一文读懂金属结合剂砂轮成分及配方解析详解
细节
金属多层粘结剂
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金属结合剂有多层（通过烧结或渗透形成）或单层（通过电镀或钎焊形成）。它们只用于超级磨料，因为普通磨料磨损太快，无法提供足够的结合强度。
多层磨具的金属结合剂化学性质和类型
金属多层结合剂由各种合金组成，例如铜/锡青铜 (Cu/Sn)、钴青铜 (Co/Cu)、碳化钨 (W/WC) 或铁铜锡系合金 (Fe/Cu/Sn)。常见的 Cu/Sn 合金的 Cu 与 Sn 的比例为 85:15 或 80:20，并添加了填料和其他合金。结合剂需要对磨料颗粒具有良好的润湿性。
铁和含铁金属可能会与金刚石颗粒发生不良反应。用于钻凿和锯切石材的金刚石工具采用基于钨、碳化钨或钴合金的粘合系统。除了高耐磨性和韧性外，钨还与金刚石颗粒形成有利的、小尺寸的碳化钨界面层。因此，保持力不仅是机械的，而且是化学的。此外，基于钴、镍、铜、铁和铜镍锌、铜锌和铜锰混合物的辅助金属粉末可优化金刚石保持力。
金属粘结剂具有很强的颗粒保持力，并且能够抵抗脆性、短切材料的切屑。高硬度会成为修整刀具的缺点。不过，金属粘结剂可以进行改性，使其变脆且易于修整，例如增加锡含量或添加银使青铜粘结剂变脆。钴可提高耐磨性。
通过渗透生产金属粘合剂
采用金属结合剂的浸渗主要用于修整滚轮和特殊用途。浸渗结合剂也用于超硬珩磨棒（青铜、钴结合剂）、石材钻冠或锯片。磨粒、结合剂和填料要么混合后填入模具中，要么先将磨粒固定在模具底部，再加入基体粉末（图1、图2）。然后加入一定量的硬焊料和助焊剂（通常是铜、镍或锌合金），在惰性气体或感应连续炉中加热模芯。焊料的熔点相对较低。因此，熔融的焊料通过毛细管力渗透到基体粉末中。得到的基体具有高强度和高耐磨性。
基体可以同时通过钎焊连接到磨料层上。加热过程之后，可以施加压力以进一步影响工具性能（图1）。
焊料的熔点决定了渗透过程的温度。铜基焊料的渗透发生在1000-1250°C。模具由石墨制成。这种材料有多种用途：
图1 金属结合剂磨具制造工艺流程
图2：渗透法制造人造钻石
由于工具粘结剂成分和石墨基体之间可能发生反应，因此，正确选择石墨模具材料对于稳定的制造工艺非常重要。用于浸润工艺的石墨应易于加工、无裂纹且孔隙率低，以便焊料不会流入模具材料本身并破坏模具材料。通过在每次浸润工艺之前对模具进行涂层处理，可以抑制石墨和基体粉末成分之间形成碳化物。涂层材料可以是例如 Al2O3 粉末和酒精或天然石墨和乙二醇。
通过烧结生产金属粘合剂
烧结结合剂由金属粉末和磨料颗粒混合、成型、热压或冷压和烧结而成（图 3）。在特殊情况下，金属粉末与有机粘合剂（石蜡油和/或蜡颗粒）混合。这种粘合剂有助于形成可处理的坯体，并在烧结过程中蒸发。粘合剂还会留下可能被焊料渗透的孔隙。
图3 金属结合剂工具制造流程
冷压法是将坯体取出，在惰性气体氛围下放入炉内烧结。烧结可以成形或不成形。铁或钢粘结剂的烧结温度为 1100°C。青铜粘结剂易于加工和压制，烧结温度在 500-700°C 之间。热压法是将混合物在附加热量的作用下直接压缩成石墨形状。热压法可采用三种加热方式，即感应加热、间接加热和直接电阻加热。
冷压工艺允许应用快速机械压力方法以及在炉中在中性或还原性气氛中进行烧结。氢气或其他惰性气体提供无氧环境，这对于在较高的烧结温度下保护金刚石颗粒非常重要。热压工艺是一步操作，因此是一种省时且质量控制良好的工艺。热等静压是一种与传统热压相竞争的方法。等人使用热等静压 (HIP) 生产了 73% 铸铁或铁粉、25% 金刚石磨粒和 2% 蜡的高孔隙率砂轮。在此过程中，首先压制材料，预烧结以去除蜡，然后进行 HIP。烧结金属结合剂工具中的孔隙率是通过蒸发填料和调节压制压力来实现的。青铜结合剂中的孔隙率是通过添加碳来实现的，例如在金刚石杯形砂轮中高达 20 V%。
金属多层粘结剂的性能
金属结合剂具有较高的磨料保持力，磨削时的磨损较少。但是，铜结合剂在磨削时可能会产生污渍。金属结合剂的孔隙率可能较低，因此需要在结合剂中添加填料，以在磨削时提供润滑。
金属结合剂工具难以机械修复。由于金属结合剂具有导电性，因此可以采用电物理和电化学过程，并在许多不同的设置中使用。Klink研究了不同金属结合剂成分（Cu-青铜、Fe-青铜、Co-青铜）的电火花和电化学修整，并发明了电解过程修整（ELID）方法。金刚石砂轮的铸铁纤维结合剂经阳极氧化处理，产生磨料凸起。ELID已得到很大改进，可应用于铸铁结合剂、混合金属树脂结合剂和青铜结合剂的砂轮。
多孔金属砂轮可通过挤压进行修整，即通过高修整力诱导粘结断裂。挤压通常发生在修整速度比 qd = +1 时，这意味着在接触点处修整工具和砂轮之间没有相对速度。例如，挤压会将细螺纹复制到易碎的青铜粘结剂中。
金属单层键 金属键化学和类型
单层金属结合剂的层高仅为平均晶粒尺寸，磨粒凸起为磨粒直径的20-70％。由于磨料性能高，单层砂轮仅限于超硬磨料。金属单层结合剂采用电镀、钎焊或非点电解镀工艺制造：
电镀粘合剂的制造
电镀是基于水性电解质中的阴极金属沉积（图4）。只有当水溶液中有足够的电子释放金属离子时，金属层才能沉积在工件上。根据电子的来源，可分为化学金属沉积（无需外部电压源）和电化学金属沉积（需要外部电压源）。
工具的基材需要具有导电性，至少在要电镀的区域是这样。常见的材料是钢，例如 C15、C45 或合金钢、硬化滚珠轴承钢 ()、铝或青铜/黄铜（如果应用中不允许使用磁性材料）。电镀前，必须仔细准备基材，并且不应电镀的区域需要涂漆（图 5）。表面需要脱脂并且没有氧化层。铝合金需要特殊处理以去除氧化层并激活表面层以实现更好的化学键合。
图4 电镀工艺流程
图5：电镀工具的制造
基材表面覆盖有超磨料，并置于电解槽中。待镀区域周围必须有足够数量的磨料颗粒。镀槽由金属盐水溶液组成，可沉积金属，例如 Ag、Co、Cu、Ni、Au 盐。通常，阳极由粘合材料组成，基材充当阴极。直流电压使 Ni 沉淀在基材上。在磨料颗粒初步粘合后，去除多余的磨料颗粒，并继续该过程，直到达到所需的涂层深度。粘合的第一阶段需要固定的槽；涂层生长的第二阶段需要更高的功率和槽循环。涂层深度使得大约 50% 的磨料暴露在外（图 6）。
图6 电镀层结构
典型的超硬磨料颗粒呈实心、结构良好、块状，具有锋利的切削刃轮廓。工艺参数或颗粒选择不当会导致刀具失效。如果工作电流密度过高，颗粒间会出现过镀、尖刺或结节，颗粒凸起会收缩。电解液和所用金属的处理和处置受到严格规定（环境因素）。单层磨料电镀刀具的轮廓精度取决于磨料颗粒尺寸分布、同心度和刀具本体轮廓精度。磨料颗粒尺寸决定最小凹面轮廓。
由于电场集中，在边角处很难镀得均匀，为使镍沉积更均匀，可改变电解液的溅射力，或将阳极形状反转为轮廓。
如果去除了磨料层，金属基材就可以重新使用并重新镀层。这可以通过脱焊工艺（即所谓的剥离）来实现。
修整滚轮的制造
金刚石修整辊是重要的电镀工具，用于磨具的整形和修锐。金刚石修整辊可用直接法或逆向法生产。在直接法中，金刚石颗粒随机固定在成形体上。因此，磨料颗粒的尺寸偏差决定了几何包络线。
反向方法使用具有修整辊负轮廓的消失模。金刚石散布或手工镶嵌到轮廓区域。然后通过电镀或渗透方法将磨料颗粒粘合在一起，并将磨料层固定在辊体上。
图7为反向离心电镀法。反向离心法采用富镍电极和石墨模具来增加磨粒的覆盖率。这个过程相对较慢。修整工具的几何包络不是由磨粒决定的，而是由模具决定的。模具的凹轮廓元素决定了金刚石磨粒的最大尺寸。用反向方法制造的金刚石滚轮具有最高的填充密度，在工业应用中具有重要意义。
图7 反向离心法制作修整工具
制造商通过每立方厘米金刚石颗粒浓度或每平方厘米金刚石颗粒数量来指定修整工具。金刚石颗粒大或金刚石颗粒浓度低的成型辊可使砂轮的有效表面粗糙度更高。成型辊也有类似的趋势。高颗粒浓度可降低单个修整颗粒的负荷并延长修整工具的使用寿命。然而，较高的修整工具成本可能并不划算。
手工镶嵌的钻石图案随修整辊轮廓而变化。例如，轮廓辊的肩部配备较大的金刚石颗粒，并且密度小于表面区域。这样，轮廓辊可以产生具有更高表面粗糙度的砂轮肩部，并最大限度地降低工件因热而损坏的风险。
钎焊粘合剂的制造
钎焊是一种高温焊接工艺。磨料颗粒通过机械和化学方式固定在结合剂中。因此，与电镀砂轮相比，砂粒暴露得更多，从而产生更大的切屑空间（图 8）。化学结合砂轮的结合层比电镀砂轮更薄。其优点是切屑存储空间更大，材料去除率更高。
图8 钎焊层组织（钎焊砂轮）
图9 钎焊砂轮制造
砂轮的母材是钎焊工艺的基材，必须事先清洁。焊料（也称为钎焊填充金属）沉积在母材上。这可以通过将焊料以粉末形式撒布来实现。磨料颗粒可以与焊料一起沉积，也可以在钎焊前暂时固定。钎焊在高达 1000°C 的温度下进行；焊料在磨料颗粒周围积聚，并在冷却时使其受到拉伸应力。钎焊工艺涉及的机制包括复杂的步骤，例如母材溶解、元素扩散、反应产物形成和润湿现象。
对于金刚石来说，传统的钎焊往往只能产生机械夹持力。因此，采用真空焊接。使用钛、锆、铌或钽等金属作为焊料，可以形成碳化物，形成化学键并增加夹持力。由于这些金属对氧有很高的亲和力，因此焊接过程必须在惰性气体氛围或高真空下进行。
对于CBN，采用以Ni/Cr为基础的高温金属合金。CBN颗粒的密度和分布模式决定了钎焊磨具的性能。对用于CBN砂轮的Ag-Cu-Ti合金焊料的研究表明，TiN和TiB2形成反应层。这些反应层是实现CBN磨粒与砂轮钢体之间牢固结合的关键因素。
金属单层粘结剂的性能
通常，电镀砂轮只有一层磨粒。因此，工具寿命是一个重要的决定因素，而磨粒强度也是一个重要的相关因素。用于金属粘合的金刚石磨粒比其他粘合系统具有更广泛的性能。通常使用高强度结晶金刚石类型。在进行表面精加工操作时，选择在较低负荷下更容易碎裂的磨料。
电镀磨料工具的典型磨损行为并非基于磨粒的脱落。在最好的情况下，磨粒会逐渐脱落以保持工具的充分切削作用。但是，磨损表面上的磨粒凸出很少，磨粒的顶面粗糙。新电镀工具的表面粗糙度 Rt 约为磨粒尺寸的 10%；随着工具磨损（在操作中），Rt 约为 5%。
电镀晶粒采用机械固定，而钎焊晶粒采用机械和化学固定。钎焊 CBN 工具可提供比电镀 CBN 砂轮更高的砂粒高度和更强的砂粒结合力。由于化学亲和力，焊料能够在晶粒、焊料和砂轮基体的金属基体之间形成牢固的结合。规则的磨粒分布可以克服随机磨粒分布中磨粒簇引起的负载问题。
20 世纪 80 年代中期，采用所谓的“接触修整”方法，单层金属结合剂的性能得到了显著改善。较小的修整深度可以使突出的砂粒尖端变平，从而降低砂轮的表面粗糙度，提高其轮廓精度，增强磨削过程的稳定性。电镀工具可用砂轮或超声波槽进行清洗。
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