關(guān)鍵詞：納米陶瓷結(jié)合劑；cBN砂輪；研究進(jìn)展；綜述

　?。薄∫?br /> 　　由于立方氮化硼（cBN）具有硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、在高溫下與鐵族材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在各類磨削工具中得到了廣泛應(yīng)用。在各類cBN砂輪結(jié)合劑中，金屬結(jié)合劑自銳性差、在加工金屬材料時(shí)易發(fā)生黏著，樹脂結(jié)合劑熱穩(wěn)定性較差，而陶瓷結(jié)合劑介于金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑之間，其耐熱溫度較高、自銳性較好、強(qiáng)度高、耐磨性好。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪不僅具有切削鋒利、磨削力小、生產(chǎn)效率高、使用壽命長、易于整形與修銳、磨削精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有磨削時(shí)工件溫度低，能消除殘余拉應(yīng)力而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使工件耐用度提高30％～50％的特點(diǎn)。因此，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪作為一類高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具產(chǎn)品，成為近年來世界磨具研究開發(fā)的重點(diǎn)。
　　陶瓷結(jié)合劑的開發(fā)研究是陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制造的基本前提，高性能陶瓷結(jié)合劑是制備高性能陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的關(guān)鍵。隨著近年來超高速cBN砂輪的的發(fā)展，對(duì)陶瓷結(jié)合劑的性能提出了更高的要求，即要求結(jié)合劑具有高強(qiáng)度、低耐火度、良好的氣孔性、浸潤性、工藝性、化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)且與cBN磨料熱膨脹系數(shù)匹配，然而傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑普遍存在燒結(jié)溫度高、強(qiáng)度低等缺陷。納米陶瓷結(jié)合劑由于其粒度小、比表面積大、燒結(jié)溫度低、強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，有望解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑低燒結(jié)溫度和高強(qiáng)度之間的矛盾問題，提高陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的性能，進(jìn)一步拓寬cBN砂輪的應(yīng)用范圍。

　?。病〖{米陶瓷結(jié)合劑的特點(diǎn)
　　除具有常規(guī)傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)之外，納米陶瓷結(jié)合劑還具有如下獨(dú)特的特點(diǎn)：
　?。ǎ保┘{米陶瓷結(jié)合劑不僅可以用于超細(xì)cBN微粉砂輪的制造，解決常規(guī)陶瓷結(jié)合劑分布不均勻、對(duì)cBN磨料把持力小的問題，而且可以解決粗顆粒的cBN砂輪容易產(chǎn)生工具強(qiáng)度低和磨粒把持力不足問題。
　　（２）納米陶瓷結(jié)合劑引入納米級(jí)的顆粒、片晶、晶須和纖維等第二相，不僅降低了cBN磨具的燒結(jié)溫度，而且結(jié)合劑的韌性大大提高，有效解決了cBN磨料-傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑界面應(yīng)力問題，使得粗顆粒工具的強(qiáng)度大幅度提高。
　　（３）納米陶瓷結(jié)合劑比普通結(jié)合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性。低的軟化溫度使得納米陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)比普通結(jié)合劑的燒結(jié)更加致密化，而好的韌性提高了納米結(jié)合劑的拉應(yīng)力承受極限。

　?。场〖{米陶瓷結(jié)合劑的增強(qiáng)增韌機(jī)理
　　自1987年德國Karch等首次報(bào)道了納米陶瓷的高韌性、低溫超塑性能后，世界各國對(duì)利用納米顆粒以解決陶瓷材料脆性和難加工性寄予厚望。當(dāng)把直徑為納米級(jí)的顆粒加入陶瓷中時(shí)，其強(qiáng)度和韌性大大提高。納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化，晶界數(shù)量會(huì)極大增加，同時(shí)納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會(huì)影響材料的宏觀強(qiáng)度，結(jié)果可使材料的強(qiáng)度、韌性顯著增加。有關(guān)納米陶瓷復(fù)合材料的增韌強(qiáng)化機(jī)理目前不很清楚，說法不一，歸納起來大致有以下幾種：
　　第一種是細(xì)化理論，該理論認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，是納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性提高的一個(gè)原因。
　　第二種是穿晶理論，該理論認(rèn)為基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部，因此在納米復(fù)合材料中存在晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)，而納米復(fù)合材料性能的提高與晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)的形成及由此產(chǎn)生的次界面效應(yīng)有關(guān)。晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時(shí)產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂。
　　第三種是釘扎理論，該理論認(rèn)為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，從而限制晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生。氧化物陶瓷高溫強(qiáng)度衰減主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和擴(kuò)散蠕變?cè)斐傻?，因此釘扎效?yīng)是納米顆粒改善氧化物高溫強(qiáng)度的主要原因。

　　４　納米陶瓷結(jié)合劑ｃＢＮ砂輪的研究進(jìn)展
　　納米陶瓷結(jié)合劑是一種新型的超硬磨具結(jié)合劑，它顯著降低了磨具燒結(jié)溫度，大幅度提高了制品強(qiáng)度、韌性和耐磨性，且氣孔可控，為陶瓷結(jié)合劑的應(yīng)用開拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。近年來國內(nèi)對(duì)納米陶瓷結(jié)合劑進(jìn)行了探索研究。燕山大學(xué)王艷輝課題組系統(tǒng)地研究了納米陶瓷結(jié)合劑制備過程中的一系列關(guān)鍵問題，開發(fā)出了一系列新型的納米陶瓷結(jié)合劑。研究發(fā)現(xiàn)，在納米陶瓷結(jié)合劑中加入20％～30％的水和適量的表面活性劑，可以提高成型密度、毛坯強(qiáng)度和制品的抗折強(qiáng)度，同時(shí)，其通過改變?cè)炜讋┑牧６群蛽饺肓浚梢垣@得近于無氣孔的致密型和具有均勻分布的圓形理想氣孔的結(jié)合劑，氣孔孔徑和數(shù)量可控，并且氣孔率可以在大范圍內(nèi)調(diào)整，這種理想型均勻分布的圓型氣孔不僅對(duì)結(jié)合劑的強(qiáng)度影響較小，而且可以最大效率地發(fā)揮容屑、斷屑、貯存冷卻液、潤滑劑的作用。
　　為了解決納米陶瓷結(jié)合劑粉體易于團(tuán)聚、分散性差的問題，燕山大學(xué)趙玉成課題組采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法（P-G法）制備了用于超精磨削用超硬砂輪陶瓷結(jié)合劑組分。研究表明，采用P-G法制備單組分氧化物粉體（如Al2O3、MgO、SiO2、ZnO等），由于凝膠過程中所形成的高分子網(wǎng)絡(luò)的阻礙作用，使粒子在溶液中的移動(dòng)受到限制，在干燥和燒結(jié)過程中，粒子接觸和聚集的機(jī)會(huì)減少，可以減小團(tuán)聚的產(chǎn)生，有希望獲得顆粒尺寸小、分散均勻的超細(xì)粉體材料，制備得到的氧化物粉末易于確定煅燒溫度，可以制備出物相單一、顆粒形態(tài)近球形、粒度分布窄的納米粉體，但對(duì)于化學(xué)性質(zhì)活潑的Na2O、K2O等氧化物的粉體則難以制備。
　　鑒于溶膠凝膠法在材料制備方面所展示的特點(diǎn)，湖南大學(xué)胡偉達(dá)探討了溶膠凝膠法制備Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結(jié)合劑原料及工藝因素的影響，優(yōu)化出的最佳工藝參數(shù)為：加水量r（nH2O/nTEOS）為60，ｐＨ 調(diào)節(jié)為4，凝膠化溫度為70℃，后續(xù)凝膠熱處理溫度為500℃，最后經(jīng)球磨處理并過200目篩網(wǎng)，制得陶瓷結(jié)合劑粉末［９］。
　　除此之外，東北大學(xué)張景強(qiáng)等人以超高速陶瓷cBN砂輪的結(jié)合劑低溫高強(qiáng)性能要求為目標(biāo)，在以化學(xué)純?cè)蠟橹鞯腞2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃體系基礎(chǔ)上，引入納米改性劑來對(duì)陶瓷結(jié)合劑基體進(jìn)行了改良強(qiáng)化。結(jié)果表明，納米陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度、耐火度、浸潤性以及線膨脹系數(shù)與普通陶瓷結(jié)合劑相比有著顯著優(yōu)勢(shì)。

　?。怠〖{米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪存在的問題及對(duì)策
　　與傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑相比，盡管納米陶瓷結(jié)合劑具有強(qiáng)度高、韌性好、燒結(jié)溫度低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其粒度較小、比表面積大，在cBN砂輪的制備過程中還存在一些問題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　?。ǎ保┯捎诩{米陶瓷結(jié)合劑的細(xì)粒度及極大表面積，外觀膨松，密度較低，這可能對(duì)磨具的成型帶來一定的困難。因此必須采用適當(dāng)?shù)膲褐乒に?，獲得較高的毛坯密度，從而提高燒結(jié)強(qiáng)度，減少燒成收縮。
　　（２）納米陶瓷結(jié)合劑單組份粉體制備比較容易，但問題是在后續(xù)球磨混合的過程中如何保證其分散性良好且均勻分布。為了解決這一問題，可以采用溶膠－凝膠法制備多組元的混合氧化物陶瓷粉體，實(shí)現(xiàn)其分子級(jí)別的均勻混合，除此之外，還可以結(jié)合凝膠注模成型工藝的原理，通過球磨后高分子網(wǎng)絡(luò)固化而得到均勻分散的納米陶瓷結(jié)合劑。
　?。ǎ常┯捎诩{米顆粒的活性較高，燒結(jié)過程中易出現(xiàn)晶粒的異常長大且難以致密等缺點(diǎn)。因此，要獲得真正意義上的納米陶瓷結(jié)構(gòu)材料并不容易。為了解決這一問題，可以采用新型的低溫快速燒結(jié)工藝，如SPS等，同時(shí)探尋加入抑制納米顆粒異常長大的微量添加劑等。
　　（４）與傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑相比，對(duì)納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的結(jié)構(gòu)（如形狀、含量和大小）和其性能之間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)深入的研究。因此，應(yīng)加強(qiáng)納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的尺寸和含量對(duì)其性能的影響規(guī)律的研究。

　?。丁〗Y(jié)束語
　　納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪是cBN磨具發(fā)展的必然趨勢(shì)，其優(yōu)異的性能不僅可以解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪存在的問題，而且可以大大拓寬其加工范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。為適應(yīng)超高速磨削技術(shù)對(duì)cBN砂輪提出的更高的要求，應(yīng)系統(tǒng)地研究納米陶瓷結(jié)合劑制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題，同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)高性能納米陶瓷結(jié)合劑的研究和開發(fā)工作，加強(qiáng)納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在超高速磨削、航空航天等難加工材料磨削方面的應(yīng)用研究。