超硬材料网

　　摘要：

　　提高砂轮寿命和磨削效率是金属结合剂金刚石砂轮制造研究的关键问题。本文综述了金属结合剂对金刚石磨料把持能力增强、砂轮修整修锐能力改善两方面的进展，介绍了高温钎焊技术应用与砂轮地貌优化研究的成果，在分析现有技术缺陷的基础上，提出了以高温钎焊技术为核心结合砂轮设计思想的创新制造金属结合剂超硬磨料砂轮换代产品的思路和构想。

　　关键词：

　　砂轮；金刚石；金属结合剂；钎焊；砂轮地貌；把持能力

 　　工具寿命与加工效率是金属结合剂金刚石砂轮的主要性能指标。就影响因素而言，金属结合剂对金刚石磨料的把持能力的强弱是影响工具寿命的关键因素，金属结合剂金刚石砂轮难以修整修锐是加工效率提高的重要障碍。

 　　本文在综述金属结合剂对金刚石磨料把持能力增强、砂轮修整修锐能力改善两方面进展的基础上，介绍了高温钎焊技术应用与砂轮地貌优化研究的成果，提出以高温钎焊技术为核心结合砂轮设计思想的创新制造金属结合剂超硬磨料工具换代产品的思路。

　　1、结合剂对磨料把持能力增强

 　　在传统的金属结合剂金刚石烧结砂轮的制造中，主要采取两类工艺措施来实现磨料把持能力的增强。一是直接在烧结原料中添加活性的Ti(TiH2)、Cr、稀土元素等，二是通过金刚石表面金属化，在磨料表面镀上Ti、Cr等活性金属或它们的合金镀层，通过它们在高温烧结过程中与金刚石磨料和金属结合剂的反应与扩散，达到在磨料和金属结合剂间形成化学冶金结合，提高金属结合剂对磨料的把持能力。虽然不同的研究者采用了不同的金属结合剂配方，所测得的试验数据有所差异，但试验结论基本一致，即这些工艺措施可提高结合剂对磨料的把持强度。

 　　在其增强机理研究中，多数研究者通过多种微观分析方法，观察到在金属结合剂中活性元素分布不均衡现象，即在金刚石周围微区活性元素富集，而随离金刚石表面距离的增大，活性元素含量急剧下降，同时X射线衍射的物相分析也探测到了活性元素形成的碳化物的存在。据此推断这些活性元素与金刚石发生化学反应，生成碳化物，通过这些碳化物作为过渡层，改善金属结合剂对金刚石磨料的润湿，使金刚石磨料与金属结合剂形成化学冶金结合。此虽为目前比较普遍一致的观点，但仅是一种推断，未真正观察到金刚石表面的碳化物过渡层及其结构形态。

　　2、砂轮修整修锐能力改善

 　　金属结合剂金刚石烧结砂轮都为密实型，在其制造中为了追求对磨料的高把持力，普遍将其致密度作为衡量砂轮制造质量的重要指标。由于金属结合剂金刚石砂轮的高致密化，造成其使用之初和磨损后的整形和修锐困难。

 　　相对于ELID在线修整技术以及近年发展起来的激光修整技术等，如果从砂轮的本身着手，来改善金属结合剂金刚石砂轮的修整修锐能力，显然具有事半功倍的效果。

 　　国内有研究者提出通过调控金属结合剂配方使其具有与金刚石磨料相匹配的磨损速度，以保证在磨削过程中结合剂适当磨损，新磨粒不断出露，获得砂轮的自锐能力。由于被加工材料和金刚石品级的多样性以及金属结合剂调控范围有限，该种工艺方法在应用上有局限性。

 　　日本T.Tanaka为改善金属结合剂金刚石砂轮的修整修锐能力，提出了一种创新思路并尝试开发了一种新型砂轮——多孔金属结合剂金刚石砂轮。将多孔陶瓷结合剂砂轮的孔隙结构引入金属结合剂砂轮，以获得其磨料易出刃及修整修锐方便的优点。这一创新性思路的提出和实践，拓宽了金刚石磨具制造研究领域，其后经过日本H.Tomino与S.H.Truong等人的工作，发展了通电烧结、热等静压烧结、真空烧结等多种制造方法并对其制造工艺、孔隙率控制、磨削性能进行了研究，对该新型砂轮有了进一步的认识。

 　　首先，该类砂轮的磨料易出刃、砂轮易修整修锐的优点获得了研究者的充分肯定与认同。这是由于其具有类似多孔陶瓷结合剂砂轮的组织结构所必然具有的优势，也解决了致密金属结合剂金刚石砂轮无法用传统整形方法进行修整的难题。尤其值得注意的是将孔隙引进金属结合剂金刚石砂轮，不但使砂轮的修整修锐能力得到改善，更扩大了砂轮的容屑空间，这是这类新型金刚石砂轮使用性能提高的基础。

 　　其次，在该类砂轮应用于精密磨削的试验研究中，表现出如下特点：磨削比与孔隙率的关系存在极值，孔隙率约为25%时，磨削比最大，磨削比能随孔隙率增加而下降，孔隙率达到25%以后，磨削比能下降平缓，结合剂强度的提高和结合剂脆性的改善有助于工件去除量的提高。

　　3、高温钎焊技术应用

 　　高温钎焊金刚石单层砂轮从根本上改善了磨料与结合剂的结合强度，被普遍认为是单层电镀金刚石砂轮的换代产品。我们于九十年代中后期在国内率先对该项技术进行了广泛的研究，采用的主要工艺过程为用活性的Ni-Cr合金或Ag-Cu合金添加Cr粉，通过高温钎焊工艺制造单层钎焊金刚石磨料砂轮。研究表明，高温钎焊所提供的界面结合强度如此之高，以致仅需将结合层厚度维持在磨粒高度的20%～30%的低水平上，就足以在大负荷的高速高效磨削中牢固地把持住磨粒。研制的该类工具在对一般超硬磨料工具难以加工的装甲复合板（厚度12mm，包括装甲陶瓷5mm和凯福拉7mm）进行锯切和钻孔的加工中，表现出卓越的性能，被加工表面光滑平整，无缺口与崩边。被加工后的装甲复合板见图1。

图1 被加工后的坦克装甲复合板

 　　研究该类砂轮金属结合剂与磨料的界面结合机制，回答该工艺如何能够提供金属结合剂对磨料的超强把持力，是扩大其在各类金属结合剂金刚石砂轮制造中应用的基础。我们在该类砂轮的钎焊机理研究中不仅观察到化合物形成元素在磨料周围微区的富集现象，更观察到了化合物过渡层的结构和形态。图2即为拍摄到的Ni—Cr合金钎焊金刚石磨料界面生成物形态及分布特征的SEM照片，生成物的定点成分分析结果见表1。所生成的碳化物为两种，内层条片状的为Cr3C2，外层细棱柱条为Cr7C3。通过这两层Cr的碳化物，金刚石与Ni-Cr合金形成化学冶金结合。其中金刚石表面原位生长的Cr3C2在与金刚石本身具有强冶金结合的同时扩大了磨料与金属的结合面积，而网状结构的Cr7C3可以在磨料与钎料之间发挥类似于金属基复合材料的纤维增强作用。正是由于高温钎焊可以在金刚石界面上生长出图2所示结构的碳化物过渡层，就有条件可以将钎焊金刚石界面的结合强度提高到一个为传统的电镀或烧结工艺无法企及的水平。

图2 除去Ni—Cr合金后金刚石(SEM)形貌

表1 金刚石形貌图中B区和C区定点成分(EDS)(at%）

 　　4、砂轮表面地貌优化

　　半个世纪以来，积累的有关砂轮地貌模型以及在此基础上对磨削过程的建模与仿真的国内外文献已经浩如烟海，但未见到多少真正可用于指导生产实践的有价值的成果。究其原因，最根本的恐怕是作为所有这些模型共同基础的砂轮地貌模型是建立在对具体砂轮表面形貌实际测量的基础上，而传统砂轮的磨料分布是无序的，在磨削过程中砂轮表面并不能保持同一的磨粒分布，其随机性使砂轮地貌模型并不具有普遍适用性。

 　　基于上述思考，我们提出开发砂轮磨料有序排布技术，实现按照加工要求和磨削用量条件优化设计砂轮地貌或按照加工要求和砂轮地貌优化选择磨削用量条件的创新思想。在砂轮地貌优化设计理论模型和优化地貌的砂轮制造技术两方面开展了工作。

 　　首先，以磨削比能最小为优化目标，以表面粗糙度、容屑空间和磨削弧区平均热流密度为约束条件，建立了砂轮地貌优化的理论模型，并对模型进行了解析，给出了不同作业条件下表面地貌的优化计算结果。

 　　其次，在单层钎焊金刚石砂轮上实现了上述砂轮地貌优化设计思想，控制磨料的最佳间距，制造了磨料择优排布的高温单层钎焊金刚石砂轮(见图3)。在金刚石锯片加工四川红花岗石板（莫氏硬度7～8，厚度20mm）的性能对比试验中，经过磨料择优排布的高温单层钎焊金刚石锯片寿命分别为未经优化的单层高温钎焊金刚石锯片和多层烧结金刚石锯片的120%和87%，加工效率则分别为115倍和419倍。目前该项技术研究已于2002年通过江苏省技术鉴定，处于应用推广阶段。

 图3 磨料择优排布的单层钎焊金刚石砂轮

 　　5、金属结合剂金刚石砂轮换代产品构想

　　前述各项技术的研究均达到了一定的高度，在实际应用中提高了金属结合剂金刚石砂轮的性能，但从两个层次上对现有技术手段进行思考，可发现它们亦存在着各自的缺陷。

 　　首先，技术手段的研究发展受到原有生产工艺的限制。通过活性元素增强金属结合剂对磨料把持能力的工艺措施虽然提高了工具的使用寿命，但由于传统的烧结工艺烧结温度低、烧结时间有限的局限，活性元素主要通过纯固态或半固态的反应过程与金刚石发生作用，反应并不充分，远未达到高温钎焊技术所提供的结合剂与金刚石结合强度的水平。高温钎焊技术虽然提供了其他工艺方法无可比拟的结合剂与金刚石的高结合强度和砂轮的高锋利性能，但受到钎焊工艺过程本身的限制，目前的应用仅局限于单层砂轮的制造。该类高温钎焊单层金刚石砂轮虽然使用寿命接近目前的多层工具且加工效率极大提高，但由于单层磨料消耗完后没有后继磨料补充，限制了其使用寿命的进一步提高。

  　　其次，砂轮设计思想的创新与技术手段的结合不够，在砂轮某方面性能提高的同时亦带来了新的问题。多孔金属结合剂金刚石砂轮的孔隙结构减少了砂轮中的金属结合剂量，牺牲了结合剂对磨料的把持能力，因此其虽然具有陶瓷结合剂金刚石砂轮易修整修锐的特点，但结合剂对磨料把持能力较低，这是按该设计思想制备的新型砂轮仅适于小负荷精密磨削的主要原因。按地貌优化思想设计砂轮首要的问题是获得磨料有序排布的技术手段，这在多层砂轮的制造中还存在较大的困难。

  　　如何汲取各项技术长处，开发更新换代产品，是金属结合剂金刚石砂轮制造研究发展到现在有条件考虑而且必须考虑的问题。

  　　从现有技术特点看，高温钎焊技术可提供对磨料的最佳把持能力；在金属结合剂金刚石砂轮中引入孔隙结构可改善其修整修锐性能并提供更多的容屑空间；按砂轮地貌优化思想设计砂轮可使磨料具有最佳切削负荷，便于磨削过程的优化和磨削结果的预估。因此，研究开发将高温钎焊技术作为核心技术手段应用于多层金属结合剂金刚石砂轮的制造并与多孔金属结合剂金刚石砂轮和砂轮地貌优化的设计思想相结合的制造技术，是金属结合剂金刚石砂轮换代产品开发的有效途径。可以预期按上述构想开发的换代产品将具有以下特征：能够充分发挥金刚石磨料优势，在各种难加工材料的重负荷高效磨削过程中磨料只正常磨损而不脱落；砂轮锋利度高且容屑空间大；每颗磨粒均具有最佳的切削负荷且便于实现磨削参数的优化和磨削结果的预估。

 　　6、结束语

 　　在金属结合剂金刚石砂轮制造技术研究中，本文所述构想将能极大促进砂轮工具的发展，从而使磨削技术的进步达到前所未有的高度。