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由金刚石或立方氮化硼 （ ,EF） 磨料制作的超硬 磨料砂轮， 因其优良的磨削性能， 已大范围的使用在磨削领 域的每个方面。金刚石砂轮是磨削硬质合金、 玻璃、 陶瓷、 宝石等高硬脆材料的特效工具。近几年来， 随 着高速磨削和超精密磨削技术的迅速发展， 对砂轮 提出了更高的要求， 陶瓷和树脂结合剂的砂轮已不 能满足生产的需要， 金属结合剂砂轮因其结合强度 高、 成型性好、 常规使用的寿命长等显著特性而在生产中得 到了广泛的应用。金属结合剂金刚石砂轮按制造方 式不同主要有有烧结和电镀两种类型。为了充分发 挥超硬磨料的作用， 国外从 ! 世纪 G! 年代初开始 用高温钎焊工艺开发一种新型砂轮， 即单层高温钎
要： 介绍了用不同方式制造的金属结合剂金刚石砂轮的工艺特点及其应用， 着重分析了单层高温钎焊金
刚石砂轮的工艺优势、 存在的问题及发展前景。 关键词： 金属结合剂， 金刚石， 砂轮， 电镀， 钎焊
近年来各国学者相继开展了应用特种加工方法 修整金属结合剂金刚石砂轮的研究工作， 主要有电
解修整法速度快， 但整形精度不高； 电火花修整法整 形精度高， 既可整形又可修锐， 但整形速度较慢； 复 合修整法有电解电火花复合修整法、 机械化学复合 修整法等， 修整效果较好， 但系统较复杂， 因此烧结 型金刚石砂轮的修整问题仍然没有得到很好的解 决。此外， 由于砂轮的制造工艺决定了其表面形貌 是随机的， 各磨粒的几何形状、 分布及切削刃所处的 高度不一致， 因此磨削时只有少数较高的切削刃切 到工件， 限制了磨削质量和磨削效率的进一步提高。
时加入少量 -. 粉， 在真空炉内加压加热到 =,3 进 行钎焊， 研制了牙科专用的单层高温钎焊金刚石砂 轮。利用扫描电镜观察显示在金刚石的周围有银白 色的合金包绕， 4 射线衍射分析证实有 -.% -! 生成， 正是这个碳化物层实现了金刚石与钢基体间较高的 结合强度。磨削实验也证实金刚石确有高的把持强 度， 单层高温钎焊金刚石砂轮的寿命及磨削效率较 电镀砂轮有了明显的提高。 !$ 单层高温钎焊镀膜金刚石砂轮 由于金刚石的热稳定性差， ’3 时就会发生石 墨化转变， 所以较高的钎焊温度势必会造成金刚石
后的磨料仍能保持原来的强度和晶型。 钎焊时首先在钢基体上预镀覆一层 9:1 合金 （熔点为 ’’3 ） ， 然后将镀膜金刚石排布在合金层 上， 在 (,3 的 氩 气 中 钎 焊 ,):A， 再 冷 却 至 室 温。
9 算机控制下对预先随机排布在砂轮表面结合剂层上 的磨粒按照给定的形貌要求进行扫描， 有效控制激 光强度、 脉冲周期和光斑直径， 保证一定的焊接温度 和时间， 这样被激光扫描到的磨粒就会按照形貌要 求有序地钎焊到砂轮基体上， 在去掉未被激光扫描 到的磨粒后就得到了磨粒有序排布的单层钎焊砂 轮。 借鉴熔融堆积 234 法或三维打印 035 法， 采用 喷头在计算机控制下将磨粒和粘接剂的混合物按照 砂轮形貌要求喷洒在基底上， 或采用静电植砂法将 磨料吸附在已涂胶的基底上， 烘干后将钎料粉均匀 布置于磨粒间再进行钎焊。采用静电植砂法， 由于 静电作用使磨粒尖端朝上， 因此切削性能强， 等高性 好。 虽然单层高温钎焊超硬磨料砂轮目前在制造工 艺上还不完善， 国内外许多学者正在积极进行研究， 但其卓越的磨削性能已引起国内外磨削界工程技术 人员的高度重视， 今后逐步替代传统砂轮将是无法
电镀金刚石砂轮的优点： 投资 !电镀工艺简单， 少， 制造方便； 使用方便； 无需修整， #单层结构决 定了它可以达到很高的工作速度， 目前国外已高达
［%］ ； 但仍有足 I! H $!!4 J 1 $ 虽然只有单层金刚石， 够的寿命； 对于精度要求较高的滚轮和砂轮， 电镀 %
有害元素会使金刚石腐蚀和石墨化， 因此可在金刚 石表面先镀上一层活性金属及其合金后再进行钎 焊。 超硬磨料的镀覆技术主要有化学气相沉积、 离 子镀、 热蒸镀、 真空微蒸发镀等。化学气相沉积 -.、 真空微蒸发镀 ?: 等可有效改善金刚石的表面性能。 在钎焊过程中， 凭借镀层的中介作用， 除了更易实现 金刚石与结合剂间的强力冶金化学结合外， 由于镀 层对热空气中氧的阻隔作用而使金刚石表面的碳原 子与氧的反应速度大大降低， 同时镀层中的强碳化 物形成元素与金刚石表面的碳原子反应生成碳化 物， 封闭了金刚石表面的悬键， 增大了氧化反应的阻
; 砂轮的最佳地貌， 单层电镀金刚石砂轮的这些固有 弊端必然会大大限制它在高效磨削中的应用。
中， 9:1-. 合金中的 -. 元素分离出来在金刚石表面 形成富 -. 层， 并与金刚石表面的 - 元素反应生成 合金层在与金刚石良好浸润的同时 -.% -! 和 -.& -% ， 因此这种钎 与钢基体反应生成 （ 567 -.8） - 的碳化物， 焊工艺可以确保合金层与金刚石及钢基体之间都能 获得较高的结合强度。通过重负荷磨削实验证明了 金刚石为正常磨损， 没有整颗金刚石脱落。这种工 艺的优点是： 钎焊后可获 9:1-. 合金本身的强度高， 得比银基合金钎焊更高的结合强度； 9:1-. 合金熔点 高， 耐磨削高温性能好。但它仍有一定的局限性， 因 钎焊温度高 （ (’3 ） ， 易造成金刚石热损伤而降低 金刚石的强度， 采用真空条件或氩气保护进行钎焊 可尽量减小金刚石的热损伤和氧化。
［(&］ 力 ， 从而抑制了结合剂中的 56、 -@、 9: 等元素对 金刚石的腐蚀和金刚石本身的石墨化过程， 使钎焊
（!） 9:1-. 合金单层钎焊砂轮 国外金刚石的钎焊工艺是： 首先用氧乙炔焊炬 在钢基体上火焰喷涂上一层 9:1-. 合金层， 这层活 性金属 可 作 为 钎 料 直 接 钎 焊 金 刚 石 磨 粒， 然后在 。在火焰喷涂合 (’3 的氩气中感应钎焊 % 金层的过程中， 由于钢基体表面易氧化， 钎焊后结合 剂层厚度的一致性和磨料排布的均匀性尚难于有效 控制
是唯一的制造方法。正是由于这些优势， 电镀砂轮 在高速、 超高速磨削中占据着无可争议的主导地
基体及磨料的结合面上并不存在牢固的化学冶金结 合， 磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中， 因而把持力小， 金刚石颗粒在负荷较重的高效磨削 中易脱落 （或镀层成片剥落） 而导致整体失效； 为增 加把持力就必须增加镀层厚度， 其结果是磨粒 高度和容屑空间减小， 砂轮容易发生堵塞， 散热效果
将金刚石磨粒直接排布在 9:1-. 合金片或粉末上， 用陶瓷块压住金刚石磨粒， 然后在 真空高频感应机上钎焊 %， 钎焊温度为 (’3 ； 或 者在氩气保护辐射加热炉内进行钎焊， 适当控制钎 焊温度、 保温时间和冷却速度。利用扫描电镜 4 射 线能谱及万方数据 在钎焊过程 4 射 线 衍 射 结 构 分 析 发 现，
料和钎焊工艺才能使金刚石结合界面上产生具有较 高结合强度的化学冶金结合； 二是结合剂层适宜的 厚度与均匀性的控制； 三是磨料合理有序的排布。 对于提高金刚石与钎料结合强度来说， 其关键 是钎焊过程中金刚石、 钎料、 金属基体三者间能够产 生化学冶金结合， 因此合金钎料中应含有强碳化物 形成元素， （ 如 &’、 ， 并争取在较低的温 ()、 *等 ） 度下进行钎焊， 尽量减小对金刚石的损伤。研制合 理的钎料合金配方是开发单层钎焊砂轮应首先解决 的问题。 在工业化生产钎焊砂轮过程中， 严格控制结合 剂层的厚度及均匀性十分必要。钎焊前应对金属基 体表面进行去氧化膜处理， 对金刚石和钎料应去油 去污。钎料中含有强碳化物形成元素并添加适量的 提高钎料的流动性和浸润 - 和 .’ 可降低钎料熔点， 性； 采用粉状钎料， 在真空条件 （或惰性气体保护） 下 进行钎焊。钎焊前磨料的有序排布和钎料布料厚度 的一致性对提高钎焊后结合剂层厚度的均匀性亦十
烧结型金属结合剂砂轮多以青铜等金属作为结 合剂， 用高温烧结法制造， 其结合强度高， 成型性好， 耐高温， 导热性和耐磨性好， 使用寿命长， 可承受较 大的负荷。因砂轮在烧结过程中不可避免地存在着 收缩及变形， 所以在使用前必须对砂轮进行整形， 但 砂轮修整比较困难。目前生产中常用的砂轮对滚整 形方法不仅在修整时费时费力， 而且修整过程中金 刚石颗粒的脱落较多， 修整砂轮本身的消耗很大， 整 形精度较低。
为了充分的发挥金刚石的作用， 要设法增大结合 剂对金刚石的把持力， 提高砂轮的结合强度。单层 高温钎焊超硬磨料砂轮能克服电镀砂轮的缺点， 可 以实现金刚石、 结合剂、 金属基体三者之间的化学冶 金结合， 具有较高的结合强度， 仅需将结合层厚度维 持在磨粒高度的 !# $ %# 就能在大负荷高速高 效磨削中牢固地把持住磨粒， 使钎焊砂轮的磨粒裸 露高度可达 &# $ ’# ， 因而增大了容屑空间， 砂 ［(， ’］ 轮不易堵塞， 磨料的利用更充分 。在与电镀 砂轮相同的加工条件下， 单层高温钎焊超硬磨料砂 轮的磨削力、 功率损耗、 磨削温度更低， 意味着可达 到更高的工作速度， 这在 %) * $ ,) * 以上的超 高速磨削中有着特殊的意义。 !# 单层高温钎焊无镀膜金刚石砂轮 ［(， ((］ （(） 加 -. 银基钎料单层钎焊砂轮 利用高频感应钎焊方法， 用添加有 -. 的 /01-2 合金作为钎料， 在 &’3 的空气中钎焊 %,， 自然冷 却， 可实现金刚石与钢基体间的牢固连接。经 4 射 线 射线衍射分析发现， -. 与金刚石之间形 成 -.% -! ， 与钢基体之间形成 （ 567 -.8 ） 经与不加 -. -， 钎料的对比实验证明， 这是实现合金层与金刚石及 钢基体间都具有较高结合强度的重要的因素， 并通过 磨削实验证实了金刚石确有较高的把持强度。该工 艺的优点是钎焊温度低， 对金刚石的损伤小。缺点 是银基钎料的熔点较低， 耐磨削高温性能较差， 在高
磨削试验表明， 由于镀膜金刚石与结合剂良好的浸 润性， 有效地避免了磨粒的脱落， 大大改善了砂轮的 磨削性能， 实现了砂轮寿命和加工效率的大幅度提 高
在着适应性问题， 因此只有合适的结合剂和工艺才 能使镀膜金刚石达到最佳的物理力学性能 !$ 施 国内外对单层高温钎焊砂轮的研究虽已取得了 较好的实验结果， 但其制造工艺还有待于进一步完 善。目前有一定的问题主要体现为
