2.2　陶瓷結(jié)合劑磨具

陶瓷結(jié)合劑磨具是由多種原材料組成的復(fù)雜物系，其原材料有磨料、結(jié)合劑、潤(rùn)濕劑、著色劑、成孔劑等材料。所使用的磨料有剛玉系磨料、碳化硅系磨料、超硬磨料。根據(jù)磨料不同，主要分為如圖2-3所示的種類。

陶瓷磨具用途廣泛，品種類型和規(guī)格眾多。本節(jié)主要敘述陶瓷磨具的原材料及配方設(shè)計(jì)，以及陶瓷磨具制造工藝等問(wèn)題。

2.2.1　陶瓷磨具的原材料

（1）磨料

關(guān)于剛玉系磨料、碳化硅系磨料、超硬磨料的結(jié)構(gòu)、粒度、性能及制造工藝已在第1章述及。

用于磨削加工的砂輪所使用的磨料應(yīng)具備以下性能。

①磨料的硬度應(yīng)高于磨削加工工件材料的硬度。這是實(shí)現(xiàn)磨削加工的首要條件。為使磨削過(guò)程順利進(jìn)行，磨料的硬度H磨與工件硬度H工之間應(yīng)滿足以下關(guān)系，即

②磨料應(yīng)有足夠的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)淖凿J性。

③在高溫下磨料應(yīng)能保持一定的硬度和強(qiáng)度。磨削加工常產(chǎn)生大量的磨削熱，磨具在磨削區(qū)局部達(dá)到400～1000℃的溫度。磨料在高溫下應(yīng)具有熱穩(wěn)定性，具有必要的物理力學(xué)性能，保持微刃的鋒利性。

④磨料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性。磨料不與被加工材料起化學(xué)反應(yīng)，避免產(chǎn)生黏附或擴(kuò)散作用，造成磨具的堵塞及鈍化，喪失切削能力。

（2）結(jié)合劑原材料

陶瓷結(jié)合劑原料的主要成分有黏土、長(zhǎng)石、石英等，次要成分有滑石、硼砂和硼玻璃。

①黏土　它是一種含水鋁硅酸鹽類礦物，是長(zhǎng)石類巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化與地質(zhì)作用而形成的。黏土的主要礦物組成有高嶺石類、伊利石類、水鋁英石、葉蠟石類等。黏土具有良好的可塑性及收縮率、燒結(jié)溫度、燒結(jié)范圍等工藝性質(zhì)。

黏土在結(jié)合劑中所起作用是：利用黏土可塑性使磨具成形料具有一定的成形性能和一定的干濕強(qiáng)度；提高結(jié)合劑的耐火度，增加高溫黏度，并擴(kuò)大結(jié)合劑的燒結(jié)溫度范圍。

黏土與適量的水混勻后形成泥團(tuán)，泥團(tuán)在外力作用下產(chǎn)生變形而不開(kāi)裂，外力去掉后，其形狀不變，這種性質(zhì)稱為黏土的可塑性。泥團(tuán)在干燥后排出顆粒間疏松結(jié)合的水分后，顆粒互相靠攏，產(chǎn)生體積收縮，稱為干燥收縮。黏土干燥塊在焙燒時(shí)，排除結(jié)構(gòu)水，并產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)又引起坯體體積收縮，稱為燒成收縮。一般黏土顆粒越細(xì)可塑性越好，可塑性越高，其收縮率越大。過(guò)大的收縮率易使產(chǎn)品開(kāi)裂。黏土沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。當(dāng)溫度超過(guò)800℃，黏土試樣體積開(kāi)始劇烈收縮，氣孔率明顯減少。這種明顯開(kāi)始劇烈變化的溫度稱為開(kāi)始燒結(jié)溫度（T1）。溫度繼續(xù)升高，收縮率達(dá)最大，氣孔率降至最低，致密度最高，此時(shí)溫度稱為燒結(jié)溫度（T2）。若溫度繼續(xù)升高，試樣開(kāi)始軟化，液相量不斷增多，原有試樣形狀變形，這時(shí)溫度稱為軟化溫度（T3）。通常把完全燒結(jié)與開(kāi)始軟化之間的溫度間隔稱為燒結(jié)范圍（T2～T3）。生產(chǎn)中常用吸水率來(lái)反映原料的燒結(jié)程度。優(yōu)質(zhì)高嶺石的燒結(jié)范圍為200℃，即T3-T2=200℃。黏土抵抗高溫作用而不熔化的能力，稱為耐火度。高嶺石的耐火度達(dá)1700～1770℃。耐火度主要取決于其組成。常用Al2O3/SiO2的比值來(lái)判斷其耐火度。其比值越大，耐火度越高，燒結(jié)范圍也越寬。干燥后黏土泥團(tuán)吸收大氣中水分的性能，稱為吸水性。可塑性越大，吸水性也大，吸水性大，容易導(dǎo)致配料不準(zhǔn)及干坯返潮。黏土因含有有機(jī)物質(zhì)及雜質(zhì)礦物，燒結(jié)后，呈灰、淺灰、黃、褐、紫、綠、黑等色，對(duì)顏色影響最大的是鐵鈦化合物（Fe2O3·TiO2）。

②石英（硅石）　SiO2以硅酸鹽化合物狀態(tài)存在，構(gòu)成礦物巖石。SiO2的主要礦物類型有水晶、脈石英、石英巖、砂巖。石英在陶瓷結(jié)合劑中的作用主要是：作為瘠性材料，降低結(jié)合劑坯干燥的收縮率，石英可促進(jìn)結(jié)合劑和磨料之間形成硅酸鹽層，減少SiC分解，防止SiC磨具“黑心”，并增加結(jié)合劑在高溫下的黏度。

③長(zhǎng)石　它是一種熔劑材料，起助熔作用。長(zhǎng)石是不含水的堿金屬與堿土金屬的鋁硅酸鹽，常見(jiàn)的有鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）、鉀長(zhǎng)石（KAlSi3O8）、鈣長(zhǎng)石（CaAl2Si3O4）、鋇長(zhǎng)石（BaAl2Si3O4）。結(jié)合劑中常用鉀長(zhǎng)石，其原因是鉀長(zhǎng)石開(kāi)始熔融溫度低（約1130℃），熔融溫度范圍大（1130～1450℃），熔融體積度隨溫度變化慢，有利于燒成。鉀長(zhǎng)石在結(jié)合劑中含量多，制成的磨具強(qiáng)度、硬度也高。長(zhǎng)石作為瘠性材料，可縮短結(jié)合劑的干燥時(shí)間，減少干燥收縮。

④滑石　它是天然的含水硅酸鎂鹽，其化學(xué)通式為3MgO·SiO2·H2O，顏色呈白、灰白、淺黃、淺綠。硬度小，密度為2.7～2.8g/cm3，有脂肪光澤及滑膩度。

對(duì)于剛玉類磨具，滑石的作用是：可降低耐火度，促使結(jié)合劑中玻璃相含量增多，提高磨具的強(qiáng)度；結(jié)合劑中滑石含量大，磨具的熱穩(wěn)定性好，滑石在1000℃開(kāi)始有液相，至1557℃才完全熔融，故可提高結(jié)合劑的高溫黏度。對(duì)于SiC磨具，滑石能吸收SiC晶格中FeO粒子，防止磨具發(fā)紅。但滑石易使SiC分解，產(chǎn)生“黑心”廢品。

⑤硼砂及硼玻璃　硼砂是硼酸鈉（Na2O·2B2O3·H2O）。硼酸易溶于水，在磨具制造中常與長(zhǎng)石粉一起熔煉成硼玻璃使用。結(jié)合劑中引入硼玻璃能提高結(jié)合劑與磨粒的反應(yīng)能力，生成強(qiáng)度較高的硼酸玻璃，從而提高磨具的機(jī)械強(qiáng)度。硼玻璃的主要化學(xué)成分為SiO2和B2O3，在結(jié)合劑中的作用是：硼玻璃有催熔作用，能降低結(jié)合劑的耐火度，促進(jìn)形成玻璃體，增加結(jié)合劑的流動(dòng)性、濕潤(rùn)性，使結(jié)合劑在磨料周?chē)植季鶆颍^大地提高磨具強(qiáng)度，減少結(jié)合劑收縮。

（3）輔料

輔料主要有如下幾種。

潤(rùn)濕劑：有水玻璃、糊精、紙漿廢液、聚乙烯醇等。

著色劑：有氧化鐵（棕紅—橘紅）、氧化鉻（橙黃—紫色）、氧化鈷（淺藍(lán)—藍(lán)色）。

成孔劑：木炭、焦炭、核桃殼、塑料球等固體成孔劑。

浸漬劑：充填于磨具氣孔中的物質(zhì)，如油酸、硬脂酸、石蠟、石墨、松香等。

2.2.2　陶瓷結(jié)合劑的主要性能

為滿足磨削加工的要求，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出種類繁多的結(jié)合劑，每類結(jié)合劑都是針對(duì)一定的被磨削加工的材料和磨削工藝而設(shè)計(jì)的。結(jié)合劑的性能與燒成條件、最終燒成溫度有關(guān)。在相同燒成條件下，一種性能良好的結(jié)合劑應(yīng)能保證磨具的產(chǎn)品質(zhì)量。在相同磨具成形密度時(shí)，用較少的結(jié)合劑可獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度與硬度，成形性能好，濕、干坯溫度高，燒結(jié)時(shí)不變形，不易產(chǎn)生燒成裂紋，且抗“黑心”能力強(qiáng)，磨具色澤好，磨具硬度對(duì)燒成溫度不敏感。結(jié)合劑的主要性能包括熱學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等方面的性能。

（1）耐火度

耐火度是結(jié)合劑在高溫下軟化時(shí)的溫度。它是結(jié)合劑的主要性能之一，是結(jié)合劑抵抗高溫作用而不熔融的性能。結(jié)合劑耐火度過(guò)高或過(guò)低，都直接影響磨具的燒成質(zhì)量。黏土15％、長(zhǎng)石25％、黃土60％的細(xì)粒度結(jié)合劑的耐火度為1320～1360℃；黏土35％、長(zhǎng)石65％的結(jié)合劑的耐火度為1360～1390℃；黏土45％、長(zhǎng)石45％、滑石10％的結(jié)合劑的耐火度為1160～1220℃。結(jié)合劑中Al2O3含量增加，能明顯提高耐火度，堿及堿土金屬氧化物（K2O、Li2O、CaO、MgO等）是溶劑，隨其含量增加，耐火度降低。化學(xué)反應(yīng)的還原氣氛存在可降低耐火度。結(jié)合劑粒度細(xì)，有較大的表面積，故耐火度低。

（2）收縮率

結(jié)合劑在干燥過(guò)程中，坯體長(zhǎng)度和體積縮小稱干燥收縮，在燒結(jié)過(guò)程中，產(chǎn)生的長(zhǎng)度和體積的收縮現(xiàn)象稱為燒成收縮。確定測(cè)定干燥收縮與燒成收縮，對(duì)于制定合理的干燥及燒成曲線、減少裂紋廢品、選擇合理的結(jié)合劑有重要的作用。

（3）反應(yīng)能力

剛玉磨料在燒成過(guò)程中和結(jié)合劑相互作用，剛玉磨料表面的Al2O3溶解擴(kuò)散到結(jié)合劑中，結(jié)合劑中的SiO2等也會(huì)溶解到剛玉中，在剛玉磨料與結(jié)合劑接觸處生成厚為10～100μm的過(guò)渡層。反應(yīng)能力測(cè)定以氧化鋁為基準(zhǔn)。結(jié)合劑在高溫下溶解磨粒表面氧化鋁的能力（A）為

式中　A——結(jié)合劑反應(yīng)能力，％；

A1——燒前結(jié)合劑中氧化鋁含量，％；

A2——燒后結(jié)合劑中氧化鋁含量，％。

在SiC磨具中，SiC不會(huì)溶入結(jié)合劑中，僅在SiC表面形成很薄的SiO2膜與結(jié)合劑反應(yīng)，故反應(yīng)能力僅對(duì)剛玉磨具而言。

（4）彈性模量

陶瓷磨具是由結(jié)合劑、磨料、氣孔、輔料等多項(xiàng)材料組成的，磨具的彈性模量也是由多項(xiàng)材料的彈性模量決定的，由下式確定：

E=E1V1+E2V2+…+EiVi

式中　E——磨具復(fù)合材料的彈性模量；

Ei——組分的彈性模量；

Vi——組分的體積分?jǐn)?shù)。

結(jié)合劑彈性模量大，磨具的彈性模量也大。結(jié)合劑的彈性模量影響到磨具在燒成過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力大小。磨具熱應(yīng)力是磨具在加熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。模具的彈性模量大，熱應(yīng)力也大，當(dāng)其超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，磨具便產(chǎn)生裂紋。為降低熱應(yīng)力，應(yīng)選擇彈性模量較小的結(jié)合劑。影響結(jié)合劑彈性模量的因素主要與結(jié)合劑的化學(xué)成分、結(jié)合劑組成內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵強(qiáng)度有關(guān)。鍵力越強(qiáng)，變形越小，則E值大。磨具中氣孔率增多，則彈性模量與強(qiáng)度均下降。磨具硬度高，E值也高。

（5）高溫潤(rùn)濕性

結(jié)合劑的高溫潤(rùn)濕性是指高溫狀態(tài)下結(jié)合劑熔體對(duì)磨料的潤(rùn)濕能力。結(jié)合劑熔體對(duì)磨料的潤(rùn)濕性好，結(jié)合劑對(duì)磨料的結(jié)合牢固，則磨具強(qiáng)度高，磨料不易脫落，否則出現(xiàn)相反情況。

2.2.3　結(jié)合劑的選擇

結(jié)合劑在焙燒過(guò)程中，各種礦物成分相互作用。在相同的焙燒溫度、氣氛、壓力條件下，有的只有少部分熔融。熔融的結(jié)合劑冷卻后成為玻璃體，均勻地分布在磨粒周?chē)瑢⒛チ９探Y(jié)。對(duì)于耐火度低于焙燒溫度的結(jié)合劑稱為燒熔結(jié)合劑；耐火度高于焙燒溫度的稱為燒結(jié)結(jié)合劑；耐火度接近或等于燒成溫度的結(jié)合劑稱為半燒結(jié)結(jié)合劑。

（1）剛玉類磨具用結(jié)合劑

焙燒結(jié)合劑主要用于剛玉類磨具，其種類繁多，主要常用黏土-長(zhǎng)石類（K2O·Al2O3·SiO2）和黏土-長(zhǎng)石-硼玻璃類（K2O·Al2O3·B2O3·SiO2）。

黏土-長(zhǎng)石類結(jié)合劑配料配比范圍為黏土20％～50％、長(zhǎng)石50％～80％。其中黏土含量在30％以下為燒熔結(jié)合劑，含量高的為燒結(jié)結(jié)合劑。結(jié)合劑的耐火度隨結(jié)合劑中的黏土含量增加而提高，隨長(zhǎng)石含量增加而降低。黏土-長(zhǎng)石類結(jié)合劑成本低，能滿足通用剛玉磨具性能要求，但不能制造粗粒度和軟級(jí)硬度的磨具。

黏土-長(zhǎng)石-硼玻璃類結(jié)合劑中的硼玻璃耐火度為640～690℃，是一種強(qiáng)催熔劑。含硼結(jié)合劑均為燒熔結(jié)合劑，它的流動(dòng)性大，高溫濕潤(rùn)性好，反應(yīng)能力強(qiáng)，有利于提高磨具的強(qiáng)度，多用于提高磨具強(qiáng)度及結(jié)合劑用量少的粗粒度和軟級(jí)硬度磨具、高速砂輪、超硬磨料磨具。

（2）碳化硅磨具用結(jié)合劑

SiC磨具常用燒結(jié)結(jié)合劑。SiC在高溫時(shí)分解生成C和Si，隨結(jié)合劑液相增加分解加劇。當(dāng)氧氣不足時(shí)就會(huì)產(chǎn)生“黑心”廢品。燒結(jié)結(jié)合劑的耐火度高于燒成溫度，結(jié)合劑只產(chǎn)生少量液相而燒結(jié)。磨粒分解的少量的C被氧化，并在SiC磨粒表面形成一層SiC薄膜阻止SiC進(jìn)一步分解。燒結(jié)結(jié)合劑的流動(dòng)性、反應(yīng)能力、高溫濕潤(rùn)性都較差，其磨具氣孔率少，磨削效率較差，并易燒傷工件，多用于硬度較高的SiC磨具。

SiC磨具通常采用的結(jié)合劑有黏土-長(zhǎng)石-石英類、黏土-長(zhǎng)石-石英-滑石類、黏土-長(zhǎng)石-硼玻璃類等。黏土-長(zhǎng)石-石英類結(jié)合劑原料配比范圍為石英15％～30％、長(zhǎng)石40％～65％、黏土20％～35％，多為燒結(jié)結(jié)合劑。結(jié)合劑脆性較大，磨具適合于磨削較硬的工件。黏土-長(zhǎng)石-石英-滑石類結(jié)合劑屬燒結(jié)結(jié)合劑，主要用于制造中硬度級(jí)別以上的SiC磨具，酸堿比大，具有較強(qiáng)的抗“黑心”能力及防止磨具發(fā)紅。黏土-長(zhǎng)石-硼玻璃類結(jié)合劑強(qiáng)度較高，適于制造60m/s的高速SiC砂輪。這類結(jié)合劑屬燒熔性結(jié)合劑，酸堿比大，制品不易產(chǎn)生“黑心”現(xiàn)象。

（3）金剛石、立方氮化硼磨具用結(jié)合劑

由于金剛石、立方氮化硼熱穩(wěn)定性較差，超硬磨粒結(jié)合劑磨具必須采用低溫?zé)伞５腿劢Y(jié)合劑的低溫?zé)删哂幸韵绿攸c(diǎn)。

①低熔結(jié)合劑的低溫?zé)煽梢怨?jié)約燃料成本，降低燒成周期。

②可以改善磨具質(zhì)量，減少?gòu)U品。低溫?zé)煽梢员荛_(kāi)金剛石、立方氮化硼高溫?zé)岱€(wěn)定性差的問(wèn)題。

③常用的低熔結(jié)合劑有黏土-長(zhǎng)石-硼玻璃-螢石類、硼玻璃-石英-剛玉粉-固體水玻璃類、黏土-含硼針瓶玻璃類、黏土-長(zhǎng)石-窗玻璃類。

金剛石磨具結(jié)合劑常用的玻璃料有SiO2·ZnO·B2O3系玻璃、NaO·Al2O3·B2O3·SiO2系玻璃，SiO2·Al2O3·TiO2·BaO·B2O3系玻璃，立方氮化硼磨具常用的玻璃料有SiO2·B2O3·Na2O·PbO·ZnO系玻璃。由于鈉硼硅酸鹽玻璃的軟化溫度低、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，所以常選為金剛石與立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑的基礎(chǔ)系玻璃，再根據(jù)結(jié)合劑低熔點(diǎn)、低膨脹、高強(qiáng)度、良好潤(rùn)濕性等要求進(jìn)行其他成分的添加調(diào)整。現(xiàn)在，開(kāi)始運(yùn)用微晶玻璃作為陶瓷結(jié)合劑的玻璃料，用于制造金剛石與立方氮化硼磨具。微晶玻璃有硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氟硅酸鹽、硼酸鹽等微晶玻璃。其中常用氟硅酸鹽微晶玻璃作為結(jié)合劑，它是在MgO·Al2O3·SiO2系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)助熔劑氟和鉀，降低氟硅酸鹽微晶玻璃的熔制溫度和析晶溫度，使其達(dá)到超硬材料結(jié)合劑所需的低熔點(diǎn)。

2.2.4　陶瓷結(jié)合劑原料配方設(shè)計(jì)

（1）配方的基本概念

陶瓷結(jié)合劑磨具原料的主要成分有磨料、結(jié)合劑和輔料。在磨具制造時(shí)，各種原料用量、磨具坯體的質(zhì)量、成形密度（或成形壓力與坯體厚度）必須符合技術(shù)要求的規(guī)定，為設(shè)定性的磨具確定磨料、結(jié)合劑和輔料之間的比例關(guān)系，稱為磨具配方。磨具配方的內(nèi)容包括磨料、結(jié)合劑的種類、性能和用量，潤(rùn)濕劑、成孔劑、著色劑等原料的性能和用量，磨具坯體的成形密度（或成形壓力、厚度）、磨具組織的確定。配方是根據(jù)磨削技術(shù)要求、磨具制造工藝條件和已積累的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定的。配方一經(jīng)確定就是制造磨具的重要技術(shù)文件，是制造磨具的工藝依據(jù)，它對(duì)磨具的使用有決定性作用。各個(gè)磨具生產(chǎn)廠家，都根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)（材料、設(shè)備、能源等）制定出具有特色的磨具配方。配方種類繁多，按磨削應(yīng)用方法可分為通用磨具配方和專用磨具配方。按磨具坯體成形工藝的不同分為壓制磨具配方、水澆注磨具配方和熱蠟澆注磨具配方等。配方與所制造出的磨具成分不同。配方中的物料在磨具制造過(guò)程中可有三種情況發(fā)生：基本上不發(fā)生變化，如磨料本身有化學(xué)惰性，與其他物料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且不受溫度影響；發(fā)生化學(xué)變化，如結(jié)合劑在溫度等因素作用下將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并有小分子逸出；在磨具制造過(guò)程中全部揮發(fā)，如成孔劑的精萘等。

磨具配方的表示方法是以磨料質(zhì)量為100，其他組分以此為基礎(chǔ)所占磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將所有配方數(shù)、磨具組織號(hào)、成形密度、磨具硬度級(jí)別，均列于同一表內(nèi)，某廠WA60配方表列于表2-5中。

配方設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)逐步完善的過(guò)程，配方設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求。

①應(yīng)滿足磨削應(yīng)用的需要。

②必須與磨具制造工藝相結(jié)合。

③必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和具有規(guī)律性。

④要求符合經(jīng)濟(jì)性原則。

⑤要符合安全與環(huán)保要求。

（2）配方的主要內(nèi)容與規(guī)律

①磨料與結(jié)合劑用量關(guān)系（磨料結(jié)合劑比例關(guān)系——砂結(jié)比）　在確定砂輪磨粒種類、粒度、硬度、結(jié)合劑種類的基礎(chǔ)上，確定配方結(jié)合劑的用量。調(diào)整結(jié)合劑用量是調(diào)整配方硬度的有效方法。一般增加結(jié)合劑用量1％～4％，磨具硬度增加一級(jí)。當(dāng)磨料種類相同時(shí)，同樣硬度，磨粒細(xì)粒度時(shí)結(jié)合劑用量多于粗粒度。在粒度和成形密度相同條件下，要制成相同強(qiáng)度等級(jí)的磨具，碳化硅磨料所用結(jié)合劑用量比剛玉磨料用量多。

②成形密度（或壓強(qiáng)）與磨具硬度的關(guān)系　陶瓷磨具在機(jī)壓（壓制）成形磨具配方中有定模法（定體積）和定壓法兩種配方形式。在定模成形配方中常用成形密度表示。成形密度是用成形濕磨具坯體的質(zhì)量除以濕磨具坯體的體積。在定模成形配方中，按設(shè)定磨具的組織號(hào)（磨粒率）來(lái)確定成形密度，再根據(jù)成形密度調(diào)整配方硬度及計(jì)算成形料。在定壓成形配方中，成形壓強(qiáng)及成形密度是重要的技術(shù)參數(shù)，成形壓強(qiáng)為預(yù)定值，成形密度為實(shí)測(cè)值。成形密度（壓強(qiáng)）增大，磨具的硬度和強(qiáng)度提高。

定壓成形的成形壓強(qiáng)提高，所壓出的坯體比較致密，即成形密度大。當(dāng)成形壓強(qiáng)不變，結(jié)合劑用量超過(guò)3％時(shí)，硬度仍不能提高一個(gè)小級(jí)，則必須提高成形壓強(qiáng)，尤其對(duì)高硬度磨具，提高成形壓強(qiáng)比增加結(jié)合劑用量更有效。提高（或降低）成形壓強(qiáng)5.0MPa，磨具硬度均會(huì)變化一個(gè)小級(jí)。

③磨具的組織與結(jié)合劑用量的關(guān)系　當(dāng)磨具硬度不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整配方結(jié)合劑用量、成形密度或壓強(qiáng)，可使磨具的磨粒率（組織號(hào)）變化達(dá)8％～10％（即4～5個(gè)組織號(hào)）。

④配方的調(diào)整　同一等級(jí)的硬度（或強(qiáng)度）配方的調(diào)整可以通過(guò)采用較多的結(jié)合劑、較小的成形密度以及較少的結(jié)合劑、較大的成形密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。制定配方應(yīng)遵循：隨著硬度或強(qiáng)度的提高，結(jié)合劑量和成形密度也依次遞增的規(guī)律。

（3）配方設(shè)計(jì)方法和步驟

配方設(shè)計(jì)的一般順序如下。

①選定具有代表性的磨料粒度，設(shè)定成形密度、結(jié)合劑、輔料用量。

②制作硬度塊試樣。

③測(cè)試硬度塊的硬度。

④根據(jù)硬度塊測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)整配方。

⑤檢驗(yàn)低硬度磨具及高硬度磨具配方的可靠性。

⑥進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

⑦對(duì)磨具產(chǎn)品進(jìn)行磨削試驗(yàn)和檢驗(yàn)。

2.2.5　陶瓷磨具的成形

在磨具制造過(guò)程中，以一定的成形方法將配好的成形料轉(zhuǎn)變成一定形狀和強(qiáng)度的磨具坯體，稱為磨具成形。陶瓷磨具成形方法有壓制成形、水澆注成形、熱蠟澆注成形。

（1）成形料的配制與混料

配料是根據(jù)所確定的配方，將所需的磨料、結(jié)合劑、輔料等按要求稱取，分袋集中存放。混料是將磨具所需的原料按一定程序通過(guò)機(jī)械攪拌或人工混合，使?jié)櫥瑒⒔Y(jié)合劑和輔料均勻地黏附在磨粒上的過(guò)程。經(jīng)混料所得到的混合料送往成形工序，故稱為成形料。成形料的計(jì)算過(guò)程如下。

①確定成形料的投料量

a.根據(jù)磨具規(guī)格及加工余量，計(jì)算磨具坯體體積。砂輪的體積為

式中　D——坯體外徑；

d——坯體內(nèi)孔直徑；

H——坯體厚度。

b.根據(jù)配方成形密度γ計(jì)算坯體成形單重W為

W=Vγ

c.根據(jù)磨料生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)算必需的投料量為

總投料量=磨具的總數(shù)量×單重+投料量×（1+附加消耗百分?jǐn)?shù)）

d.計(jì)算總投料量中磨料、結(jié)合劑、輔料的總質(zhì)量。

e.計(jì)算每次混料的原料量及混料批數(shù)。混料批數(shù)是磨料總質(zhì)量與每批磨料量的比值。

f.計(jì)算原料各自的質(zhì)量和確定配料單。

②混料工藝　成形料的混合是磨具制造中的重要工序。根據(jù)磨料粒度的粗細(xì)，混料工藝有干法與濕法兩種。磨料粒度細(xì)，結(jié)合劑量多，不易混合，多用干法混料；磨料粒度粗，結(jié)合劑量少，易混合均勻，多用濕法混料。

干法混料的工藝流程（以F180細(xì)磨粒為例）：

濕法混料的工藝流程（以F150粗磨粒為例）：

磨粒→加濕潤(rùn)劑→混勻→加結(jié)合劑→混勻→過(guò)篩

混料常用設(shè)備有槳葉式混料機(jī)、滾筒式混料機(jī)及碾壓式混料機(jī)。

（2）壓制成形

陶瓷磨具的成形是用壓力機(jī)將成形料裝入成形模具中分布均勻后，經(jīng)壓制成形而得到一定密度、一定形狀尺寸的磨具坯體。壓制成形過(guò)程中成形料粉體受到外力的擠壓作用，顆粒本身發(fā)生移動(dòng)和變形，當(dāng)外力與粉體粒子之間的摩擦力平衡時(shí)，粒子處于平衡狀態(tài)，坯料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙率減少，粒子靠攏，坯料被壓實(shí)。壓制力大時(shí)，成形料的黏結(jié)性強(qiáng)，成形坯料的密度大，坯體的濕強(qiáng)度大。壓制中常會(huì)出現(xiàn)壓力分布不均勻，導(dǎo)致坯體各部分的密度出現(xiàn)差別，其原因是成形料顆粒移動(dòng)和重新排列時(shí)，顆粒之間內(nèi)摩擦力及顆粒與模壁之間的摩擦力妨礙壓力的傳遞。

①壓制成形設(shè)備　模具成形所使用的設(shè)備主要是二柱、三柱、四柱油壓機(jī)。壓制模具有模位固定式、模位往復(fù)式、模位回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式（多工位轉(zhuǎn)臺(tái)）。選擇壓力機(jī)的原則是由磨具受壓面積所需最大壓力，計(jì)算出需要的壓力總噸位，進(jìn)而來(lái)選擇壓力機(jī)的噸位。

壓制成形用模具要根據(jù)磨具形狀、尺寸大小、余量、成形密度、硬度等因素來(lái)設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)。如平形砂輪的平形磨具主要由模套（模圈、模環(huán)）、底盤(pán)、模蓋（下壓板、上壓板）、心棒（壓頭、壓環(huán)）及墊鐵等構(gòu)成。

②壓制成形工藝　陶瓷模具機(jī)壓成形工藝流程如下：

壓制成形工藝應(yīng)保證成形坯體的尺寸、組織、硬度、均勻性、強(qiáng)度等性能要求。

（3）水澆注成形

水澆注成形主要用于細(xì)于F150的精密磨具的成形。它是用水將成形原料調(diào)配成流體的成形料，注入模具內(nèi)，膠凝后成為磨具坯體。

用水將原料浸泡成均勻的漿料并過(guò)篩，向浸泡好的漿料注入淀粉溶液并混勻，倒入混料缸內(nèi)并加入磨料，攪拌均勻，并用水調(diào)整料漿的黏稠度。

水澆注成形工藝流程如圖2-4所示。

（4）熱蠟澆注成形工藝

熱蠟澆注成形采用熔化的石蠟作為漿料介質(zhì)，混料均勻，造坯迅速。將漿料用壓縮空氣噴注，可造成復(fù)雜形狀的磨具。熱蠟澆注的輔料有石蠟、油酸、硬脂酸和蜂蠟。

熱蠟澆注成形工藝流程如圖2-5所示。

2.2.6　磨具坯體干燥與粗加工

磨具坯體干燥是利用熱能將坯體物料中的水分汽化并排除所生成的水分，提高機(jī)械強(qiáng)度并減少成品收縮。在實(shí)際生產(chǎn)中干燥后的坯體中仍有0.4％～1％的水分。磨具坯體干燥過(guò)程分為四個(gè)階段：升速干燥階段、等速干燥階段、降速干燥階段和平和階段。干燥速度是坯體在各個(gè)干燥階段中所規(guī)定的干燥時(shí)間。干燥速度過(guò)快易使坯體變形開(kāi)裂，所以，干燥速度不宜太快。不同的坯體、不同的干燥條件，其干燥速度不同。

坯體干燥后，為焙燒工序做準(zhǔn)備，應(yīng)對(duì)干燥體進(jìn)行粗加工和挑選，以獲得近似成品形狀和尺寸的坯體。

2.2.7　磨具的焙燒

磨具坯體焙燒是決定磨具成品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。磨具坯體經(jīng)過(guò)高溫焙燒，結(jié)合劑玻化或瓷化，并與磨料一起發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，使磨具達(dá)到所要求的硬度、強(qiáng)度和其他性能。

焙燒在焙燒窯內(nèi)進(jìn)行。常用的窯爐有隧道窯、全自動(dòng)燃?xì)獬閷细G等。隧道窯工作系統(tǒng)如圖2-6所示，其工作原理是：裝滿坯體的窯車(chē)在軌道上由推車(chē)機(jī)推動(dòng)，緩慢行駛，與窯內(nèi)氣流方向相遇，逐步穿過(guò)室內(nèi)余熱帶、燒成帶、冷卻帶，分別進(jìn)行坯體預(yù)熱、燒出及冷卻。在燒成帶兩端設(shè)有燒嘴和燃燒室。隧道設(shè)有排煙系統(tǒng)、透風(fēng)系統(tǒng)及熱空氣循環(huán)系統(tǒng)，使窯體內(nèi)氣體流動(dòng)，加速煙氣與產(chǎn)品的熱交換，使窯內(nèi)氣體壓力制度和氣氛符合要求。

在焙燒過(guò)程中，隨著溫度的變化，分為低溫階段、分解與氧化階段、高溫階段、冷卻階段。現(xiàn)以剛玉磨具為例說(shuō)明各階段的物理化學(xué)變化。

①低溫階段（常溫～300℃）　這一階段主要是排除干燥后的殘余水分。隨著水分排除，固體顆粒緊密靠攏，發(fā)生少量收縮。當(dāng)溫度超過(guò)120℃以上時(shí)，坯體內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈汽化。

②分解與氧化階段（300～800℃）　這個(gè)階段的主要變化如下。

a.排除結(jié)晶水。黏土及其他礦物的氧化鐵系在不同溫度下脫除結(jié)晶水。脫去結(jié)晶水后，結(jié)合劑變得比較松散。

b.結(jié)合劑中硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽和有機(jī)物的分解與氧化。

c.石英的多晶轉(zhuǎn)化和少量液相形成。在573℃發(fā)生β-石英轉(zhuǎn)化為α-石英，體積略有增加。結(jié)合劑中糊精在400℃左右焦化，碳酸鈉在700℃熔融。各種鹽類分解，可使坯體疏松，強(qiáng)度降低。

③高溫階段（800℃～燒成溫度）　磨具坯體達(dá)到800℃以上后，分解氧化繼續(xù)進(jìn)行，固相熔化，形成液相并形成新晶相和晶相長(zhǎng)大，溫度為950℃時(shí)是長(zhǎng)石、石英、高嶺石的共熔點(diǎn)。脫水高嶺石在950℃左右轉(zhuǎn)化為硅鋁尖晶石，繼續(xù)轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石，莫來(lái)石在1000℃轉(zhuǎn)化為方石英。

各組分形成液相，結(jié)合劑橋形成，較均勻地分布在磨粒周?chē)瑲饪诇p少，結(jié)合劑是光滑的玻璃相，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在溫度達(dá)到燒成溫度1300℃左右，經(jīng)保溫，使坯體制品各部分溫度均勻一致，能充分進(jìn)行物理化學(xué)變化。保溫時(shí)間一般為4～8h，過(guò)長(zhǎng)易造成成品過(guò)燒。

④冷卻階段　冷卻過(guò)程分為：最高燒成溫度至900℃階段，使溫度迅速下降。900～400℃緩冷階段，坯體由塑性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。400℃～出窯（80～60℃）階段，降溫速度與磨具規(guī)格、尺寸、形狀有很大關(guān)系。

SiC磨具的燒成變化與剛玉磨具不完全相同，SiC磨粒表面有一層SiO2涂膜包裹著SiC磨粒，使其不被分解，燒成過(guò)程中SiC的分解過(guò)程有兩個(gè)分解階段，即SiC本身的分解和分解物的氧化。若氧化過(guò)程落后于分解過(guò)程，則磨具會(huì)產(chǎn)生“黑心”現(xiàn)象。故應(yīng)在充分氧化條件下燒成。由于SiC磨料熱性能好，線脹系數(shù)小，升溫和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力小，故升溫、降溫速度可比剛玉磨具略快些。

陶瓷磨具的燒成規(guī)范包括燒成曲線、窯內(nèi)氣氛制度及窯內(nèi)壓力制度，磨具規(guī)格對(duì)升溫速度影響很大，燒成時(shí)受熱不均，易產(chǎn)生熱應(yīng)力。升溫速度與熱應(yīng)力的關(guān)系為

式中　ve——升溫速度；

σ1——受熱狀態(tài)下切向應(yīng)力；

η——線脹系數(shù)；

E——彈性模量；

R——單面受熱時(shí)為砂輪孔半徑，雙面受熱時(shí)為砂輪半徑與孔半徑之差的一半；

K——常數(shù)；

α——傳熱系數(shù)。

窯內(nèi)氣氛為中性或弱氧化氣氛。如為強(qiáng)氧化氣氛，則棕剛玉色澤變淺及出現(xiàn)鐵斑。而SiC磨具宜為強(qiáng)氧化氣氛，可防止“黑心”產(chǎn)生。

窯內(nèi)壓力狀況與窯內(nèi)氣體流動(dòng)速度、熱交換、溫度均勻性、窯內(nèi)氣氛有關(guān)。對(duì)于隧道窯內(nèi)壓力過(guò)大或過(guò)小均不能保證燒成曲線形成，窯內(nèi)壓力過(guò)大形成還原氣氛，會(huì)造成SiC磨具“黑心”。

陶瓷磨具燒成后，易產(chǎn)生：坯體裂紋，裂紋有外徑裂紋、孔徑裂紋、網(wǎng)狀裂紋；磨具黑心；滲碳及色澤變淺或發(fā)紅；磨具變形；燒成溫度低，產(chǎn)生燒損現(xiàn)象，降低硬度、強(qiáng)度等。

2.2.8　磨具制品的加工與檢驗(yàn)

焙燒后的磨具坯體需要進(jìn)行精加工，使磨具幾何形狀和尺寸精度符合成品質(zhì)量要求，使磨具表面硬度與內(nèi)部硬度一致，提高磨具制品的外觀質(zhì)量，降低用戶修整砂輪費(fèi)用。

磨具制品的加工方法有車(chē)削加工、磨削加工。車(chē)削細(xì)粒度砂輪使用金剛石車(chē)刀，加工細(xì)粒度的石墨砂輪、橡膠砂輪及細(xì)粒度的樹(shù)脂砂輪時(shí)，一般使用陶瓷或樹(shù)脂結(jié)合劑的專用磨石進(jìn)行車(chē)削加工。磨削加工砂輪的方法有用金剛砂磨削加工砂輪平面、用磨輪加工砂輪、用磨輪加工砂輪孔徑、被加工磨具對(duì)磨加工外徑、用金剛石鋸片加工砂輪平面、用鉆頭引導(dǎo)磨料加工磨具孔徑等。

磨具的孔徑是磨具與磨床主軸的重要配合表面，精度要求高。灌孔是孔徑加工方法的一種，生產(chǎn)效率高，孔徑精度易達(dá)到。灌孔方法適用于磨料粒度F120及更粗、厚度較厚、孔徑ф10～305mm的磨具。灌孔材料有硫化水泥、鋁、硬質(zhì)塑料注孔或鑲孔。硫化水泥由硫磺粉、長(zhǎng)石粉、石墨粉及滑石粉配制而成。硬質(zhì)塑料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯及聚酰胺。灌孔用的工具主要有底座、壓蓋、心棒、隔墊、轉(zhuǎn)盤(pán)等。

加工后的磨具還需要進(jìn)行浸漬處理，改善磨具的磨削性能，提高工作表面質(zhì)量。浸漬處理有硫磺處理、樹(shù)脂浸漬、石墨處理。

磨具成品需經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)，保證磨具達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。檢查項(xiàng)目有外觀缺陷、外形尺寸、形位公差、硬度、靜平衡、回轉(zhuǎn)強(qiáng)度及組織號(hào)七項(xiàng)內(nèi)容。

2.2.9　特種磨具

特種磨具包括高速砂輪、多孔砂輪、磨鋼球砂輪等。

（1）高速砂輪

通常將磨削速度超過(guò)60m/s以上的磨削稱為高速磨削。金剛石砂輪、CBN砂輪的磨削速度已達(dá)80～240m/s。高速磨削所使用的砂輪應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、均勻的組織、較小的不平衡度。粒度比普通磨具細(xì)1～2個(gè)粒度號(hào)。磨具制造工藝的每個(gè)工序要求更加嚴(yán)格。磨具孔壁處強(qiáng)度要嚴(yán)格保證，在干燥、裝窯、焙燒過(guò)程中要特別避免出現(xiàn)暗裂紋、微裂紋等缺陷。

（2）多孔磨具（大氣孔砂輪）

多孔磨具的總氣孔率遠(yuǎn)高于普通磨具，一般在50％以上，磨具的體積密度小，組織松，組織號(hào)一般在8號(hào)以上。多孔砂輪的磨削的自冷卻作用好，不易燒傷工件。加工工件表面質(zhì)量高。多用于磨削軟金屬、橡膠、皮革等非金屬材料；加工大平面薄壁工件、易受熱變形工件；用于深切緩進(jìn)給磨削。

在多孔磨具制造中為獲得較高的氣孔率，常在成形材料中添加一定量的成孔劑，主要是雙氧水。通過(guò)調(diào)控雙氧水的用量及分解溫度來(lái)控制氣孔率：溫度高，生成的氣泡大；溫度低，氣泡小。

（3）磨鋼球砂輪

磨鋼球砂輪是用于磨削滾動(dòng)軸承用的直徑在76.20mm以下鋼球的專用砂輪。砂輪規(guī)格有800mm×100mm×290mm及600mm×100mm×290mm兩種。磨鋼球砂輪的質(zhì)量直接影響鋼球的質(zhì)量和產(chǎn)量，要求砂輪硬度高、密度大、粒度細(xì)、組織均勻，具有一定韌性。制造磨鋼球砂輪的工藝常采用一些特殊措施，如采用混合磨料及混合粒度，采用較大的成形密度，調(diào)整結(jié)合劑的成分與配比、濕度，增大磨具的收縮率。