吳恒恒 許橋 周宏根 管小燕 史肖娜 李國超

摘要 陶瓷CBN 砂輪在成形加工和精密加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對其進(jìn)行研究在提高工件加工質(zhì)量和加工效率方面具有重要意義。分別從CBN 磨粒、改性劑的添加、陶瓷CBN 砂輪的制備和磨削性能方面，綜述近些年陶瓷CBN 砂輪的研究進(jìn)展，并對其未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。在CBN 磨粒方面，論述了CBN 單晶的合成，介紹了CBN 磨粒表面處理和加入強磁場時的處理方式；對于改性劑，分別論述了成孔劑、氧化物、金屬物質(zhì)、納米材料的添加對陶瓷CBN 砂輪性能的改善；在陶瓷CBN 砂輪制備方面，介紹了其成形和燒結(jié)的方法。此外，還介紹了陶瓷CBN 砂輪在鋼類材料、鎳基合金、鈦合金等難加工材料上的磨削加工應(yīng)用，并提出影響其磨削性能的因素。

關(guān)鍵詞 陶瓷CBN 砂輪；磨粒；改性劑；陶瓷結(jié)合劑；磨削性能

中圖分類號 TQ164; TG74; TB39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0455-19

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0151

收稿日期 2022-09-13 修回日期 2023-01-03

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對工件的加工質(zhì)量提出了更高的要求，加工用高性能磨具的研發(fā)也成為必然趨勢[1-2]。金剛石和立方氮化硼（CBN）超硬磨料制備的超硬砂輪具有磨削能力強、磨損小、壽命長等特點，在高質(zhì)量工件加工中已廣泛應(yīng)用[3]。對比這2 種超硬磨料，盡管CBN 的硬度略小于金剛石的，但其良好的導(dǎo)熱性和耐熱性以及對鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性，使其應(yīng)用領(lǐng)域得到極大地擴展[4-5]。此外，用CBN磨料制備的砂輪在高速鋼、高強度鋼、高溫合金等難加工工件的磨削中表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，可實現(xiàn)其高速、高效和高精度地磨削加工[6-8]。CBN 砂輪按照結(jié)合劑可分為金屬、樹脂和陶瓷結(jié)合劑砂輪3 種。其中的陶瓷CBN 砂輪，在自銳性和孔隙可控性方面比金屬CBN 砂輪的好，在熱穩(wěn)定性和黏結(jié)強度方面強于樹脂CBN 砂輪[9]。因此，陶瓷CBN 砂輪受到研究者的廣泛關(guān)注。

目前，國內(nèi)陶瓷CBN 砂輪的發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距。在磨削速度方面，國外已對砂輪輕量化技術(shù)進(jìn)行研究，如研制出以碳纖維增強復(fù)合材料為基體的輕質(zhì)、高強度砂輪，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)中；日本通過研究陶瓷結(jié)合劑，已研制出磨削速度達(dá)300 m/s的陶瓷CBN 砂輪。國內(nèi)磨削速度為200 m/s 的陶瓷CBN 砂輪已被批量應(yīng)用于凸輪軸、曲軸等零件的生產(chǎn)中，想要進(jìn)一步提高磨削速度有一定難度[10]。在陶瓷CBN 砂輪本身精度方面，國外研制的超薄切割砂輪的對稱度在0.01 mm 之內(nèi)，可以滿足產(chǎn)品的高精度加工要求；而國內(nèi)還沒有減小砂輪精度差的設(shè)備和技術(shù)。在砂輪加工的工件精度方面，國內(nèi)陶瓷CBN 砂輪的加工精度已達(dá)2 μm，對精度要求更高的陶瓷CBN 砂輪，國內(nèi)幾乎沒有生產(chǎn)，主要依靠進(jìn)口[11]。在陶瓷CBN 砂輪生產(chǎn)自動化和智能化方面，國外已經(jīng)實現(xiàn)陶瓷CBN砂輪的自動稱料、成形、卸模、檢測等，在生產(chǎn)過程中就可完成數(shù)據(jù)的采集；而國內(nèi)陶瓷CBN 砂輪的制備還處于半自動化加手工生產(chǎn)的狀態(tài)，生產(chǎn)過程中仍離不開手動操作，且無法自動完成數(shù)據(jù)的采集[12]。對于亞微米級和納米級磨粒粒度的超精密陶瓷CBN 砂輪，國外已有產(chǎn)品，而國內(nèi)仍處于研究階段。對于上述狀況，有必要加大對陶瓷CBN 砂輪的研發(fā)，提高其磨削性能。

為此， 對近年來CBN 磨粒的合成和處理、陶瓷CBN 砂輪改性劑的添加、陶瓷CBN 砂輪的制備和其對難加工材料磨削方面的進(jìn)展進(jìn)行梳理，并對其未來的發(fā)展前景提出展望。

1 陶瓷CBN 砂輪用磨粒的研究

立方氮化硼（CBN）是以六方氮化硼（hBN）為原料，經(jīng)過高溫高壓制造的一種超硬材料。對陶瓷砂輪用CBN 磨粒進(jìn)行研究， 主要表現(xiàn)在3 個方面：（1）CBN 單晶的合成。對CBN 單晶的合成進(jìn)行研究，可提高CBN 單晶的質(zhì)量；（2）CBN 磨粒的表面處理?？稍谝欢ǔ潭壬媳苊饨Y(jié)合劑中堿性物質(zhì)對CBN 磨粒的侵蝕，提高陶瓷CBN 砂輪的性能；（3）CBN 磨粒的排布調(diào)控。通過添加強磁場，改變磨粒在砂輪內(nèi)的排布，可提高燒結(jié)后陶瓷CBN 砂輪的性能。

1.1 CBN 單晶的合成

通常情況下， CBN 單晶是在高溫高壓下添加觸媒后合成的， 合成的單晶CBN 的維氏硬度在30～ 45GPa[13]。人們最早采用的觸媒是電負(fù)性較強的金屬Li、Mg、Ca、Al 單質(zhì)[14]。WENTORF[15] 采用金屬Mg 為觸媒在高溫高壓下第一次合成了CBN 單晶。但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，對CBN 合成起作用的并不是觸媒金屬，而是其氮化物、硼化物和硼氮化合物L(fēng)i3N、Ca3N2、Mg3N2、Mg3B2N4、Ca3B2N4 等[16-17]。CBN 單晶合成用觸媒體系主要以鋰基和鎂基觸媒為主，而鈣基觸媒穩(wěn)定性差，生產(chǎn)中已不常用。

鋰基觸媒主要是以堿土金屬氮化物（如Li3N）為觸媒來合成CBN 單晶的，盡管合成時的溫度和壓力較高，還有CBN 生長區(qū)間較窄等缺點，但合成的CBN 單晶品質(zhì)較好，且大多為大顆粒。GUO 等[18] 發(fā)現(xiàn)在高溫高壓條件下，hBN 與Li3N 會發(fā)生共熔反應(yīng)生成Li3BN2中間相，中間相具有催化作用，使hBN 轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN 單晶，但不會發(fā)生反向轉(zhuǎn)變。LV 等[19] 利用固體和分子的經(jīng)驗電子理論， 分析了數(shù)十個hBN/CBN 雙相界面和Li3BN2/CBN 的電子密度相對差異，得出Li3BN2 是一種催化劑的結(jié)論。LV 等[20] 對在Li3N 觸媒下hBN 轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN 單晶的電子能量損失譜進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)CBN 單晶外層到內(nèi)層的sp3 分?jǐn)?shù)逐漸增加， sp2 逐漸減少， 且CBN 單晶可由hBN 直接轉(zhuǎn)化。另外，溫振興等[21] 發(fā)現(xiàn)Li3N 觸媒的粒度對單晶CBN 的合成效果有影響。在觸媒粒度尺寸為80～100 μm 時，合成的CBN 單晶具有抗壓強度高、生長完善且晶形完整度較好的特點；當(dāng)觸媒粒度尺寸為60～80 μm 時， CBN 單晶的合成產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率較高。王功振等[22-23] 研究了觸媒層內(nèi)組織形狀與合成CBN 單晶品質(zhì)好壞的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)合成的CBN單晶品質(zhì)較好時，觸媒層內(nèi)存在均勻的熔融球狀和管狀組織。CAI 等[24] 對在高溫高壓條件下Li3N 和hBN合成CBN 單晶的工藝進(jìn)行了優(yōu)化處理，發(fā)現(xiàn)逐漸升高的壓力、恒定的功率和15 min 的加熱時間有利于在高溫高壓下合成大尺寸的CBN 單晶。而對于鎂基觸媒而言，于麗娟[25] 認(rèn)為Mg3N2 觸媒合成的CBN 單晶品質(zhì)較差，而純度較高的Mg3B2N4 卻有利于合成高質(zhì)量的CBN 單晶。李啟泉等[26] 在700 ℃ 溫度下將金屬鎂和hBN 按質(zhì)量比為1∶1 的比例均勻混合，生成硼氮化鎂化合物Mg2B2N4，后將其和hBN 混合，在高溫高壓下合成了CBN 單晶。同時，通過實驗還發(fā)現(xiàn)：制備hBN 的溫度對CBN 單晶的合成有影響，在1 500 ℃ 下制備的hBN，可以與硼氮化鎂合成出產(chǎn)量高、粗顆粒占比高的CBN 單晶。

為了降低hBN 轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN 時的壓力和溫度，研究者們進(jìn)行了一定的探索，發(fā)現(xiàn)添加催化劑可以有效降低反應(yīng)壓力和溫度，催化劑有堿金屬、硼酸銨鹽、金屬氮化物等。SINGHAL 等[27] 通過在高溫高壓下加入催化劑Li3N 和固態(tài)化合物（Co（NH3）6Cl2 和NH4F 合成了CBN 單晶，發(fā)現(xiàn)固態(tài)化合物在高溫下會分解出氨，增大內(nèi)部的壓力，在2 GPa 和1 300 ℃ 下就可合成CBN 單晶，因而極大地降低了反應(yīng)壓力和溫度。最近，MA[28]提出了一種新型合成CBN 單晶的方法，引入化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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 單晶。與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)降低了壓力和溫度，同時降低了生產(chǎn)成本并延長了設(shè)備使用壽命。

至今為止，高溫高壓法仍是CBN 單晶合成的常用方法，但由于設(shè)備條件和技術(shù)的限制，合成出的CBN晶體尺寸通常小于0.5 mm[29]。面對大粒徑CBN 單晶的迫切需求，研究者們加快探索大粒徑CBN 單晶的制備方法。MISHMA 等[30] 第一次利用溫度梯度法添加籽晶的方式，在5.5 GPa 壓力和1 800 ℃ 溫度下合成出粒徑達(dá)3 mm 的CBN 單晶。此后，TANIGUCHI 等[31] 利用同樣的方法，在高溫高壓下通過自發(fā)成核合成出1～3 mm的CBN 單晶。張鐵臣等[32] 在hBN-Mg 體系中加入適當(dāng)?shù)乃途凭?，利用水在高溫下可以分解hBN 的特性，以增加較活潑的B 和N 原子數(shù)量，提高晶體生長速率，最終在超高溫高壓下得到粒徑為1.6 mm 的CBN 單晶。蘇海通等[33] 發(fā)現(xiàn)添加籽晶有助于生產(chǎn)出大尺寸的CBN 單晶，但存在合成時間長、生產(chǎn)成本高等問題，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。目前，合成的CBN 單晶最大尺寸在3 mm 左右，想要進(jìn)一步提升CBN 單晶的尺寸具有一定難度。

1.2 CBN 磨粒的表面處理

陶瓷結(jié)合劑中的堿金屬、堿土金屬氧化物會侵蝕CBN 磨粒，破壞其晶體結(jié)構(gòu)及強度。因此，需對 CBN磨粒表面進(jìn)行處理，防止磨粒被侵蝕，提升砂輪強度。

LI 等[34] 對CBN 磨粒表面進(jìn)行酸處理，清除了磨粒表面的雜質(zhì)，顯著提升了磨粒的穩(wěn)定性，同時提高了陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨粒間的濕潤性。YANG 等[35-36] 對CBN磨粒表面預(yù)氧化處理，使其表面生成B2O3，增強了陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨粒間的濕潤性，提高了砂輪的抗折強度，降低了砂輪磨削時的磨耗。

對CBN 磨粒表面進(jìn)行鍍覆處理，可防止堿性物質(zhì)對CBN 磨粒的侵蝕，提高陶瓷結(jié)合劑對CBN 磨粒的把持能力，間接地提高陶瓷結(jié)合劑砂輪的強度，還可改善陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨粒之間的濕潤性。王艷輝等[37-38]在CBN 磨粒表面進(jìn)行鍍Ti、鍍Cr 處理，Ti、Cr 鍍層在一定的燒結(jié)溫度下與CBN 晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在晶體表面外延生長難熔化合物，使Ti、Cr 鍍層與CBN 結(jié)合牢固， 阻止了堿性物質(zhì)對CBN 的侵蝕。張明等[39] 在CBN 磨粒表面涂覆Mo，Mo 涂層與CBN 磨粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Mo2N、Mo2B5 和MoB 等，實現(xiàn)了鍍層與CBN之間的化學(xué)結(jié)合，使陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨粒之間的結(jié)合能力增強，在鍍層的保護(hù)下還可防止CBN 磨粒被侵蝕。趙玉成等[40] 通過電鍍和涂覆等方法，在CBN 磨粒表面覆蓋一層刺狀的鎳、鐵或Al2O3，可以保護(hù)CBN 磨粒不被結(jié)合劑侵蝕，同時還增加了結(jié)合劑與CBN 磨粒之間的濕潤性。近些年，張林森等[41] 在CBN 磨粒表面鍍覆一層連續(xù)、均勻的Ni-P 合金鍍層，提高了CBN 磨粒的強度，也有利于結(jié)合劑與磨粒之間的結(jié)合。李建壯等[42] 對超高速CBN 砂輪進(jìn)行鍍Ti 處理，鍍Ti 前的CBN 磨粒與結(jié)合劑之間為機械包鑲式結(jié)合，鍍覆后的CBN 磨料與結(jié)合劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高了超高速CBN 砂輪的強度。梁寶巖等[43] 利用微波?熔鹽法在CBN 表面反應(yīng)生成TiN、Ti2N、TiN0.3、TiB2 組織，實現(xiàn)了CBN 磨粒表面的鍍Ti 處理。

1.3 CBN 磨粒的排布調(diào)控

隨著低溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，強磁場被應(yīng)用到材料科學(xué)等領(lǐng)域[44]。為了實現(xiàn)CBN 磨粒的有序排列， YU等[45] 認(rèn)為強電磁下的陶瓷CBN 復(fù)合材料的機械性能要強于常規(guī)燒結(jié)下陶瓷CBN 復(fù)合材料的機械性能，并通過實驗研究在強磁場條件下Ni 的添加對陶瓷CBN復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Ni 的加入可提高陶瓷結(jié)合劑的流動性和抗彎強度，強磁場的引入可提高陶瓷結(jié)合劑與磨粒之間的結(jié)合能力。圖1為陶瓷CBN 復(fù)合材料的截面形貌[45]，其中的圖1a 與圖1c分別是常規(guī)燒結(jié)的CBN 復(fù)合材料放大100 倍和500 倍時的形貌，圖1b 與圖1d 分別是強電磁燒結(jié)的CBN 復(fù)合材料放大100 倍和500 倍時的形貌。從圖1a 與圖1c中可看出：復(fù)合材料的截面形貌不光滑，表面紋理不規(guī)則，斷裂發(fā)生在結(jié)合劑與CBN 磨粒之間，這表明陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨粒間的結(jié)合能力不佳；而從圖1b 與圖1d 中可看出：復(fù)合材料的截面相對平滑，斷口處的裂紋沿著晶界擴展，屬于磨粒之間的斷裂，這表明陶瓷結(jié)合劑與CBN 磨料間的結(jié)合緊密。

此外，引入強磁場可以促使Ni 在陶瓷結(jié)合劑中發(fā)生遷移和聚集，使磨粒旋轉(zhuǎn)，從而提高陶瓷CBN 復(fù)合材料的穩(wěn)定性。WANG 等[46]研究了強磁場對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)：加入強磁場后，陶瓷結(jié)合劑微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒的取向得到控制且尺寸減小，陶瓷結(jié)合劑的強度得到提高。但磁場強度并不是越高越好，合適的磁場強度應(yīng)為6 T。石瑩等[47] 對CBN 磨粒鍍鎳處理并將強磁場引入到陶瓷CBN 砂輪制備中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在適當(dāng)磁場力的作用下，改變鍍鎳CBN 磨粒的方向，使其呈磁鏈?zhǔn)椒植迹商嵘沾蒀BN 砂輪的性能；但施加的磁場強度過大，鎳層和CBN 磨粒會出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象。WANG 等[48] 對磁控陶瓷CBN 砂輪進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整磁場的強度和性能可以有效控制鍍鎳CBN 磨料顆粒的方向，使顆粒呈鏈?zhǔn)椒植?，且其長軸方向與磁場方向一致。另外， 磁控陶瓷CBN 砂輪磨削GH4169 金屬時的磨削力和磨削溫度優(yōu)于普通陶瓷CBN砂輪的。

2 陶瓷CBN 砂輪中改性劑的添加

常見的改性劑有成孔劑、氧化物、金屬、納米物質(zhì)等。改性劑參與并促進(jìn)結(jié)合劑的反應(yīng)，使結(jié)合劑與磨粒的結(jié)合能力發(fā)生變化，而改變陶瓷結(jié)合劑的性能。

2.1 成孔劑對砂輪成孔效果及其性能的影響

氣孔是砂輪重要的組成部分，在磨削過程中起容屑、排屑、散熱、冷卻的作用[49]。通常情況下，通過添加成孔劑達(dá)到成孔效果。常見的成孔劑主要有以下類型：

（1）精萘。萘是一種傳統(tǒng)的成孔劑，在高溫下升華、揮發(fā)或分解，達(dá)到造孔的效果，其成孔效果好。但萘升華揮發(fā)或分解產(chǎn)生的物質(zhì)具有毒性，對人的健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，已被國家禁止生產(chǎn)、銷售和使用。

（2）石墨與CaCO3。張習(xí)敏等[50] 比較了石墨和CaCO3 成孔劑的成孔效果。由于石墨顆粒形狀不規(guī)則，形成的氣孔不規(guī)則；添加CaCO3 后生成的氣孔形狀多為球形且均勻，在允許的范圍內(nèi)隨著CaCO3 添加量增大，氣孔尺寸隨之增大。因此，CaCO3 的成孔效果要比石墨的好。

（3）無機銨鹽。此種成孔劑在水溶液性冷卻液中溶解，其本身的位置就形成氣孔。劉一波等[51] 對4種無機銨鹽的成孔效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)添加無機銨鹽NH4HCO3 后，氣孔的孔徑增大；添加無機銨鹽NH4Cl、NH4F 后的成孔效果不明顯，不適合作為砂輪的成孔劑；而添加無機銨鹽（NH4）2SO4 形成的氣孔較小，氣孔的可調(diào)性較差。

（4）聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）微球和活性炭。LV 等[52] 比較分析了PMMA微球和活性炭成孔劑對砂輪微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)PMMA 微球比活性炭更適合成為陶瓷CBN 砂輪的成孔劑。圖2 為活性炭和PMMA 微球的顆粒形態(tài)[52]。圖2a 中的活性炭含有許多大小不等的角狀顆粒，顆粒的表面比較粗糙；圖2b 中的PMMA 微球呈球形，其表面光滑。圖3 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)活性炭和PMMA 微球制備的陶瓷CBN 樣品斷裂表面顯微照片[52]。在圖3a中，不加成孔劑制備出的樣品呈現(xiàn)多孔微結(jié)構(gòu)，有許多不規(guī)則的小而緊密的孔。在圖3b～圖3e 中，分別加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的活性炭和PMMA 微球時，使用活性炭制備的陶瓷CBN 樣品具有大量不同尺寸且不規(guī)則的孔，而PMMA 微球制備的陶瓷CBN 樣品具有相對較小的準(zhǔn)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勻。同時，在圖3d 中還可看出：內(nèi)部的孔有一些變形，可能是由于液態(tài)陶瓷熔體在高溫下流動，使PMMA 微球完全分解，導(dǎo)致孔的薄壁坍塌。此外，還發(fā)現(xiàn)PMMA 微球的添加對砂輪的強度和硬度的影響也較小。

（5）空心微球，其顆粒可以產(chǎn)生封閉的氣孔，氣孔的形狀和大小容易控制[53]。WANG 等[54-55] 研究了空心玻璃微球和空心剛玉微球的含量和粒徑對陶瓷砂輪孔隙率和性能的影響，研究表明：成孔劑添加量越大，陶瓷砂輪孔隙率越高，其抗彎強度和硬度就越低；成孔劑的粒徑越大，陶瓷砂輪孔隙率越低，其硬度和抗彎強度越高。軒闖等[56] 研究了空心氧化鋁微球的添加對砂輪性能的影響，發(fā)現(xiàn)空心氧化鋁微球添加量越大，砂輪孔隙率越高，抗彎強度和硬度越低；粒徑越大，孔隙率越低，砂輪抗彎強度和硬度越高。此外，空心氧化鋁微球的添加可改善工件加工質(zhì)量。

（6）碳化硼、碳化硅等填料。此類填料與陶瓷結(jié)合劑之間具有較差的結(jié)合能力，磨削過程中容易脫落，脫落處形成氣孔，同時脫落的填料對工件還起到一定的磨削作用。此填料造孔對砂輪強度下降的影響較小。

不同類型的成孔劑具有不同的造孔特征。陳衛(wèi)東等[57] 比較了4 種不同類型的成孔劑對砂輪成孔效果以及強度的影響，發(fā)現(xiàn)加入氧化鋁空心球和空心玻璃微球后，結(jié)合劑強度降低較小，形成的氣孔均勻且易控；而添加硫酸銨后形成的氣孔較小且均勻，結(jié)合劑強度降低較大，因此不宜添加過多；加入碳粉后形成的氣孔大，碳粉仍然有殘留，結(jié)合劑的強度急劇下降。侯永改等[58] 對燃燒型成孔劑、熱分解型成孔劑、可溶性鹽類成孔劑的成孔效果及其對陶瓷CBN 砂輪性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)燃燒型成孔劑成孔效果明顯，砂輪的沖擊韌性降低十分明顯；熱分解型成孔劑的成孔效果要好于燃燒型成孔劑的，但對砂輪的抗彎強度影響較大；可溶性鹽類成孔劑的成孔效果較好，形成的氣孔分布均勻，對砂輪抗彎強度的影響較小，且對增強砂輪的韌性也有很大的益處。

2.2 氧化物對陶瓷結(jié)合劑及其砂輪性能的影響

在陶瓷結(jié)合劑中添加新的氧化物會影響陶瓷結(jié)合劑和陶瓷CBN 砂輪的性能。氧化物形成的玻璃體為陶瓷結(jié)合劑的主要組成部分，可形成主要的網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)，起到把持磨粒并將結(jié)合劑黏接成體的作用。此類氧化物有SiO2、P2O5、V2O5、B2O3 等。樊雪琴等[59] 將V2O5 引入到陶瓷結(jié)合劑中，當(dāng)加入少量的V2O5 時，陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)減小，結(jié)合劑的強度、硬度先增大后減??；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8% 的V2O5 時，結(jié)合劑的各項力學(xué)性能達(dá)到最大。REN 等[60] 研究了B2O3的添加對陶瓷結(jié)合劑結(jié)晶的影響，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 的B2O3 時，陶瓷結(jié)合劑的結(jié)晶度增加，并具有良好的半透明性；若B2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5% 時，結(jié)晶度和半透明性明顯下降。王照等[61] 研究了B2O3 的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)B2O3 的添加可以降低燒結(jié)溫度，提高陶瓷結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性并起到調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)的作用；當(dāng)加入摩爾分?jǐn)?shù)為15% 的B2O3 時，陶瓷結(jié)合劑的抗折強度、密度和硬度達(dá)到最大。

玻璃中間體無法獨立形成玻璃，當(dāng)其中的氧化物被奪氧后，便可生成新的網(wǎng)格體，因此能改善結(jié)合劑的流動性、潤濕性。常見的玻璃中間體有 ZnO、PbO、Al2O3、ZrO2、TiO2 等。WANG 等[62] 發(fā)現(xiàn)ZnO 的加入會降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度，改善其流動性，增強陶瓷結(jié)合劑與磨料間的潤濕性。LUTPI等[63] 利傅里葉紅外光譜證實了ZnO 在陶瓷結(jié)合劑中作為網(wǎng)絡(luò)改性劑的功能；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.45% 的ZnO 時，陶瓷結(jié)合劑的機械性能達(dá)到最佳。趙婧[64] 將PbO 引入陶瓷結(jié)合劑中，當(dāng)加入少量的PbO 時，能降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度；當(dāng)加入的PbO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10% 時，對結(jié)合劑耐火度的影響不大；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的PbO 后，磨具具有較高的抗折強度和洛氏硬度。陳建立[65] 等在陶瓷結(jié)合劑中添加Al2O3，當(dāng)Al2O3 與SiO2 的百分比值從5% 到25% 時，陶瓷結(jié)合劑的耐火度和抗彎強度逐漸增大，熱膨脹系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

ZrO2 的加入可以提高陶瓷結(jié)合劑抗酸性和堿性的溶解能力，而提高砂輪壽命[66]。LI 等[67] 發(fā)現(xiàn)加入ZrO2有利于改善陶瓷結(jié)合劑的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的ZrO2 后，結(jié)合劑形成的微晶玻璃的孔隙和裂紋減少，其具有致密的顯微結(jié)構(gòu)。侯永改等[68-69] 發(fā)現(xiàn)加入ZrO2 可提高陶瓷結(jié)合劑的耐火度，降低其流動性；同時，ZrO2 加入后結(jié)合劑中有ZrSiO4 細(xì)晶析出，可提高陶瓷結(jié)合劑的抗折強度和顯微硬度。田久根等[70] 加入不同含量的ZrSiO4 到陶瓷結(jié)合劑中，發(fā)現(xiàn)ZrSiO4 含量增加，陶瓷結(jié)合劑的耐火度變化不明顯，熱膨脹系數(shù)在一定范圍內(nèi)降低；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 的ZrSiO4 后，陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)致密，微觀狀態(tài)均勻，綜合性能達(dá)到最佳。

SHAN 等[71] 研究了TiO2 的添加對陶瓷CBN 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。圖4 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2 時陶瓷CBN 復(fù)合材料的掃描電鏡圖像[71]。由圖4 可以看出：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 的TiO2 后，陶瓷結(jié)合劑更好地覆蓋了磨粒，復(fù)合材料中氣孔更少；同時，陶瓷結(jié)合劑的流動性和熱膨脹達(dá)到最佳，陶瓷CBN 復(fù)合材料的彎曲強度和洛氏硬度也達(dá)到最大。SUN 等[72]對在常規(guī)燒結(jié)下添加TiO2 后的陶瓷結(jié)合劑性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)隨著TiO2 的加入，陶瓷結(jié)合劑的耐火度先顯著提升，然后略有下降，而其流動性與耐火度呈現(xiàn)相反的趨勢；當(dāng)添加適當(dāng)?shù)腡iO2 后，陶瓷結(jié)合劑的抗彎強度提高。ZHOU 等[73] 認(rèn)為TiO2 的添加可改變陶瓷結(jié)合劑與CBN 之間的潤濕性， 由于CBN 表面致密的B2O3 擴散到陶瓷結(jié)合劑中，與Ti4 + 反應(yīng)， 形成較強的Ti?B 鍵，可改善陶瓷結(jié)合劑與CBN 間的潤濕性。肖攀等[74] 認(rèn)為結(jié)合劑中的微晶數(shù)量與TiO2 的添加量關(guān)系不大， 因此在添加TiO2 的同時應(yīng)同時加入一定量的RO 氧化物。ZHU 等[75] 研究了TiO2 的添加對陶瓷結(jié)合劑結(jié)晶行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著TiO2 含量的增加，晶體的含量增加，但尺寸減小。

玻璃調(diào)整體可作為助溶劑降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度，使其在較低溫度下完成燒結(jié)。形成玻璃中間體的氧化物有CaO、BaO、Na2O、MgO 等。李志宏等[76] 研究了CaO 的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)CaO 的添加具有催熔作用，可降低砂輪制作過程中陶瓷結(jié)合劑的耐火度，但也會降低砂輪的強度。鐘彥征等[77] 將BaO 添加到陶瓷結(jié)合劑中，發(fā)現(xiàn)隨著BaO 的添加，陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)增大，流動性和力學(xué)性能先升高后降低；當(dāng)加入的BaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 時，陶瓷結(jié)合劑的力學(xué)性能最佳。趙仕敬等[78] 發(fā)現(xiàn)較高的Na2O 有利于阻止石英相的析出，隨著Na2O 含量增加，陶瓷結(jié)合劑的硬度和抗彎強度降低。梅濤等[79] 將Na2O 加入陶瓷結(jié)合劑中，隨著Na2O 含量增加，陶瓷結(jié)合劑耐火度降低，流動性增加；磨具中的孔隙度降低，結(jié)合劑與磨料間的結(jié)合更加緊密。

稀土氧化物具有良好的表面活性，對陶瓷材料的表面起到潤濕作用，可降低陶瓷材料的熔點。稀土氧化物Y2O3 加入后，微晶玻璃的黏度降低，結(jié)晶能力提高[80-81]。侯永改等[82] 將Y2O3 加入陶瓷結(jié)合劑中，發(fā)現(xiàn)結(jié)合劑的耐火度降低、流動性增強；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8% 的Y2O3 后，結(jié)合劑具有最佳的力學(xué)性能， CBN磨料與結(jié)合劑的結(jié)合更加緊密。FENG 等[83-84] 加入稀土氧化物CeO2 和Y2O3 到基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中，研究了2種稀土氧化物的協(xié)同作用。結(jié)果表明：加入適量的稀土氧化物能夠降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度，增大其流動性；2 種稀土氧化物的共同作用對復(fù)合材料的影響大于單一稀土氧化物的， 并通過對比發(fā)現(xiàn)稀土氧化物CeO2 對陶瓷復(fù)合材料性能的影響要大于Y2O3 的。

WANG 等[85] 系統(tǒng)研究了Y2O3 和ZrO2 這2 種氧化物的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)氧化物的添加都有助于提高陶瓷結(jié)合劑的耐火度，且兩者等比例添加時效果最好。圖5 為加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZrO2 和Y2O3 時陶瓷結(jié)合劑試樣的斷口形貌[85]。從圖5 可以看出：不添加任何氧化物時，陶瓷結(jié)合劑試樣的斷裂質(zhì)量較差（圖5a）；ZrO2 的添加會改善陶瓷結(jié)合劑的微觀結(jié)構(gòu)，圖5b 中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 的ZrO2 后，試樣斷口形貌雖然不佳，但相比圖5a 的有所改善； 圖5d 為加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% 的ZrO2 的陶瓷結(jié)合劑試樣的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)不佳，因此并不是ZrO2 添加越多越好；用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 的Y2O3 代替相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZrO2，有利于提高陶瓷結(jié)合劑的綜合性能，圖5c 中的孔隙結(jié)構(gòu)相對均勻， 表面質(zhì)量最好。WANG 等[86] 認(rèn)為Y2O3 的添加可以增強陶瓷結(jié)合劑玻璃結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于Y2O3 添加后，可降低玻璃轉(zhuǎn)變的激活能，增加結(jié)晶活化能，從而提高玻璃結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。LI 等[87] 研究了Y2O3 和La2O3 對陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。隨著Y2O3 和La2O3 含量的增加，陶瓷結(jié)合劑的原子堆積密度增加，當(dāng)添加摩爾質(zhì)量為4% 的Y2O3 和2% 的La2O3 時，原子堆積密度達(dá)到最佳；同時，陶瓷結(jié)合劑的維氏硬度、彈性模量和彎曲強度都有一定增加。因此，Y2O3 和La2O3 的添加可以顯著改善陶瓷結(jié)合劑的機械性能。

不同類型氧化物的添加對陶瓷結(jié)合劑以及陶瓷CBN 砂輪性能的影響不同。隨著堿金屬氧化物的添加，陶瓷結(jié)合劑的耐火度先增大后減小，平均熱膨脹系數(shù)增大。砂輪的最佳燒結(jié)溫度需根據(jù)結(jié)合劑中堿金屬氧化物的含量來確定[88]。WANG 等[89-90] 對比了不同堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿金屬氧化物對陶瓷結(jié)合劑性能的影響要大于堿土金屬氧化物的，堿土金屬氧化物對陶瓷結(jié)合劑性能的影響大于其他氧化物的。

2.3 金屬物質(zhì)對陶瓷結(jié)合劑及其砂輪性能的影響

金屬具有較好的導(dǎo)熱性和延展性，對陶瓷結(jié)合劑具有增韌作用。FENG 等[91] 研究了Cu 的加入對陶瓷CBN 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。圖6 為加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu 時陶瓷CBN 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)圖及其放大圖[91]。從圖6 中可以看出：加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的Cu 后，磨粒被陶瓷結(jié)合劑均勻地包裹著，結(jié)合劑與磨粒之間的結(jié)合強度提高；同時陶瓷CBN 復(fù)合材料中的孔隙增多，微觀結(jié)構(gòu)更均勻。此外，添加Cu 后陶瓷CBN 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗彎強度也有所提高。

Al 是一種良好的導(dǎo)熱材料，能夠在磨削的過程中起到冷卻和散熱的作用。程利霞等[92] 發(fā)現(xiàn)：加入金屬Al 微粉，陶瓷結(jié)合劑的耐火度提高、流動性降低、熱膨脹系數(shù)降低，結(jié)合劑對磨粒的把持力增強，陶瓷CBN砂輪的致密度提高、孔隙率降低， CBN 微粉與Al 微粉在高溫高壓下會反應(yīng)生成AlN 和AlB2。HE 等[93] 也發(fā)現(xiàn)，隨著Al 的添加，陶瓷結(jié)合劑的抗彎強度和洛氏硬度提高，陶瓷結(jié)合劑與磨料之間的潤濕性增強，陶瓷CBN 砂輪的性能提升。李君君等[94] 將金屬Al 粉加入基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中，陶瓷結(jié)合劑的耐火度升高，但其玻璃結(jié)構(gòu)沒有太大變化，陶瓷CBN 復(fù)合材料的抗折強度隨燒結(jié)溫度的升高而提高。

XIA 等[95] 將AlN 加入陶瓷結(jié)合劑中制備陶瓷CBN 復(fù)合材料，隨著AlN 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增大到8%，陶瓷結(jié)合劑的導(dǎo)熱性增強；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6% 的AlN 時，陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)最小，陶瓷CBN 復(fù)合材料的彎曲強度最大。圖7 為加入不同含量AlN 時陶瓷CBN 復(fù)合材料的斷面形貌[95]。圖7a 為不含AlN的復(fù)合材料斷面形貌，可以看出斷面較光滑，為脆性斷裂；圖7b 為含有AlN 的復(fù)合材料的斷面形貌，可看出裂紋在晶粒和玻璃化結(jié)合層之間的表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)和發(fā)散，裂紋路徑延長導(dǎo)致能耗增加從而防止復(fù)合材料斷裂。圖8 為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 和6% AlN 時陶瓷CBN 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)[95]。由圖8a 可知：復(fù)合材料中出現(xiàn)一種新的晶體α-三釔礦，AlN 添加越多，α-三釔礦的含量就越高；圖8b 中存在許多細(xì)小且均勻分布的α-三釔礦晶體，這也是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%AlN 時的陶瓷CBN 復(fù)合材料彎曲強度達(dá)到最大的原因。

SUN 等[96] 研究了金屬Co 的添加對陶瓷結(jié)合劑和陶瓷CBN 復(fù)合材料性能的影響，當(dāng)少量的Co（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%）添加后，陶瓷結(jié)合劑的耐火度降低，流動性增強，氣孔孔徑增大，不規(guī)則孔的數(shù)量增多，并且陶瓷結(jié)合劑的抗彎強度降低；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.8% 的Co 后，陶瓷結(jié)合劑的耐火度升高，流動性降低，形成單一尺寸和均勻的氣孔，并且陶瓷結(jié)合劑的抗彎強度提高。

王志起等[97-98] 對添加金屬Fe、Co、Ni、Ti 后的陶瓷結(jié)合劑的性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)金屬Fe 的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20% 內(nèi)時，陶瓷結(jié)合劑的耐火度先增大后減?。唤饘貱o 添加后，陶瓷結(jié)合劑的耐火度會增大；金屬Ni添加后，陶瓷結(jié)合劑的耐火度和流動性變化較小，但Ni 的加入使陶瓷結(jié)合劑的抗折強度先增大后減小，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% 的Ni 時，結(jié)合劑的抗折強度達(dá)到最大；隨著金屬Ti 的添加，陶瓷結(jié)合劑的耐火度先減小后增大，當(dāng)添加的Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% 時，結(jié)合劑的耐火度最低， 同時陶瓷結(jié)合劑的潤濕性和抗折強度提高。

2.4 納米添加劑對陶瓷結(jié)合劑及其砂輪性能的影響

為了得到性能優(yōu)異的陶瓷結(jié)合劑，研究者們將納米添加劑添加到陶瓷結(jié)合劑中，制備出比基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑性能更加優(yōu)異的納米陶瓷結(jié)合劑。納米添加劑有納米氧化物、納米復(fù)合材料等。

晉凱等[99] 研究了納米TiO2 的添加對陶瓷結(jié)合劑和磨具性能的影響，在加入納米TiO2 后，陶瓷結(jié)合劑的流動性和抗彎強度得到改善；陶瓷結(jié)合劑均勻包裹CBN 磨料，改善了陶瓷磨具的微觀結(jié)構(gòu)，陶瓷磨具的氣孔率明顯降低，抗彎強度顯著提高；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6% TiO2 時，磨具的性能達(dá)到最佳。侯永改等[100]發(fā)現(xiàn)納米ZrO2 的加入促進(jìn)了β-石英晶體的產(chǎn)生，加入的納米ZrO2 越多，產(chǎn)生的該類晶體尺寸越大且完整度越好。由于晶體在陶瓷結(jié)合劑中的比例大，陶瓷結(jié)合劑的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，抗折強度和洛氏硬度得以提高。此外，納米ZrO2 顆粒尺寸小且分散度大，能抵消高熔物質(zhì)的溫度效應(yīng)。因此，加入少量的納米ZrO2，結(jié)合劑的耐火度不會增大。CUI 等[101] 通過研究發(fā)現(xiàn)：如果添加的納米ZrO2 量過多，會導(dǎo)致其聚集而損害陶瓷的增韌和強化機制，使結(jié)合劑的抗彎強度和斷裂韌性下降。

趙志偉等[102] 比較了納米TiO2、納米ZnO、納米Al2O3 的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加納米ZnO 后陶瓷結(jié)合劑的流動性最大，添加納米Al2O3 后陶瓷結(jié)合劑的抗折強度最高。張景強等[103] 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米Al2O3、納米SiO2 和納米ZrO2 于陶瓷結(jié)合劑中，發(fā)現(xiàn)納米氧化物的添加有助于結(jié)合劑晶粒的細(xì)化，而產(chǎn)生納米晶須。此外，納米氧化物的添加使陶瓷結(jié)合劑在耐火度、線膨脹系數(shù)、浸潤性以及抗折強度上都比普通陶瓷結(jié)合劑有更大的優(yōu)勢；同時，納米陶瓷結(jié)合劑砂輪比普通陶瓷結(jié)合劑砂輪具有更優(yōu)良的熱學(xué)和力學(xué)性能。劉鑫鑫等[104] 向基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中添加納米Al2O3、納米SiO2 和納米CaO，研究了納米組分對陶瓷結(jié)合劑抗折強度的影響。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 的納米Al2O3、4% 的納米SiO2、1% 的納米CaO 時，陶瓷結(jié)合劑具有最大的抗折強度。

納米復(fù)合材料具有高硬度、良好的韌性和抗氧化性等優(yōu)點，可提高陶瓷CBN 磨具的強度和耐磨性[105]。CHEN 等[106] 將納米復(fù)合材料V8C7-Cr3C2 加入陶瓷結(jié)合劑中，結(jié)合劑的耐火度降低，流動性增強；陶瓷CBN 磨具組織結(jié)構(gòu)更均勻、抗折強度提高。圖9 為添加V8C7-Cr3C2 納米復(fù)合材料后陶瓷CBN 工具的SEM 形貌[106]。由圖9 可以看出：加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 的V8C7-Cr3C2 納米復(fù)合材料后，工具具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，陶瓷結(jié)合劑均勻分布在CBN 磨粒周圍。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是添加的納米復(fù)合材料導(dǎo)致陶瓷結(jié)合劑的燒成溫度和黏度降低而形成的。

3 陶瓷CBN 砂輪制備

陶瓷CBN 砂輪的制備對陶瓷CBN 砂輪的性能有重要影響，其過程主要包括陶瓷CBN 砂輪的成形與燒結(jié)。

3.1 陶瓷CBN 砂輪成形

陶瓷CBN 砂輪的成形可分為壓制成形和澆注成形[107]。在實際的應(yīng)用中，大部分陶瓷CBN 砂輪均采用機械壓制成形的方式。雖然此種方式操作簡單，生產(chǎn)效率高，但會造成陶瓷CBN 砂輪內(nèi)部殘余應(yīng)力形成。因此，對于一些細(xì)粒度的陶瓷CBN 砂輪可采用水澆注成形；一些小而復(fù)雜的細(xì)粒度陶瓷CBN 砂輪可采用熱蠟澆注成形；而一些形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜或磨料層較厚的陶瓷CBN 砂輪，適宜采用等靜壓成形的方法[108]。等靜壓成形時，陶瓷CBN 砂輪在各個方向和部位受到的壓力基本相同，因此各個部位的密度差異很小，可降低陶瓷CBN 砂輪的不平衡度[109]。李青等[110] 研究了冷等靜壓成形工藝對陶瓷磨具性能的影響，發(fā)現(xiàn)冷等靜壓成形工藝在提高陶瓷結(jié)合劑性能方面比雙向壓制工藝的好，采用冷等靜壓工藝能夠提高陶瓷磨具的密度，改善其抗折強度；且使用冷等靜壓成形工藝得到的陶瓷磨具對45#鋼磨削后工件的表面粗糙度比雙向壓制的低，劃痕淺而分布均勻。劉曉妍等[111] 比較了單軸壓成形、等靜壓成形對氧化鎂陶瓷性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用等靜壓成形的方式，氧化鎂粉體受到的各個方向的力大小一致，從而得到更致密的坯體，顯著提高了氧化鎂陶瓷的燒結(jié)性能。

溶膠?凝膠法是一種新穎的原位凝固成形工藝。李建偉等[112] 比較了采用傳統(tǒng)粉末壓制法和溶膠?凝膠法制備的陶瓷砂輪結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)采用溶膠?凝膠制備的砂輪具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，工件磨削后的表面粗糙度較低，工件表面無較深的劃痕，且砂輪的抗彎強度和孔隙率高。

3.2 陶瓷CBN 砂輪燒結(jié)

燒結(jié)工藝對陶瓷CBN 砂輪性能有重要影響。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)工藝是冷壓工藝。冷壓時的壓力較大，會對CBN 磨粒造成破壞；燒結(jié)時溫度較高，保溫時間較長，容易對CBN 磨粒造成腐蝕；同時，燒結(jié)出的陶瓷CBN 砂輪組織稀松[108]。另一種是熱壓燒結(jié)方法，是一種有效的低溫成形方法，其燒結(jié)溫度比常規(guī)燒結(jié)溫度低100 ℃。因為熱壓燒結(jié)是一種邊升溫邊加壓的燒結(jié)方法，可避免磨粒被壓碎；又由于是帶模具燒結(jié)，可以保證砂輪的形狀和大小。此外，熱壓燒結(jié)還具有時間短、操作簡單、性能優(yōu)異等優(yōu)點[113]。微波燒結(jié)是目前比較新型的燒結(jié)技術(shù)。微波燒結(jié)通過材料吸收電磁波而由內(nèi)到外整體升溫，具有燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點[114]。曹燕等[115]利用微波燒結(jié)制備的陶瓷砂輪能夠滿足硅片的磨削要求。張於亮等[116] 發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)溫度對陶瓷砂輪性能的影響較大，當(dāng)燒結(jié)溫度為740 ℃ 時，陶瓷砂輪的洛氏硬度和抗彎強度達(dá)到最大，且陶瓷原料可實現(xiàn)對磨料的均勻包裹。目前，研究陶瓷CBN 砂輪微波燒結(jié)工藝的較少，微波燒結(jié)工藝參數(shù)等仍需進(jìn)一步研究。

4 陶瓷CBN 砂輪的磨削應(yīng)用

陶瓷CBN 砂輪在鋼材類、高溫合金、鈦合金等難加工材料的磨削加工方面表現(xiàn)出優(yōu)異的磨削性能。下面陳述陶瓷CBN 砂輪對部分難加工工件及材料的磨削加工研究成果。

4.1 凸輪軸、曲軸磨削

凸輪軸作為發(fā)動機中的重要零部件，控制著氣門的開啟和閉合。在對其磨削時，會產(chǎn)生較大的塑性變形和熱應(yīng)力。當(dāng)CBN 粒度較細(xì)，單位面積上參與切削的磨粒較多，對凸輪軸磨削過程中產(chǎn)生的塑性變形和熱應(yīng)力較小時，利用陶瓷CBN 砂輪磨削凸輪軸可大大降低其表面粗糙度[117]。為了研究磨削工藝參數(shù)對凸輪軸表面粗糙度的影響，曹堅[118] 發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂輪線速度達(dá)到一定值后，被加工工件的表面粗糙度可長時間維持在較理想的數(shù)值上；且陶瓷CBN 砂輪的抗磨損能力強，在磨削較多工件體積后，仍能保持工件的表面粗糙度在一穩(wěn)定值。

曲軸作為發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動機的質(zhì)量。為了得到較好的曲軸質(zhì)量，魯濤等[119] 對陶瓷CBN 砂輪的基體及工作層配方進(jìn)行優(yōu)化，在滿足砂輪對基體力學(xué)性能要求前提下，使基體質(zhì)量最小化；同時，曲軸磨削后的表面粗糙度降低，在相同加工工藝下，曲軸表面無振紋和燒傷現(xiàn)象。

4.2 軸承磨削

GCr15 軸承鋼耐磨性好、熱處理硬度高，常作為制作軸承的材料。張濟(jì)洲等[120] 發(fā)現(xiàn)陶瓷CBN 砂輪磨削GCrl5 軸承鋼比棕剛玉砂輪的環(huán)保，且磨削后工件的表面質(zhì)量更好，生產(chǎn)效率也更高。劉偉等[121] 研究了陶瓷CBN 砂輪的磨削工藝參數(shù)對磨削GCr15 軸承鋼性能的影響，發(fā)現(xiàn)砂輪線速度增加，會使磨削力、表面粗糙度減小，加工質(zhì)量更好；工件速度提高會使表面粗糙度變大，加工質(zhì)量變差；磨削深度增大，會使工件表面硬度和變質(zhì)層深度增加，并伴有燒傷現(xiàn)象。因此，為了確保較好的表面質(zhì)量和較大的材料去除率，應(yīng)選用較高的砂輪線速度、適度加大的工件速度和較小的磨削深度。朱建輝等[122] 對軸承鋼磨削時的陶瓷CBN 砂輪磨料濃度進(jìn)行了探討，當(dāng)砂輪中CBN濃度低于30% 時，有效磨粒數(shù)較少，砂輪磨削性能不佳；砂輪中CBN 濃度超過70% 后，有效的磨粒數(shù)增加不明顯，砂輪磨削性能提升不大。李克華等[123] 對比了陶瓷CBN 砂輪和陶瓷剛玉砂輪內(nèi)圓磨削微型軸承套圈的效果，發(fā)現(xiàn)陶瓷CBN砂輪磨削時具有更小的工件內(nèi)徑尺寸散差和工件表面粗糙度，陶瓷CBN 砂輪對軸承的磨削效果更好。

4.3 鋼材磨削

陶瓷CBN 砂輪在磨削45#鋼時，砂輪線速度增大，磨削力減小，工件表面粗糙度降低；工件速度和切削深度增大，磨削力增大，工件表面粗糙度增大[124]。ZHANG等[125] 引入納米SiO2 和納米CeO2 到陶瓷CBN 砂輪的制備中，并用納米陶瓷CBN 砂輪磨削45#鋼。通過與傳統(tǒng)陶瓷CBN 砂輪對比，發(fā)現(xiàn)納米陶瓷CBN 砂輪具有更好的自銳性和導(dǎo)熱性，磨削后工件的表面粗糙度更優(yōu)。因此，納米陶瓷CBN 砂輪在磨削性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)砂輪的。在陶瓷CBN 砂輪的脆性選擇方面，脆性差的砂輪容易變鈍，磨削力增大，產(chǎn)生過度的振動和熱量，最終會損壞工件， 縮短砂輪壽命[126-127]。LOPES 等[128]使用不同脆性的CBN 磨粒砂輪磨削AISI 4340 鋼，砂輪中不同脆性的CBN 磨粒如圖10 所示。其中：圖10a為CBN-GS 砂輪中的磨粒， 由脆性較好的晶粒組成；圖10b 為CBN-GL 砂輪中的CBN 磨粒，由脆性較差的晶粒組成。比較2 種砂輪磨削后的工件表面質(zhì)量，得到脆性好的磨粒磨削后工件的表面粗糙度低，磨削出的工件質(zhì)量更好。對于陶瓷CBN 砂輪磨削鋼材的應(yīng)用范圍，SATO 等[129] 利用陶瓷CBN 砂輪磨削AISI D6鋼，發(fā)現(xiàn)陶瓷CBN 砂輪適用于鋼的粗加工，即去除大量材料的加工工藝。主要是由于陶瓷CBN 砂輪自銳性好，可以順利去除大量材料。

4.4 鎳基合金磨削

CBN 砂輪在鎳基高溫合金磨削中具有比常規(guī)砂輪更好的磨削特性，尤其在高速磨削時可以獲得更高的材料去除率、更光滑的工件表面，并具有更長的使用壽命，因此常使用陶瓷CBN 砂輪對鎳基合金進(jìn)行磨削[130] 。對于陶瓷CBN 砂輪工藝參數(shù)對高溫鎳基合金磨削性能的影響，ADIBI 等[131] 發(fā)現(xiàn)提高磨削速度和磨削深度會增加附著力、磨削力和磨削溫度。而在工藝參數(shù)對CBN 砂輪磨損的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)[132-133]：CBN砂輪的磨損主要取決于工件進(jìn)給速度，工件進(jìn)給速度越大，磨削力越大，砂輪的磨損也越大。WANG 等[48]使用磁控陶瓷CBN 砂輪對高溫鎳基合金進(jìn)行了磨削，為提高磨粒磁導(dǎo)率，使用鍍鎳CBN 磨粒，并通過調(diào)節(jié)磁場強度和性質(zhì)，控制磨料顆粒的方向，使磨料顆粒呈現(xiàn)鏈?zhǔn)椒植?。通過與普通陶瓷CBN 砂輪磨削高溫鎳基合金的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)磁控陶瓷CBN 砂輪的磨削性能更優(yōu)異。

使用納米陶瓷CBN 砂輪磨削鎳基合金的研究也獲得了一定進(jìn)展。SHI 等[134] 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的納米SiO2 和5% 的納米Al2O3 制備出納米陶瓷CBN 砂輪，用其對鎳基合金進(jìn)行磨削，其磨削效果優(yōu)于普通陶瓷CBN 砂輪的。圖11 為納米陶瓷CBN 砂輪與常規(guī)陶瓷CBN 砂輪磨削后的工件表面形貌對比[134]。從圖11可以看出，納米陶瓷CBN 砂輪磨削后的工件表面質(zhì)量要優(yōu)于常規(guī)陶瓷CBN 砂輪的。此外，使用納米陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪磨削鎳基合金時，其磨削力和磨削溫度均低于常規(guī)陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪的。這表明納米陶瓷CBN 砂輪的磨削性能更好。

4.5 鈦合金磨削

鈦合金不易加工，磨削時所需的磨削力較大，磨削表面溫度高，并容易在砂輪表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象[135]。張小福等[136] 發(fā)現(xiàn)CBN 砂輪在磨削鈦合金時的CBN 濃度應(yīng)在125%～150%，濃度不宜太高或太低，不然均會造成成本增加；填充劑應(yīng)該選擇氮化硅而不是氧化鋁，磨削時的線速度應(yīng)在45 m/s 左右。這些結(jié)論為陶瓷CBN砂輪對鈦合金的磨削提供了參考。盛曉敏等[137] 比較樹脂金剛石砂輪和陶瓷CBN 砂輪磨削TC4 鈦合金時的磨削性能，發(fā)現(xiàn)在相同磨削條件下陶瓷CBN 砂輪的磨削力更小，磨削工件的表面粗糙度更好，因而陶瓷CBN 砂輪更合適TC4 鈦合金的磨削。在工藝參數(shù)對陶瓷CBN 砂輪磨削鈦合金性能的研究方面， 胥軍等[138] 利用陶瓷CBN 砂輪在高速下磨削TC4-DT 鈦合金，發(fā)現(xiàn)砂輪的速度和磨削深度對磨削力、磨削溫度及工件表面粗糙度影響較大，工作臺速度對砂輪磨削性能影響不大。因此，鈦合金磨削時宜選擇較小的磨削深度及較大的工作臺速度，這樣對工件表面質(zhì)量和加工效率有益。為了降低鈦合金磨削時的溫度，有學(xué)者研制出高導(dǎo)熱陶瓷CBN 砂輪。SHI 等[139] 向陶瓷結(jié)合劑中加入石墨制備了高導(dǎo)熱陶瓷CBN 砂輪，發(fā)現(xiàn)石墨的添加可促進(jìn)燒結(jié)后砂輪中氣孔的形成，提高砂輪的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對比高導(dǎo)熱陶瓷CBN 砂輪和普通陶瓷CBN 砂輪對TC4 鈦合金磨削的影響，發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱陶瓷CBN 砂輪加工出的鈦合金表面燒傷、表面粗糙度以及裂紋等表面質(zhì)量參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)陶瓷CBN 砂輪的。

5 結(jié)語與展望

陶瓷CBN 砂輪是具有良好磨削性能的磨具，受到廣泛關(guān)注。一方面，要求陶瓷結(jié)合劑和CBN 磨粒具有更高的性能；另一方面，對陶瓷CBN 砂輪的強度等提出了更高的要求。對陶瓷CBN 砂輪在CBN 單晶磨粒合成、砂輪改性劑添加及砂輪制備和磨削性能應(yīng)用等方面的研究進(jìn)行了分析和陳述。在此基礎(chǔ)上，對未來CBN 砂輪的發(fā)展前景進(jìn)行展望：

（1）在CBN 單晶尺寸方面，大顆粒的CBN 單晶仍是研究開發(fā)的主要方向，同時應(yīng)解決CBN 單晶形狀不規(guī)則、尺寸小等問題。對于CBN 單晶的合成，以往是通過高溫高壓使hBN 轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN 單晶。后續(xù)可進(jìn)行新單晶轉(zhuǎn)變模式的研究，如用含硼和含氮的化合物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)制備CBN 單晶。因此，要對更多較好品質(zhì)CBN 單晶的合成方法進(jìn)行研究，顯著降低其合成條件及要求。

（2）為了避免結(jié)合劑侵蝕CBN 磨粒，需對CBN磨粒表面進(jìn)行處理。如開展對CBN 磨粒鍍覆方法以及鍍覆物質(zhì)的進(jìn)一步研究，大幅度提高陶瓷結(jié)合劑與磨粒間的結(jié)合能力，進(jìn)而提高陶瓷砂輪的強度等。而對于CBN 磨粒規(guī)則排列的問題，將強磁場引入到陶瓷CBN 砂輪的制備中，可改變鍍覆后磨粒的排布方向，但如何使磨粒更加精確的排布還有待研究。

（3）成孔劑的添加需滿足陶瓷CBN 砂輪自身孔隙率的要求，但不能過多降低陶瓷CBN 砂輪的強度等，可進(jìn)一步對新型成孔劑進(jìn)行研究，使其滿足不同工件的加工需求。其他改性劑的添加應(yīng)提高或改善陶瓷CBN 砂輪的性能，但對于一些特殊用途改性劑的研究太少，應(yīng)加大對此類改性劑的探索。納米材料的添加對陶瓷結(jié)合劑性能的提升較大，可重點對納米材料改性劑進(jìn)行研究。

（4）在陶瓷CBN 砂輪成形方面，應(yīng)盡量保證陶瓷CBN 砂輪坯體各部位密度相同，同時應(yīng)保證成形坯體具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，因而要對新型成形方法進(jìn)行研究。而對于陶瓷CBN 砂輪的燒結(jié)，微波燒結(jié)是一種新型的方法，但用在陶瓷CBN 砂輪的燒結(jié)上較少，應(yīng)加大此方向的研究，且微波燒結(jié)的工藝參數(shù)仍需進(jìn)一步探討。此外，也可對其他新型燒結(jié)方式進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（5）陶瓷CBN 砂輪在加工難加工工件方面具有優(yōu)勢，可研究基于不同磨削工件或材質(zhì)的陶瓷CBN 砂輪性能的差異化調(diào)整，使陶瓷CBN 砂輪應(yīng)用精細(xì)化且在更多領(lǐng)域應(yīng)用。對于陶瓷CBN 砂輪的磨削工藝，可建立充實的數(shù)據(jù)庫，為各種磨削加工提供參考。

（6）對于超高速陶瓷CBN 砂輪，需要進(jìn)一步提高其磨削速度，以達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平。除此之外，還需對超高速磨削精度進(jìn)行研究，真正實現(xiàn)高速高精密磨削。未來還需利用計算機對超高速陶瓷CBN 砂輪進(jìn)行精密控制，以實現(xiàn)其智能化磨削。同時，超高速陶瓷CBN 砂輪應(yīng)能承受重載荷下的高效深磨，在無冷卻液情況下不會出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象等。

（7）納米陶瓷CBN 砂輪是CBN 磨具發(fā)展的必然趨勢，具有比普通陶瓷CBN 砂輪更優(yōu)良的熱學(xué)和力學(xué)性能等，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，具有巨大的應(yīng)用前景。對納米陶瓷結(jié)合劑應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究和開發(fā)，解決納米陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)范圍較窄、混料時易發(fā)生團(tuán)聚等關(guān)鍵技術(shù)問題。目前采取溶膠?凝膠法實現(xiàn)了分子級別的原料均勻混合， 但其他技術(shù)問題有待進(jìn)一步探索。

作者簡介

吳恒恒，男，1989 年生，講師。主要研究方向：超硬磨料工和精密加工工藝與裝備。

E-mail：hengwu01@163.com

（編輯：王潔）