1 引言

硬质合金因其具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性等特性，其加工方式主要为磨削加工，随着对硬质合金加工要求的不断提高，近年来超硬磨削工具在硬质合金领域的应用量逐渐提高[1-2]。超硬磨削工具按结合剂类型可划分为树脂基超硬磨具、金属基超硬磨具及陶瓷基超硬磨具[3]，其中陶瓷基超硬磨具因加工精度高、加工效率高、形貌保持性好、自锐性强、高温稳定性好等特点在硬质合金加工领域广受青睐[4]。

近年来，陶瓷结合剂金刚石砂轮在硬质合金加工领域的加工应用方面，陶洪亮等人研究了砂轮线速度、横向进给速度、磨削深度和磨削行程四种磨削参数对于硬质合金表面粗糙度的影响[5]；刘伟等人通过与树脂金刚石砂轮的对比实验证明陶瓷金刚石砂轮在加工YG10X顶锤时具有更高的加工效率[6]；宋鹏涛等人研究了不同条件下磨削参数对陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金表面粗糙度的影响[7]……虽然国内对于陶瓷结合剂金刚石砂轮在硬质合金加工领域的应用已做了大量的研究，但不同结合剂含量陶瓷金刚石磨具对硬质合金加工性能影响的研究却鲜见报端。

本文以47SiO2-18Al2O3-9B2O3-9Li2O-13Na2O-4ZnO陶瓷结合剂为实验结合剂，研究了不同陶瓷结合剂含量对金刚石磨具的力学性能影响，并研究了不同陶瓷结合剂含量对金刚石磨具加工硬质合金的性能影响，研究结果有益于高性能陶瓷结合剂金刚石磨具的开发。

2 试验

2.1 试样制备

采用分析纯原料按表1化学成分配比炼制实验结合剂P1，熔炼温度1350℃，保温时间2h，玻璃熔块经水淬后球磨、干燥收得P1陶瓷结合剂原料。经初步测试，结合剂原料密度为3.02g/cm3、抗弯强度83.7MPa、耐火度680℃。

表1 陶瓷结合剂P1化学成分(mol%)Table 1 Chemical composition of vitrified bond P1(mol%)成分SiO2Al2O3B2O3Li2ONa2OZnO含量

选用河南黄河旋风股份有限公司的100/120目金刚石与陶瓷结合剂P1为实验原料，以35wt%陶瓷结合剂、65wt%金刚石配比为基础配方，以陶瓷结合剂变化跨度为2wt%，设计5组实验配方A1～A5(如表2所示)。

表2 不同结合剂含量实验配方(wt%)Table 2 Composition of different vitrified bond content(wt%)编号100/120目金刚石P1结合剂AAAAA

通过马弗炉以埋砂烧结法按表2配比制作尺寸为30mm×12mm×8mm的方形烧结块，冷压成型压力30MPa，压坯干燥后按空气氛围、烧结温度730℃、保温时间90分钟工艺完成试样烧结，试样随炉冷却。

2.2 测试方法

通过中国北京时代之峰公司的TH300型洛氏硬度计测试各烧结块的洛氏硬度HRB，压头为淬火钢球，载荷为100kN。

抗弯强度测试参照标准GB/T -2006，采用美国英斯特朗公司的5569Q3601型电子万能试验机测试，加载速度0.1mm/min，跨距20mm。

将经开刃磨平后的结块试样装夹于改装的自动程控平磨机上，通过以结块30mm×12mm面平磨Φ36mm的YG8圆片样来测试结块对YG8硬质合金的磨削性能。磨削实验参数：刀头端转速1800r/min，工件端转速40r/min，程控单位进尺速率0.01mm/min，单次试验进尺量3mm。通过测试磨削前后试样与YG8圆片样的厚度变化h1、h2计算两者体积损失V1、V2，圆片样与结块的损失体积比为结块对YG8硬质合金的磨耗比；通过YG8圆片样的损失体积V2与磨削时间t的比值即为结块对YG8硬质合金的磨削效率。

采用扫描电镜研究试样断口的表面显微结构形貌及剩余陶瓷基体的分布形式。试样压断后以3vol%HF酸腐蚀60s后直接用蒸馏水冲洗，再用酒精清洗5分钟，测试前以石墨覆盖，经喷金处理后在日本电子株式会社的JSM-6700F型电子扫描显微镜上进行观测。

3 结果与讨论

3.1 力学性能分析

不同结合剂含量结块测得的洛氏硬度如图1所示，所测得的抗弯强度如图2所示。结合图1、图2可以看出试样的洛氏硬度与抗弯强度均随结合剂含量的增加而上升且有相近的变化趋势。从结果可以看出，当结合剂含量低于35wt%时，硬度与强度的提升幅度较大；当结合剂含量高于35wt%时，升幅趋于平缓。

图1 洛氏硬度Fig.1 Rockwell hardness of different content vitrified bonddiamond composite specimens

图2 抗弯强度Fig.2 Bending strength of different content vitrified bonddiamond composite specimens

陶瓷结合剂金刚石磨具由磨粒、结合剂、气孔三个基本要素组成，磨粒构成骨架，结合剂填充于磨粒之间形成结合剂桥，气孔形成于压制、烧结过程[8]。当结合剂含量上升时，增加的结合剂可有效填充磨粒之间的空隙，减少磨粒间的气孔形成，提升试样致密程度，进而提升试样硬度与强度。当结合剂含量提升至一定程度时，这种空隙填充作用趋于饱和，此时试样致密取决于磨粒间结合剂桥上形成的微气孔，所以试样的硬度与强度在结合剂含量提升至一定程度时增加趋势减弱。