金属多层结合剂金属结合剂有多层的（通过烧结或渗透制造），也有单层的（通过电镀或钎焊产生）。它们只应用于超硬磨料，因为普通磨料磨损太快，无法充分发挥结合强度。多层···
全国咨询热线
国家磨料磨具质量检验检测中心提供砂轮配方解析和工艺提升服务，欢迎沟通交流！
金属结合剂有多层的（通过烧结或渗透制造），也有单层的（通过电镀或钎焊产生）。它们只应用于超硬磨料，因为普通磨料磨损太快，无法充分发挥结合强度。
金属多层结合剂由各种合金组成，如铜/锡青铜（Cu/Sn）、钴青铜（Co/Cu）、钨碳化物（W/WC）或铁-铜-锡系统的合金（Fe/Cu/Sn）。常见的Cu/Sn合金的Cu和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有良好的润湿性。
铁和含铁金属可能与金刚石颗粒产生不希望的反应。用于石材钻孔和锯切的金刚石工具使用基于钨、钨碳化物或钴合金的粘合系统。除了高耐磨性和韧性外，钨与金刚石颗粒形成有利的小尺寸的碳化钨界面层。因此，把持力不仅是机械的，而且是化学的。此外，基于钴、镍、铜、铁以及铜-镍-锌、铜-锌和铜-锰的混合物的辅助金属粉末优化了金刚石把持力。
金属结合剂具有强颗粒把持力，并对脆性、短切削材料的切屑具有耐磨性。高硬度成为工具修整的一个缺点。尽管如此，金属结合剂仍可进行改性，使其具有脆性和可修整性，例如增加Sn含量或添加Ag使青铜结合剂变脆。Co增加了耐磨性。
金属结合剂的浸渗主要用于修整辊和特殊应用。浸渗结合剂也用于超硬珩磨棒（青铜，Co结合剂）、石材钻孔冠或锯片。 磨粒、结合剂和填料要么混合并填充到模具中，要么先将颗粒固定在模具底部，然后添加基体粉末（图1和2）。然后添加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，熔化的焊料通过毛细力渗透到基体粉末中。由此形成的基体强度高、耐磨性强。
基体可以通过钎焊同时连接到磨料层。在加热过程后，可以施加压力以进一步影响工具特性（图1）。
焊料的熔点决定了浸渗过程的温度。基于铜的焊料的浸渗发生在1000-1250°C。模具由石墨制成。这种材料有多种用途：
• 通过其非粘附性防止焊料浸湿模具；
• 通过不同的热膨胀率在模具和生产工具之间形成气隙；
• 由于具有上述两种特性，因此可多次使用；
• 从大气中结合氧并形成CO/CO2气氛作为金刚石颗粒的氧化保护。
图1 金属结合剂磨具制造工艺
图2 人造金刚石渗透法制造
由于工具粘合成分和石墨基体之间可能会发生反应，因此适当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，这样焊料才不会流入模具材料本身并破坏模具材料。在每次浸润工艺之前，可通过对模具进行涂层来抑制石墨和基体粉末成分之间碳化物的生成。涂层材料可以是例如Al2O3粉末和醇或天然石墨和乙二醇。
烧结结合剂是通过混合金属粉末和磨粒、成型、热压或冷压以及烧结而制成的（图3）。在特殊情况下，金属粉末与有机结合剂（石蜡油和/或蜡颗粒）混合。这种结合剂有助于制造可处理的坯体，并在烧结过程中蒸发。结合剂也留下气孔可能会渗入焊接剂。
图3 金属结合剂工具制造流程
在冷压方法中，坯体被取出并在惰性气体氛围下的熔炉中烧结。烧结 时 可 选 择 是 否 成 型。铁 或 钢 结 合 剂 的 烧 结 温 度 为 1100℃。青铜结合剂易于加工和压制，烧结温度在 500-700 °C 之间。 在热压方法中，混合物在附加热量的作用下直接压缩成石墨状。在热压中可以使用三种加热类型，即感应加热、间接和直接电阻加热。
冷压程序允许应用快速的机械压力方法以及在中性或还原气氛的熔炉中烧结。氢气或其他惰性气体提供无氧环境，这对于在较高烧结温度下保护金刚石颗粒是重要的。热压程序只需一步操作，因此是一种时间效率高、质量控制好的工艺。 热等静压是传统热压的竞争方法。Onishi 等人利用 73% 的铸铁或铁粉、25% 的金刚石磨粒和 2% 的蜡进行热等静压（HIP），生产出了高孔隙率砂轮。在此过程中，首先对材料进行压制，预烧结以去除蜡，然后进行 HIP 处理。 烧结金属结合剂工具中的多孔性是通过蒸发填料和调整压制压力实现的。青铜结合剂中的多孔性是通过添加碳来获得的，例如在金刚石杯形砂轮中添加高达 20 V% 的碳。
金属结合剂在磨削过程中具有较高的磨料把持力和较低的磨损。不过，铜结合剂可能会在磨削过程中出现污点。金属结合剂的孔隙率可能较低，因此在结合剂中添加填料可在磨削过程中起到润滑作用。
金属粘接工具很难进行机械修复。由于金属结合剂的电导性，可以采用电物理和电化学工艺，并在许多不同的设置中使用。Klink研究了不同金属结合剂组成（Cu-青铜，Fe-青铜，Co-青铜）的电放电和电化学修整。Ohmori和Nakagawa发明了电解过程修整（ELID）方法。金刚石磨轮的铸铁纤维结合剂被阳极氧化以产生磨粒突起。ELID已经取得了很大的进步，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。
多孔金属轮可以通过破碎进行修正，即通过高修整力诱导结合剂破断裂。破碎通常发生在修整速度比qd = +1的地方，这意味着在接触点上修整工具和磨轮之间没有相对速度。例如，破碎会将细螺纹复制成脆性青铜结合剂。
单层金属结合剂的层高只有平均颗粒大小，磨粒突出为磨粒直径的20-70%。由于磨粒性能高，单层轮限于超硬磨料。金属单层结合剂是通过电镀、钎焊或无点解电镀工艺制造的：
• 电镀砂轮—在室温下进行。单层结合剂最常见的粘合类型是在电镀过程中沉积的镍结合剂。电镀CBN轮对高效深磨削（HEDG）的成功发展起到了重要作用。
• 钎焊砂轮—生产温度高达1000°C。使用强润湿焊料，如含钛材料、Ni-Cr-Bo-Si合金或其他材料。
• 无点解电镀工艺—可以化学沉积镍/磷合金。化学沉积结合剂的强度比电镀结合剂高，镀层厚度更均匀，但设备更昂贵，加工温度更高，结合剂更脆。
电镀是基于含水电解液中的阴极金属沉积（图4）。只有当水溶液中有足够的电子使金属离子放电时，才能在工件上沉积金属层。根据电子的来源，可分为化学金属沉积（无外部电压源）和电化学金属沉积（有外部电压源）。
磨具的基体材料需要是电导性的，至少在需要镀膜的区域是如此。常见的材料是钢，例如C15、C45或合金钢，硬化的球轴承钢（100Cr6）、铝，或者青铜/黄铜（如 果 应 用 中 不 允 许 使 用 磁 性 材 料 的 话 ）。在电镀之前，必须仔细准备基体，并且不应该被镀的区域需要被涂漆（图5）。表面需要去脂和去除氧化层。铝合金需要特殊处理以去除氧化层并激活表面层以获得更好的化学键合。
图4 电镀过程
图5 电镀工具的制造
基体表面覆盖有超硬磨料，并放入电解槽中。需要镀覆的区域周围必须有足够数量的磨粒。镀槽由沉积金属的金属盐水溶液组成，如Ag、Co、Cu、Ni、Au盐。通常，阳极由粘结材料组成，基体充当阴极。直流电压导致Ni在基体上析出。在磨粒初步粘合后，去除过多的磨粒，然后继续进行，直到达到所需的镀层深度。第一阶段的粘合需要一个静止的镀液；第二阶段的镀层生长则需要更高的功率和镀液循环。镀层深度使得大约50%的磨料暴露（图6）。
图6 电镀层结构
典型的超硬磨料磨粒坚固、成形良好、块状，切削刃轮廓清晰。不利的过程参数或颗粒选择可能导致工具的故障。如果工作电流密度过高，磨粒之间会出现过镀、尖峰或结节，磨粒突起也会收缩。处理和处置电解溶液和使用的金属受到严格的规定（环保因素）。单层磨粒电镀工具的轮廓精度取决于磨粒粒度分布、同心度和刀体轮廓精度。.磨粒大小决定了最小凹面轮廓。
由于电场集中，边缘和角落难以均匀镀层。为了使镍的沉淀更均匀，可以改变电解液的泼溅功率，或者阳极的形状可以与轮廓相反。
如果去除了磨料层，金属基体可以被重复使用和重新镀覆。这可以通过脱焊工艺完成，即所谓的剥离。
金刚石修整辊是重要的电镀工具。它们用于磨具的成型和锐化。金刚石修整辊可采用直接法或反向法生产。在直接方法中，金刚石颗粒在成型体上随机固定。因此，磨粒的尺寸偏差决定了几何包络。
反向方法使用失模，该模具具有修整辊的负面轮廓。金刚石要么被散布在轮廓区域，要么被手动设置。金刚石被分散或手工镶嵌到轮廓区域。然后通过电镀或渗透方法将磨粒粘合在一起，并将磨料层固定在辊体上。
图7显示了电镀的反向离心方法。反向离心法使用富镍电极和石墨模具来提高磨粒的覆盖率。这个过程相对较慢。修整工具的几何包络不是由磨粒而是由模具确定的。模具的凹形轮廓元件决定了金刚石磨粒的最大尺寸。采用反向方法制造的金刚石滚筒具有最高的堆积密度，在工业应用中具有重要的意义。
图7制造修整工具的反向离心法
制造商通过每立方厘米的金刚石颗粒的浓度或每平方厘米的金刚石颗粒的数量来指定修整工具。金刚石粒度大或金刚石粒度浓度小的成形辊会产生较高的砂轮有效表面粗糙度。成形辊也有类似的趋势。高颗粒浓度降低了单个修整颗粒的负载，延长了修整工具的寿命。然而，更高的修整工具成本可能是不划算的。
手工镶嵌的金刚石花纹会随着修整辊轮廓的变化而变化。例如，轮廓辊的肩部装配有比面部区域更大的金刚石颗粒和更小的浓度。这样，轮廓辊可以生成具有更高表面粗糙度的磨轮肩部，并将热引起的工件损坏危险降至最低。
钎焊是一种温度较高的焊接工艺。磨粒通过机械和化学方式被固定在结合处。因此，与电镀砂轮相比，砂粒的出刃程度更高，从而导致更大的切屑空间（图8）。与电镀砂轮相比，化学结合砂轮的结合层更薄。这样做的好处是切屑存储空间更大，材料去除率更高。
图8 钎焊层结构（钎焊砂轮）
图9 钎焊砂轮制造
磨轮的基体材料作为钎焊过程的基材，必须在之前进行清洁。焊料，也称为钎料，被沉积在基体上。这可以通过将焊料撒成粉末来实现。磨粒或与焊料一起沉积，或在钎焊前临时固定。钎焊在高达1000°C的温度下进行；焊料在磨粒周围堆积，冷却时使磨粒受到拉伸应力。钎焊过程中的机理包括复杂的步骤，如基材的溶解、元素的扩散、反应产物的形成和润湿现象。
对于金刚石，传统的钎焊往往只能产生机械把持力。因此，应用真空焊接。使用如钛、锆、铌或钽等金属作为焊料可以形成碳化物，形成化学键，增加把持力。由于这些金属的亲氧性很高，焊接过程必须在惰性气体氛围或高真空中进行。
对于CBN，使用基于Ni/Cr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 会形成反应层。这些反应层是在 CBN 磨粒和砂轮钢体之间实现牢固结合的关键因素。
一般来说，电镀砂轮只有一层磨料颗粒。因此，工具寿命是一个重要的决定因素，磨粒强度也是一个重要的相关因素。与其他粘接系统相比，用于金属粘接的金刚石磨粒的特性范围要宽得多。通常使用高强度的晶体金刚石类型。在进行表面抛光作业时，会选择在较低负荷下更易碎裂的磨料。
电镀磨具的典型磨损行为并非基于磨粒的脱落。最好的是，磨粒经历逐渐的剥落，以保持磨具足够的切削作用。然而，磨损表面的磨粒突出极小，磨粒顶面粗糙。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（运行中），Rt约为5%。
电镀颗粒被机械把持，钎焊磨粒被机械和化学把持。与电镀CBN砂轮相比，钎焊CBN工具可能提供更高的磨粒出刃高度和更强的磨粒结合力。焊料能够在颗粒、焊料和砂轮基体的金属基材之间建立强连接，这是由于化学亲和力。规则的磨粒分布可以克服随机磨粒分布中的磨粒群带来的负载问题。
在1980年代中期，通过所谓的“触摸修整”方法，单层金属结合剂的性能得到了重大改善。小深度的修整可使突出的砂粒顶端平整，从而降低砂轮的表面粗糙度，提高了其轮廓精度，并增强磨削过程的稳定性。电镀工具可以用磨石或超声波槽进行清洁。
国家磨料磨具质量检验检测中心提供砂轮配方解析和工艺提升服务，欢迎沟通交流！
一对一为您答疑解惑
