金属结合剂金刚石砂轮制造技术新发展
2003年 8月
总第 136期 第 4期
金 刚石 与 磨料 磨具 工程
Diamond ＆ Abrasives Engineering
Aug．2003
Seria1．136 No．4
文章编 号 ：1006—852X(2003)04—0019—04
金 属 结 合 剂 金 刚 石 砂 轮 制 造 技 术 新 发 展
PROGRESS AND NEW CONCEPT OF THE FABRICATION TECHNIQUES
OF M ETAL BONDED SI 7I，ERABRASIVE GRINDING W HEEL
苏 宏 华 徐 鸿 钧
(南京航 空航天 大学 南京 210016)
Su Honghua Xu Hongjun
(Nanjing University ofAeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)
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
中 图分类 号 ：TG74 文献标 识 码 ：A
~ l["ilct：How to increase the grinding wheel life and grinding efficiency is the key pwb~m in fabrication of metal bonded diamond
#nding whee1．In this paper．nleasures and mechanisms impwving the bonding strength between diamond and metal bond as well as
amehorating the capability of truing an d dressing were summarized．The application of high tempo rature brazing technology an d the study
result about optimization design of the vinding wheel were describe d．The disadvantages of current technology were mentioned an d
analyzed．'nae idea for fabrication of the new generation of metal bo nded diamond grinding whee l Was put forward，which is to use hi gh
temperature brazing technology in fabrication of muhilayer metal bonded diamond grinding whee l based on innovative idea of whee l
design．
Key words：#nding wheel；diamond；me tal bonded ；brazing；wheel topography；bonding streng
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(TiH1)、Cr、稀 土
元素等¨ ，二是通 过金刚石 表面金 属化 ，在 磨料 表面
+ 国家 自然科学 基金 资助项 目(50175052)
镀 上 Ti、Cr等活性 金属或它们的合金镀层 l4 ，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
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金 刚石 与磨 料磨 具 工程 总第 136期
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 J。
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 I8 ]。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¨卜”J。
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
件 去 除 量 的 提 高 l 。
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。副或 舷 一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。
觊福拉 层 陶瓷层
(a)锯切 后表面
(b)钻 孔 后 表 面
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 1 J，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 C C2，外层 细棱 柱条 为 C 。通过 这两 层 Cr的
碳化物 ，金 刚石与 M —Cr合金形 成化 学冶 金结合 。其
中金 刚石表面原位生长 的 C C2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 Cr7 C3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。
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第 4期 苏宏 华 等 ：金属 结合 剂金 刚石 砂轮 制造 技 术新 发展 2l
(a)金刚石颗粒整体形貌
(b)金 刚石颗 粒边界 形 貌
A区 ．金 剐石 B区 一Cr3C2 C区 ．CrTC，
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 (Ⅱ】S)(at％)
Cr Ni C
B 区 59．33 O．33 40．34
C 区 61．24 5．23 33．53
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_加J，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 1．5倍 和 4．9倍 。 目前该 项
技术研究 已于 2(D2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。
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金刚 石与磨 料 磨具 工程 总 第 136期
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 结合剂金剐石砂轮 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 。
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作者 简介 ：苏宏华 ，在职博 士 ，南京航 空航 天 大学材料
学院。E．mail：shh@rluaa．edu．ell
(收稿 日期 ：2003．05．12)
(编辑 ：王 琴 )
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金属结合剂金刚石砂轮制造技术新发展.pdf
