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　　作者简介：李印江，男，教授，1959年从事氮化物火箭材料研究，63年从事铜基金属结合剂研究，长期从事固结磨具研究与制造工作，目前主要作陶瓷结合剂金刚石和CBN磨具的研究。曾任郑州机械制造专科学校磨料磨具系（现河南工业大学材料科学与工程学院）副主任，中国磨料磨具进出口公司技术部主任。

　　摘要：超硬磨具的陶瓷结合剂耐火度都比较低，人造金刚石用的陶瓷结合剂耐火度取在700℃左右，CBN用的陶瓷结合剂的耐火度约800—900℃。超硬磨具陶瓷结合剂的化学成分大部分以SiO2—B2O3—Na2O系统为主，常增加部分Al2O3、Li2O、F¯、BaO、Fe2O3、CaO、MgO、SrO、PbO等成分以调节结合剂的性能,要求结合剂的抗折强度50～100Mpa，热膨胀系数约为3.5～7×10^-6。

　　文中给出了陶瓷结合剂金刚石和CBN磨具的示例配方。

　　关键词  低熔  CBN  配方  浓度

　　陶瓷结合剂金刚石和CBN磨具的配方与刚玉、碳化硅陶瓷结合剂磨具的配方不同，金刚石和CBN磨具的配方首先强调一个浓度的概念；金刚石和CBN磨料合称超硬磨料，浓度的含义为在金刚石和CBN磨具的体积中超硬磨料的体积占25%时浓度为100；超硬磨料的质量以“克拉”为单位(每0.2克为1克拉)。其浓度与质量的关系，见表1

            表1、超硬磨料的浓度

 

浓度	体积 （%）	金刚石		CBN
		g(克)	克拉	g(克)	克拉
50	12.5	0.44	2.2	0.435	2.175
75	18.75	0.66	3.3	0.6525	3.2625
100	25	0.88	4.4	0.87	4.35
125	31.25	1.10	5.5	1.0875	5.4375
150	37.5	1.32	6.6	1.305	6.525
175	43.75	1.54	7.7	1.5225	7.6125
200	50	1.76	8.8	1.74	8.7

　　超硬磨料比较贵重，超硬磨具制品的浓度高低对成本和磨削加工都有着明显的影响，一般说浓度高，磨料密度大，耐用度高，磨削效率低；浓度低磨削效率高，耐用度低；但过低的浓度磨料稀疏，磨粒易脱落，效率反而下降，甚至不能正常使用。陶瓷结合剂超硬磨具的浓度通常在75～175之间。

　　超硬磨具的陶瓷结合剂耐火度都比较低，因为金刚石在空气中700～800℃就开始氧化；CBN的耐热稳定性在1200℃左右，但是在有水的作用下大约800℃就开始分解，所以人造金刚石用的陶瓷结合剂耐火度取在700℃左右，CBN用的陶瓷结合剂的耐火度约800-900℃。相对于刚玉、碳化硅磨料的陶瓷结合剂耐火度大多在1000℃以上而称低熔陶瓷结合剂。超硬磨具陶瓷结合剂的化学成分大部分以

　　SiO2—B2O3—Na2O系统为主，常增加部分Al2O3、Li2O、F¯、BaO、Fe2O3、CaO、MgO、SrO、PbO等成分以调节结合剂的性能，也有在结合剂中加入少量金属Al、Ti、Cu等的研究；一般要求结合剂有较高的强度，因为陶瓷结合剂的超硬磨具使用速度多在60～120m/s，要求结合剂的抗折强度要达到50～100Mpa。金刚石的热膨胀系数约为2.7×10^-6，CBN的热膨胀系数约为3.5×10^-6，要求结合剂的热膨胀系数尽量与其接近，超硬磨具陶瓷结合剂的热膨胀系数约为3.5～7×10^-6。

　　超硬磨具的配方设计，例1：

　　超硬磨具的配方有多种表示方法，比较便于计算的是以超硬磨料量为100%，其他成分按占磨料的百分数计算。以表2的金刚石磨具初拟配方为例：

表2、陶瓷结合剂金刚石磨具初拟配方表

 

金刚石 （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） C F150	结合剂 （%）	糊精液 ml/Kg	密度 g/cm³
100	100/120	M	125			35

　　表2 中已给出金刚石粒度、浓度的数据，按磨具的硬度M据经验估计结合剂量约为60 % ，干料密度取为2.50g/cm³,计算辅助磨料量。

　　配方中金刚石浓度为125时每cm³型料中金刚石含量为1.1克（见表1），

　　首先计算出结合剂量：

　　结合剂量=1.1g/cm³×60%=0.66g/cm³

　　辅助磨料量=2.50g/cm³-1.1g/cm³-0.66g/cm³=0.74g/cm³

　　每cm³干料中所须加入的糊精液量为：

　　每Kg干料用糊精液35ml，每克干料用糊精液量为：35ml/1000g=0.035ml/g

　　每cm³干料的质量为2.50g，所须糊精液量为：

　　每cm³干料用糊精液量=0.035ml/g×2.50g=0.0875ml

　　设：使用的糊精液的浓度为30%其相对密度为1.10，见表3

表3、糊精液的相对密度

 

糊精液浓度（%）	15	20	25	30	35	40
相对密度	1．055	1．070	1．080	1．100	1．110	1．120

 

　　所以每cm³型料中糊精液的质量为：

0.0875×1.100=0.09625g

　　所以表2 中配方的成型密度为：

　　γ=1.1＋0.66＋0.74＋0.09625=2.59625≌2.60g/cm³

　　将结合剂量、辅助磨料量和糊精液量换算成百分数：

　　结合剂量百分数：0.66/1.1=0.6=60%

　　辅助磨料量百分数：0.74/1.1=0.67=67%

　　糊精液量换算成百分数：0.09625/1.1=0.0875=8.75%

　　综合为正式的配方表，见表4

　　表4、陶瓷结合剂金刚石磨具配方表

 

金刚石 （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） C F150	结合剂 （%）	糊精液 （%）	密度 g/cm³
100	100/120	M	125	67	60	8.75	2.60

　　表4 的陶瓷结合剂金刚石磨具配方表也可以表示为以金刚石和辅助磨料量之合为100 % 的表示方法，将表4 中的各百分数除以金刚石和辅助磨料量之合即可，见表5，

表5、陶瓷结合剂金刚石磨具配方表（2）

 

金刚石 （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） C F150	结合剂 （%）	糊精液 （%）	密度 g/cm³
60	100/120	M	125	40	36	5．24	2．60

 　　超硬磨具的配方设计，例2：

　　以浓度为150的CBN磨具为例，初拟配方见表6

表6、陶瓷结合剂CBN磨具初拟配方表

 

CBN （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） WA F180	结合剂      （%）	糊精液 ml/Kg	密度 g/cm³
100	120/140	P	150			35

　　表6 中已给出CBN的粒度、浓度的数据，按磨具的硬度P据经验估计结合剂量约为75%，干料密度取为2.54g/cm³,计算辅助磨料量

　　配方中CBN浓度为150时每cm³型料中CBN含量为1.305g（见表1），

　　首先计算出结合剂量：

　　结合剂量＝1.305g/cm³×75%＝0.98g/cm³

　　辅助磨料量＝2.54－1.305－0.98＝0.255g/cm³

　　每cm³干料中所须加入的糊精液量为：

　　糊精液为每Kg干料用35ml，每克干料用为：0.035 ml/g

　　每cm³干料用糊精液量0.035ml/g×2.54g=0.0889ml

　　设：使用的糊精液的浓度为30%其相对密度为1.10，见表3，

　　所以每cm³型料中糊精液的质量为：

0．0889×1.1＝0.09779g

　　表6 中配方的成型密度为：

    　γ＝2.54＋0.09779＝2.63779≌2.64g/cm³

　　将结合剂量、辅助磨料量和糊精液量换算成百分数：

　　结合剂量百分数：75%

　　辅助磨料量百分数：0.255/1.305＝0.1954≌20%

　　糊精液量换算成百分数：0.09779/1.305＝7.5%

　　综合为正式的配方表，见表7

　　表7、陶瓷结合剂CBN磨具配方表

 

CBN （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） WA F180	结合剂 （%）	糊精液 （%）	密度 g/cm³
100	120/140	P	150	20	75	7.5	2.64

　　将表7的陶瓷结合剂CBN磨具配方表示为以CBN和辅助磨料量之合为100%的方法，即表7中的各百分数除以CBN和辅助磨料量之合即可，见表8，

　　表8、陶瓷结合剂CBN磨具配方表（2）

 

CBN （%）	粒度	硬度	浓度	辅助磨料（%） WAF180	结合剂 （%）	糊精液 （%）	密度 g/cm³
83	120/140	P	150	17	62．5	6．25	2．64

　　陶瓷结合剂金刚石和CBN磨具的结合剂和配方都需要通过在实验中不断加以调整才能取得实用效果，许多实际问题并不是书面设计就能解决的，这一点应该引起读者足够的注意！

　　人造金刚石和CBN磨具一般都是单独制造加工部分然后与基体连结，基体大多是铝或钢的。加工制成的节块与金属基体粘结的半成品经加工后进行检查，除一般的检查外还要用高速回转机检查回转强度，用动平衡机检查动平衡，以保证使用安全。

 

参考文献：

　　［1］干福熹无机玻璃物理性质计算和成分设计上海科学技术出版社1981

　　［2］吕智等CBN磨具用玻璃结合剂的结构与性能研究 金刚石与磨料磨具工程2007(1)

　　［3］李志宏等添加Li2O对陶瓷CBN砂轮结合剂性能的影响研究金刚石与磨料磨具工程2006(6)

　　［4］李印江金刚石和CBN磨具的陶瓷结合剂，中国研磨2008，9  NO5