陶瓷结合剂金刚石砂轮因其自锐性好、砂轮刚度大、气孔率可调等特点，表现出优异的磨削锋利性和磨削精度，广泛应用于聚晶金刚石和CBN刀具、半导体材料、蓝宝石、结构陶瓷和功能陶]等难加工硬脆材料的精密磨削加工。 陶瓷结合剂金刚石砂轮主要由磨料、陶瓷结合剂、气孔等3部分组成，磨料主要由金刚石主磨料和绿碳化硅或白刚玉等辅助磨料组成；陶瓷结合剂主要起到包裹和固结磨料，使砂轮具有一定机械强度的作用；气孔主要起到容屑、排屑、传递冷却液的作用，可以降低磨削温度和防止砂轮堵塞。 Bi2O3-B2O3作为一种新型低温玻璃体系，一些学者将该玻璃体系用于陶瓷零件的钎焊连接。比如，GUO等设计了一种可在1 000 ℃熔炼的硼酸铋玻璃，化学组成为50Bi2O3-50B2O3（物质的量分数，下同），并将其应用于氧化铝陶瓷的低温钎焊连接，在625 ℃保温20 min时获得了剪切强度为164 MPa的接头。LIN等[14]研究了Bi2O3-B2O3-SiO2系低温玻璃，其熔炼温度为1 000 ℃、软化温度低于472 ℃，并将其应用于锂钛铁氧体陶瓷钎焊，在750 ℃保温30 min时可使接头剪切强度达到92 MPa。GUO等[15]还研究了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO低温玻璃的性能，其玻璃软化温度为419 ℃，在650 ℃钎焊连接蓝宝石时，可获得剪切强度为85 MPa的接头。CHEN等[16]扩大了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO低温玻璃的应用范围，将其用于氧化铝与铜的异种基体低温钎焊连接。 现有的陶瓷结合剂烧结温度较高，烧结过程中金刚石磨料易石墨化，影响金刚石砂轮的磨削性能。因此，提出一种基于Bi2O3-B2O3体系的新型低温陶瓷结合剂，以降低烧结温度。该结合剂中的[BiO4]玻璃网络是由不对称的锥形四面体相互连接形成的一种不稳定链状结构，导致结合剂力学性能较低，因此需要选用热膨胀系数较低的纳米SiC和纳米ZrO2作为增强相来改善结合剂的力学性能，研究这2种纳米材料对结合剂流动性和力学性能的影响。选用常用的核桃壳粉为造孔剂，分析了不同造孔剂含量对砂轮微观形貌的影响；制备了一种基于Bi2O3-B2O3体系的陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮，测试了该砂轮对单晶硅晶圆片的磨削性能。 

1.   试验方法

1.1   陶瓷结合剂制备

以Bi2O3、B2O3、SiO2、Al2O3、纳米SiC、纳米ZrO2等为原料，按表1准确称量各组分混合均匀后进行900~1000 ℃熔炼，再经过水淬、球磨、烘干和过400目筛网（孔径约38 μm）获得所需的陶瓷结合剂粉末。其中，纳米SiC、纳米ZrO2的粒度中值为100 nm。使用冷压成型工艺制成Φ16 mm × 16 mm圆柱体，在80 ℃干燥10 h，烧结温度为480~580 ℃，保温时间为1 h，随炉冷却后用于研究陶瓷结合剂的高温流动性。使用冷压成型工艺制成30 mm × 6 mm × 6 mm的试样，在80 ℃干燥10 h，升温速率为1 ℃/min，烧结温度为520~580 ℃，保温时间为1 h，随炉冷却后用于研究陶瓷结合剂力学性能。 

表  1  Bi2O3-B2O3陶瓷结合剂成分

Table  1.  Composition of Bi2O3-B2O3 vitrified bond

编号	Bi2O3 物质的 量分数 N1 / %	B2O3 物质的 量分数 N2 / %	SiO2 物质的 量分数 N3 / %	Al2O3 物质的 量分数 N4 / %	额外添加 （质量分数）
A1	40	40	10	10	无
A2	40	40	10	10	5%纳米SiC （100 nm）
A3	40	40	10	10	5%纳米ZrO （100 nm）2

1.2   陶瓷结合剂金刚石砂轮制备

以金刚石磨料、绿碳化硅辅助磨料、陶瓷结合剂、核桃壳粉、临时黏接剂等为原料制备砂轮磨块。其中，金刚石粒度规格为M10/20（800目）；陶瓷结合剂(A3)的微观形貌如图1所示，粒径约为5 μm（A3结合剂力学性能最优）；核桃壳颗粒直径约90 μm（180目）。金刚石磨料和绿碳化硅辅助磨料经无水乙醇和去离子水超声清洗后，按表2准确称量各组分，混合均匀。使用冷压成型工艺制成30 mm × 6 mm × 6 mm的长条试样，在80 ℃干燥10 h，升温速率为1 ℃/min，烧结温度为560 ℃，烧结时间为1.5 h，保温时间为1 h，烧结温度曲线如图2所示，得到成型密度为2.4 g/cm3的样块。制备的砂轮力学性能样条如图3所示。将根据优化的配方和工艺制备的砂轮结块采用粘接剂粘贴于铝合金基体上，制备成如图4所示的Φ200 mm杯形砂轮（结块厚度为5 mm， 高度为7 mm）。

制备的陶瓷结合剂圆柱体试样，使用游标卡尺进行圆柱体直径测量，试样测量5次取平均值记为d1，使用抛光后的氧化锆陶瓷基板作为流淌测试基板，将结合剂圆柱体试样垂直放在测试基板上，使用箱式电阻炉进行烧结，升温速率为5 ℃/min，在测试温度保温60 min，随炉冷却至室温后取出结合剂圆柱体试样。

随着烧结温度逐渐升高，结合剂硬度也呈现出先上升后下降的趋势，与抗弯强度的规律基本一致。在560 ℃时A2和A3组纳米增强相结合剂维氏硬度达到最大值，分别为493.4 HV和531.6 HV。在580 ℃时A2和A3组结合剂硬度分别下降至461.1 HV和474.9 HV。

随着核桃壳粉含量增多，砂轮中大气孔的数量增多、尺寸增大，这可能是由于在前期混料过程中随着核桃壳粉质量分数增大在临时粘接剂的作用下出现部分黏附现象，在砂轮烧结过程中核桃壳粉碳化收缩后形成大气孔，导致砂轮中大气孔的变化。随着核桃壳粉含量的增多，砂轮的力学性能逐渐降低，砂轮的总气孔率从38%增大至46%。综合考虑力学性能和总气孔率对砂轮的影响，选用质量分数为1%的核桃壳粉为造孔剂来制备砂轮。

Bi2O3-B2O3的陶瓷结合剂，研究添加纳米SiC和纳米ZrO2对陶瓷结合剂物相组成、流动性和力学性能的影响，探索了造孔剂含量对陶瓷结合剂金刚石砂轮微观形貌的影响，制备了基于Bi2O3-B2O3体系的陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮，测试其对单晶硅晶圆片的磨削性能，得到以下主要结论： 

（1） 添加纳米SiC和纳米ZrO2后，结合剂的流动性降低。随着烧结温度的上升，结合剂的流动性、抗弯强度和硬度有增加的趋势，在560 ℃时结合剂的抗弯强度和硬度达到最高。 

（2） 添加核桃壳粉造孔剂后，随着造孔剂含量的增大，砂轮中大气孔的数量增多、尺寸变大，砂轮总气孔率逐渐升高而抗弯强度和硬度逐渐降低。 

（3） Bi2O3-B2O3基陶瓷结合剂金刚石砂轮可以用于单晶硅的磨削，在砂轮线速度为12.56 m/s、工件转速为5.23 m/s、进给速度为0.1 μm/s条件下，磨削比最高为790，加工后单晶硅的表面粗糙度为0.16 μm