金属结合剂的金刚石工具

 2022-09-23  周萌

自20世纪50年代金刚石工具问世至今近70年，金属结合剂金刚石工具从铜基、钴基再到铁基，已发展3代；人造金刚石颗粒也从低品级到高品级，从裸颗粒到涂层颗粒；强化组元从金属单质发展到碳化钨、碳化硅再到稀土氧化物等，工具的切削性能不断提升。但目前的研究多基于“炒菜式”的工艺和配比优化，停留在单一组元的考察或单一工艺参数的优化上，缺乏对复合材料基础科学问题的研究，对复合材料的成分设计-组织结构-材料性能-使用要求之间未真正建立适用的定性或定量关系，特别是复合材料微观组织特点与使用性能之间的研究少有涉及，其相关研究鲜有报道。

随着工业技术的飞速发展，越来越多的难加工材料被广泛使用，使市场对金刚石工具的使用性能、工作寿命提出了更高的要求。金刚石工具的设计不仅要根据被加工工件的材料性能及加工要求等的不同，考虑金刚石的晶型、粒度和浓度以及结合剂的强度、硬度和耐磨性等，选择合适的金刚石磨粒和金属结合剂，更重要的是改善金刚石与结合剂之间的结合状态，增强两者间的把持力，使两者间的磨损实现相互匹配，从而提高工具的切削效率，降低生产和使用成本，延长其使用寿命

金属结合剂金刚石工具因具有结合强度高、成型性好、使用寿命长，能满足高速磨削和超精密磨削技术的要求等特征，已成为各种高密度、高硬度和硬脆材料的重要加工工具。相比于树脂和陶瓷结合剂，金属结合剂的结合剂强度较高，适合用做锯切、钻探、磨削类工具。随着建材行业的蓬勃发展，各类金刚石磨具消耗量成倍增长，目前用于瓷质砖抛光和磨边加工的金刚石磨具成为产值仅次于锯片的第二大金刚石工具品种。

柳文阳等分别采用金属结合剂金刚石砂轮和树脂结合剂金刚石砂轮加工 WC-10%Co硬质合金数控刀片，相比之下，金属结合剂金刚石砂轮磨削的工件可达到同等水平的尺寸一致性、具有更好的表面质量和更高的磨削比（2.7倍），且更具经济性。蒋志金[43]通过研究发现：青铜基强力砂轮适用于整体硬质合金刀具的精密磨削，在结合剂中添加Si及C,可以改善砂轮的自锐性；规则晶形的金刚石磨粒制成的砂轮磨削力较大且砂轮有较好的形状保持性，而不规则晶形磨粒制成的砂轮加工后刀具表面细腻且能获得较好的刃口质量及表面粗糙度。

传统的金属结合剂金刚石磨具多采用粉末冶金法制备得到，结合剂组织致密，孔隙率较低，磨具在工作过程中自锐性较差，磨屑易堵塞气孔或黏附在金刚石和基体表面，导致磨削力增加，磨削温度升高，最后烧伤工件，且对磨具进行修整修锐比较困难，在一定程度上限制了其应用。为改善磨具的自锐性，常在金属结合剂中添加陶瓷、造孔剂等对金属结合剂进行改性，分别形成金属陶瓷复合结合剂及多孔金属结合剂，以改善金属结合剂金刚石磨具的脆性、强度、孔隙率等，进而提高其使用性能。