根據各種原料在磨具中或在磨具製備過程中所起作用不同,超硬材料陶瓷磨具所用原材料分為磨料、結合劑原材料、著色劑、臨時黏結劑、成孔劑、浸漬劑。磨料包括主磨料(超硬磨料)和輔助磨料(填充料);結合劑原材料包括玻璃料和非玻璃料(黏土等)。
8.2.1磨料
8.2.1.1主磨料
在超硬材料陶瓷磨具中起主要磨削作用的原材料為主磨料,也就是金剛石或立方氮化硼(CBN)磨料。與剛玉和碳化矽相比,金剛石和立方氮化硼具有硬度高、強度大、顆粒形狀好、導熱性好和熱膨脹係數低等特點,磨粒的磨削能力強,是非常優異的磨削材料。
(1)金剛石
金剛石分為天然金剛石和人造金剛石。根據物理性能不同,將金剛石分為不同晶型。目前國內有6種型號,即RVD、MBD、SCD、SMD、DMD、M-SD。研究表明金剛石中含有N的雜質,B、Fe、Ca、Mg、Ti、Si等元素亦存在,N雜質的存在對晶型低的金剛石的物理性質和晶體結構有很大影響。金剛石與酸有很好的化學穩定性,但與鎢、鉭、鈦、鋯的碳化物起化學反應。碳能溶於熔融狀態下的鐵、鈷、鎳等金屬中。金剛石的熱導率很高,且隨著溫度、晶型而不同,晶型越完整熱導率越高。金剛石的熱膨脹係數隨著溫度的升高、晶型越完整越大。
(2)立方氮化硼(CBN)
CBN是一種類似於金剛石的物質,其熱穩定性比金剛石好。CBN在氧氣或空氣的作用下會形成氧化硼。
B2O3在CBN表麵形成保護層,能夠阻止CBN在1300℃以下進一步氧化。在空氣中1400℃以下,CBN一般不會向六方氮化硼轉變。但在氮氣中1525℃下和真空中1550~1600℃下發現會發生轉變。另外,在1050℃下與Al能發生反應,在1250~1300℃能與含Al的Fe-Ni合金發生反應。CBN也能與水發生反應,引起CBN破壞。
CBN有很高的化學惰性,不易與鐵反應。
8.2.1.2輔助磨料
輔助磨料在磨具工作層(即超硬磨料層)中起提高砂結比和輔助磨削的作用,能夠提高磨具的磨削比,減少低濃度磨具製造工藝上的困難,在非工作層中起結構骨架的作用。
因超硬磨料比較貴,超硬磨料磨具不能完全采用超硬磨料製造,通常根據不同的需要采用不同的濃度並采用含有工作層與非工作層的結構。在超硬磨料陶瓷磨具中,超硬磨料在磨具體積中所占比例一般較小。如濃度為75%的磨具,其超硬磨料在磨具工作層中所占體積隻有18.75%,這個數值比普通陶瓷磨具中最鬆組織砂輪的磨粒率(34%)還要低,這樣給砂輪的製造帶來很大的困難。因此,必須加入輔助磨料,以提高磨具的砂結比,減少製造困難,因而輔助磨料也有填充料之稱。非工作層隻起過渡作用,不需要加入超硬磨料,全部由輔助磨料與結合劑構成,輔助磨料在其中起結構骨架的作用。
8.2.2結合劑原料
超硬磨料陶瓷磨具用結合劑一般有兩種類型:一類由非玻璃料和玻璃料兩部分構成;另一類由純玻璃料組成。也可根據性能需要加入不同的填充劑。
非玻璃料一般為黏土。玻璃料則是根據要求預先設計,然後經過高溫熔融、急冷、粉磨等而製備的粉料。填充料則是用來改善結合劑的導熱性、對磨粒潤性或增加結合劑耐磨性的材料。
8.2.2.1黏土
黏土的性能及作用,如本書第2章2.2的內容。黏土在低溫陶瓷結合劑中的主要作用是改善結合劑的可塑性及成型性能,調整結合劑的耐火度及燒結範圍,減少燒成變形和控製生產工藝難度。
黏土在超硬磨料陶瓷磨具結合劑中的用量沒有普通陶瓷磨具用得多。
8.2.2.2玻璃料
玻璃料為超硬磨料陶瓷磨具結合劑的主要成分,直接影響著結合劑性能。超硬磨料陶瓷磨具用玻璃料的基本性能要求是強度高,軟化熔融溫度低,熱膨脹係數小,高溫下潤濕性能要好。因此玻璃料必須根據超硬磨料的性能進行設計和熔融。
目前國內外超硬磨料使用的玻璃料主要有無堿玻璃和含堿玻璃兩大類。用於金剛石磨具結合劑的ZnO-B2O3-SiO2係和BaO-TiO2-Al2O3-B2O3-SiO2係玻璃,用於CBN磨具的ZnO-PbO-B2O3-SiO2係玻璃即為無堿玻璃。含堿玻璃主要以Na2O-B2O3-SiO2係為基礎體係,同時添加不同含量、不同組分的堿或堿土金屬氧化物而形成玻璃。如Na2O-ZnO-PbO-B2O3-SiO2係玻璃,Na2O-Li2O-BaO-B2O3-SiO2係玻璃,Na2O-Li2O-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2係玻璃等。由於鈉硼矽酸鹽玻璃的軟化溫度低、強度高、化學穩定性好,所以常被選作金剛石和立方氮化硼陶瓷結合劑的基礎體係,然後根據結合劑熔點低、熱膨脹係數小、強度高及潤濕性良好等的要求添加其他成分進行調整。