶 瓷 结 合 剂 中 制 备 陶 瓷CBN 复合材料，随着 AlN 的质量分数从 0 增大到 8%，陶瓷结合剂的导热性增强；当加入质量分数为 6%的AlN 时，陶瓷结合剂的热膨胀系数最小，陶瓷 CBN 复合材料的弯曲强度最大。图 7 为加入不同含量 AlN 时陶瓷 CBN 复合材料的断面形貌95。图 7a 为不含 AlN的复合材料断面形貌，可以看出断面较光滑，为脆性断裂；图 7b 为含有 AlN 的复合材料的断面形貌，可看出裂纹在晶粒和玻璃化结合层之间的表面发生偏转和发散，裂纹路径延长导致能耗增加从而防止复合材料断裂。图 8 为 添 加 质 量 分 数 为 4%和 6%AlN 时 陶 瓷CBN 复合材料的微观结构95。由图 8a 可知：复合材料中出现一种新的晶体-三钇矿，AlN 添加越多，-三钇矿的含量就越高；图 8b 中存在许多细小且均匀分布的-三钇矿晶体，这也是添加质量分数为 6%AlN 时的陶瓷 CBN 复合材料弯曲强度达到最大的原因。SUN 等96研究了金属 Co 的添加对陶瓷结合剂和陶瓷 CBN 复合材料性能的影响，当少量的 Co（质量分第 4 期吴恒恒，等：陶瓷 CBN 砂轮的研究进展461数为 3.6%）添加后，陶瓷结合剂的耐火度降低，流动性增强，气孔孔径增大，不规则孔的数量增多，并且陶瓷结合剂的抗弯强度降低；当添加质量分数为 10.8%的Co 后，陶瓷结合剂的耐火度升高，流动性降低，形成单一尺寸和均匀的气孔，并且陶瓷结合剂的抗弯强度提高。(a)未添加 AlNNo AlN added(b)添加 AlNAdd AlN(a)(b)界面界面磨粒磨粒陶瓷结合剂陶瓷结合剂10 m10 m图7未添加和添加 AlN 的陶瓷 CBN 复合材料的断面形貌比较95Fig.7ComparisonofcrosssectionmorphologiesofceramicCBNcompositeswithandwithoutAlN95 (a)4%(b)6%(a)(b)500 nm500 nm图8不同 AlN 含量时陶瓷 CBN 复合材料的微观结构95Fig.8MicrostructuresofceramicCBNcompositeswithdifferentAlNcontents95 王志起等97-98对添加金属 Fe、Co、Ni、Ti 后的陶瓷结合剂的性能进行了探讨，发现金属 Fe 的添加质量分数在 20%内时，陶瓷结合剂的耐火度先增大后减小；金属 Co 添加后，陶瓷结合剂的耐火度会增大；金属 Ni添加后，陶瓷结合剂的耐火度和流动性变化较小，但Ni 的加入使陶瓷结合剂的抗折强度先增大后减小，当添加质量分数为 15%的 Ni 时，结合剂的抗折强度达到最大；随着金属 Ti 的添加，陶瓷结合剂的耐火度先减小后增大，当添加的 Ti 质量分数为 15%时，结合剂的耐火度最低，同时陶瓷结合剂的润湿性和抗折强度提高。2.4纳米添加剂对陶瓷结合剂及其砂轮性能的影响为了得到性能优异的陶瓷结合剂，研究者们将纳米添加剂添加到陶瓷结合剂中，制备出比基础陶瓷结合剂性能更加优异的纳米陶瓷结合剂。纳米添加剂有纳米氧化物、纳米复合材料等。晋凯等99研究了纳米 TiO2的添加对陶瓷结合剂和磨具性能的影响，在加入纳米 TiO2后，陶瓷结合剂的流动性和抗弯强度得到改善；陶瓷结合剂均匀包裹CBN 磨料，改善了陶瓷磨具的微观结构，陶瓷磨具的气孔率明显降低，抗弯强度显著提高；当添加质量分数为 0.6%TiO2时，磨具的性能达到最佳。侯永改等100发现纳米 ZrO2的加入促进了-石英晶体的产生，加入的纳米 ZrO2越多，产生的该类晶体尺寸越大且完整度越好。由于晶体在陶瓷结合剂中的比例大，陶瓷结合剂的微观结构得到改善，抗折强度和洛氏硬度得以提高。此外，纳米 ZrO2颗粒尺寸小且分散度大，能抵消高熔物质的温度效应。因此，加入少量的纳米 ZrO2，结合剂的耐火度不会增大。CUI 等101通过研究发现：如果添加的纳米 ZrO2量过多，会导致其聚集而损害陶瓷的增韧和强化机制，使结合剂的抗弯强度和断裂韧性下降。赵志伟等102比较了纳米 TiO2、纳米 ZnO、纳米Al2O3的添加对陶瓷结合剂性能的影响，发现添加纳米ZnO 后陶瓷结合剂的流动性最大，添加纳米 Al2O3后陶瓷结合剂的抗折强度最高。张景强等103添加不同质量分数的纳米 Al2O3、纳米 SiO2和纳米 ZrO2于陶瓷结合剂中，发现纳米氧化物的添加有助于结合剂晶粒的细化，而产生纳米晶须。此外，纳米氧化物的添加使陶瓷结合剂在耐火度、线膨胀系数、浸润性以及抗折强度上都比普通陶瓷结合