劉 錕，孔帥斐,2，劉一波,2

(1.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司，北京 102200；2.鋼鐵研究總院，北京 10081)

1 引言

金剛石磨具常用來加工硬脆性的玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷及有色金屬等。目前常用的結(jié)合劑可以分為金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑。金屬結(jié)合劑還包含電鍍金屬結(jié)合劑和釬焊金屬結(jié)合劑。金屬結(jié)合劑超硬磨具具有強(qiáng)度高、成型性好、耐磨性高、工作壽命長的優(yōu)異特點(diǎn)。但是金屬結(jié)合劑超硬磨料通常自銳性差，難修整和易燒傷工件。此外性能優(yōu)越的金屬結(jié)合劑超硬砂輪使用的Co粉價(jià)格高。其他類型的金屬結(jié)合劑對金剛石的把持力不高。針對金屬結(jié)合劑的上述缺點(diǎn)國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞鐵取代鈷及其預(yù)合金化、提高結(jié)合劑與金剛石磨料的把持力和提高金屬結(jié)合劑的自銳性展開研究。目前提高把持力成熟的方法主要有在結(jié)合劑中加入強(qiáng)碳化物形成原料降低結(jié)合劑和金剛石的高溫潤濕性能；通過電鍍、化學(xué)鍍、真空微蒸發(fā)鍍的方法在金剛石表面形成活性金屬或合金鍍層；金剛石表面圖案化處理。提高金屬結(jié)合劑金剛石磨具自銳性的方法主要是增加胎體內(nèi)部的氣孔和加入硬脆性材料。其中氣孔會降低砂輪的穩(wěn)定性[1]。

同時(shí)一種與金屬結(jié)合劑和金剛石形成良好界面的脆性材料是提高金屬結(jié)合劑金剛石砂輪磨削性能的重要途徑。陶瓷結(jié)合劑因容屑性能好，不易堵塞、切削鋒利以及膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)而日益廣泛得到應(yīng)用。金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石磨具是由金剛石、玻璃結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑組成的復(fù)合材料。該磨具既具有陶瓷磨具自銳性高、磨削效率高和易修正的特點(diǎn)，還保留了金屬結(jié)合劑高強(qiáng)度、高硬度高韌性和壽命長的特點(diǎn)。因此可以廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體、硬質(zhì)合金以及復(fù)合材料而擁有廣闊的前景。多年來國內(nèi)外學(xué)者研究開展了大量關(guān)于金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石磨具的研究，但時(shí)至今日，仍然有大量的研究領(lǐng)域需要大家努力。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑典型制造方法

盡管超硬磨料用金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但在金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑制備方法方面并沒有太多的途徑，尤其是和金屬結(jié)合劑相比，一些體系配方確實(shí)在制備均勻分布的結(jié)合劑方面存在很大的困難。目前金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑的制備方法大致可以分為物理方法和化學(xué)方法?，F(xiàn)在使用最多的物理方法是：首先通過高溫熔融、水淬、干燥、研磨等工藝制備陶瓷結(jié)合劑，隨后將金屬粉末于陶瓷結(jié)合劑通過球磨混合。目前球磨工藝主要有干式球磨和濕式球磨。此外在陶瓷粉末表面引進(jìn)金屬組分的另一種物理方法是物理氣相沉積法。該方法是通過真空蒸發(fā)鍍，磁控濺射鍍等，在陶瓷結(jié)合劑表面鍍覆金屬或合金。

化學(xué)方法更容易被接受，因?yàn)橹恍枰淖兒铣蓷l件就能制備性能和形態(tài)差異極大的原材料。目前溶膠-凝膠法已經(jīng)逐漸的引起人們的注意。簡單地說，溶膠-凝膠法指的是從溶液中制備固體材料，在溶液中固體相和液體相，達(dá)到分子級混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該方法能夠在低溫下快速反應(yīng)并在高表面積的金屬相表面合成均勻分布的陶瓷結(jié)合劑。和機(jī)械混合法制備金屬-陶瓷結(jié)合劑相比，溶膠-凝膠法制備金屬-陶瓷結(jié)合劑有一些優(yōu)勢，例如在低溫下制備，混合更均勻甚至通過控制反應(yīng)條件就可以制備不同性質(zhì)的陶瓷結(jié)合劑。此外溶膠-凝膠法制備金屬-陶瓷結(jié)合劑有助于實(shí)現(xiàn)微米甚至納米超硬磨料的均勻分散。

2.2 陶瓷基金屬-陶瓷復(fù)合胎體種類

燒結(jié)金屬結(jié)合劑的超硬制品當(dāng)中常用的金屬元素主要有：Fe、Ni、Co、Cu、Sn、Mn、Al、Zn、Cr、W、Ti等。粘結(jié)金屬粉末燒結(jié)后能夠很好的固結(jié)金剛石，防止其過早脫落，同時(shí)改善陶瓷結(jié)合劑的脆性，增加陶瓷結(jié)合劑的韌性，常用金屬粘結(jié)劑的性能參數(shù)如表1所示。粘結(jié)金屬混合粉在燒結(jié)過程中，能通過出現(xiàn)的液相和擴(kuò)散作用進(jìn)行合金化。通過合成的固溶體、化合物和中間相，使金屬和金剛石發(fā)生粘結(jié)作用。

表1 主要粘結(jié)金屬的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of main metal bonding materials

銅在結(jié)合劑中有著易成型，壓坯不易脫落，通過添加微量元素增加銅對碳材料的潤濕性和易與Sn、Zn、Mn、Ni等合金化等優(yōu)點(diǎn)陶瓷基金屬-陶瓷復(fù)合胎體以陶瓷結(jié)合劑為主體金屬結(jié)合劑作為添加相。目前金屬結(jié)合劑常用的Cu基胎體主要為青銅和黃銅等,主要以花崗巖、軟質(zhì)花崗巖為加工對象。金屬Cu粉末加入陶瓷胎體對結(jié)合劑流動性的影響較小。適當(dāng)?shù)募尤隒u粉可以提高結(jié)合劑的強(qiáng)度，過多的加入將會使強(qiáng)度降低。砂輪中添加適量的金屬Cu粉可以改善加工工件表面的粗糙度，可以改善陶瓷結(jié)合劑使用過程中的崩邊問題。工件的表面粗糙度隨著金屬粉末添加量的增大而改善。Li Q等研究對比金屬銅粉和金屬鋅粉對陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的影響規(guī)律。研究表明4%的金屬銅粉或鋅粉的添加量能夠降低結(jié)合劑的耐火度和增加結(jié)合劑對金剛石的潤濕性[2]。此外與金屬鋅粉相比，金屬銅粉的添加能夠使結(jié)合劑有更高的彎曲強(qiáng)度(達(dá)到60.35 MPa)。銅粉能夠更好地保護(hù)陶瓷結(jié)合劑中金剛石磨料。Feng D等研究金屬銅粉對陶瓷結(jié)合劑的影響，其研究表明當(dāng)金屬銅粉的添加量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑使得陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的熱導(dǎo)率增加62.1%，其彎曲強(qiáng)度增加16.1%[3]。

Fe基金屬結(jié)合劑以鐵為主要成分，常常摻雜有Sn、Zn、Co等成分，該類結(jié)合劑的性能與Co基類似，其自銳性比Co基要差，該結(jié)合劑主要用于紅色硬花崗巖的加工。金屬鐵粉作為粘結(jié)劑時(shí)通過與金剛石形成滲碳體以及與其他元素合金化強(qiáng)化胎體。與其他金屬胎體相比，F(xiàn)e粉價(jià)格低廉，與金剛石有較好的潤濕性線膨脹系數(shù)低，可以防止裂紋出現(xiàn)。鐵基粘結(jié)劑的力學(xué)性能要高于銅基和鋁基。鐵基金屬-陶瓷結(jié)合劑的耐火度隨著Fe粉的加入量的增加而增加[4]。

Co基結(jié)合劑被廣泛的應(yīng)用于高品級金剛石制品當(dāng)中，在所有的金屬當(dāng)中，Co與金剛石的潤濕性是最好的，Co粉具有很好的低溫粘結(jié)強(qiáng)度，能夠?qū)饎偸纬珊芎玫蔫偳赌芰?，并具有很好的高溫性能。馬加加等人研究了Co對鐵基金屬陶瓷結(jié)合劑的影響。其研究表明隨著Co加入量的增加。其抗沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都分別隨著鈷粉加入量的增加而減小，但是當(dāng)其加入量超過20%時(shí)，會對耐火度產(chǎn)生明顯影響，結(jié)合劑的彎曲強(qiáng)度將降低。此外，鈷粉的加入能夠細(xì)化鐵基金屬-陶瓷胎體中陶瓷的晶相，發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化的作用并提高其抗彎強(qiáng)度[5]。Sun X等人研究金屬Co粉加入對陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼復(fù)合材料的影響。其研究結(jié)果表明金屬Co粉的加入有助于提高陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)和降低結(jié)合劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。此外金屬Co粉的添加有益于調(diào)高結(jié)合劑的彎曲強(qiáng)度。金屬Co粉除可以提高胎體的耐火度和熱膨脹系數(shù)外，還可以降低結(jié)合劑的流動性并因形成Co-CoO-陶瓷結(jié)合劑的化學(xué)結(jié)合而增大該胎體的抗彎強(qiáng)度[6]。

金屬鋁是性能優(yōu)異的輕金屬，是良好的脫氧劑，少量鋁粉的添加，形成彌散分布的Al2O3提高制品的質(zhì)量。鋁基粘結(jié)劑是廉價(jià)節(jié)能的粘結(jié)劑，綜合指標(biāo)不低于銅基結(jié)合劑。鐵基金屬-陶瓷結(jié)合劑的耐火度隨著鋁粉加入量的增大而減小[4]。金屬鋁粉的加入，使陶瓷結(jié)合劑的耐火度得到提高，流動性降低。當(dāng)鋁粉加入量為10%時(shí)，結(jié)合劑的耐火度出現(xiàn)最大值，流動性最小。鋁粉的加入使磨具的致密度提高，增強(qiáng)結(jié)合劑對磨粒的把持力[7]。

鐵族元素(Ni、Co、鐵)是金剛石合成的觸媒材料，對金剛石有很好的親和性，所以常被用來作為陶瓷-金屬胎體的添加物。在金剛石工具的粘結(jié)劑中，Ni是不可缺少的元素，在Cu基合金中加入Ni可以強(qiáng)化胎體，抑制低熔點(diǎn)金屬流失，增加韌性和耐磨性。在陶瓷結(jié)合劑中，Ni粉的加入量較少時(shí)，有助于降低結(jié)合劑的耐火度和高溫黏度，提高流動性，而Ni粉的加入量超過一定量以后，又會使結(jié)合劑的耐火度和高溫黏度增加，降低結(jié)合劑的流動性。由于金屬Ni煅燒后出現(xiàn)高膨脹系數(shù)的NiO、Ni相，導(dǎo)致膨脹系數(shù)增加。當(dāng)金屬Ni均勻分布于玻璃相中時(shí)，有韌性的金屬Ni顆粒在結(jié)合劑中起到彌散強(qiáng)化的作用，可以阻止裂紋的擴(kuò)展[8]。程利霞等研究了Ni的添加對在強(qiáng)磁場領(lǐng)域下燒結(jié)制備的cBN陶瓷結(jié)合劑的性能影響。結(jié)果表明Ni的添加不會對陶瓷結(jié)合劑的耐火度產(chǎn)生影響，但其改善了結(jié)合劑的流動性和彎曲強(qiáng)度。當(dāng)Ni的添加量為16%時(shí)，陶瓷結(jié)合劑的流動性最好，達(dá)到109.2%。當(dāng)Ni的添加量為12%時(shí)，彎曲強(qiáng)度最高為87.05 MPa[9]。此外Ni的添加不會改善cBN陶瓷結(jié)合劑復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度。強(qiáng)磁場能夠加速Ni在陶瓷結(jié)合劑的擴(kuò)散并形成新物質(zhì)，能夠增強(qiáng)該復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。主要原因是強(qiáng)磁場能夠阻止非磁性材料和鐵磁材料的增長實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。在強(qiáng)磁性條件下燒結(jié)制備的復(fù)合材料內(nèi)部分布?xì)饪锥酁閳A柱形氣孔且分布均勻[8]。

金屬鈦是易氧化難還原的強(qiáng)碳化物形成元素。金屬鈦元素和氧有很好的親和性，鈦粉的加入可以與氧氣反應(yīng)生成能夠進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的TiO2而不生成TiC。研究表明鈦粉與玻璃料的復(fù)合胎體可以改善玻璃料胎體的膨脹性能和抗彎性能。為確保金剛石制品在高溫?zé)Y(jié)后制備樣品的穩(wěn)定性和對金剛石高的把持性，Zhang X H等向陶瓷結(jié)合劑金剛石復(fù)合材料中添加Ti粉阻止金剛石的氧化。其研究表明因金剛石氧化而導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)增加和彎曲強(qiáng)度降低的問題得到改善。結(jié)果證實(shí)6%的鈦粉添加量能夠取得最小的熱膨脹系數(shù)以及100.54 MPa的彎曲強(qiáng)度[10]。Chuang T K等研究表明當(dāng)納米鈦粉的添加量低于20%時(shí)，燒結(jié)制備生成的TiO2溶劑進(jìn)入玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。當(dāng)納米鈦粉的添加量為30%以上時(shí)TiO2的生成將會導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化，并使加工工件的表面粗糙度增加[11]。

金屬鉻粉是一種強(qiáng)碳化物形成元素，有很廣的應(yīng)用范圍。在金剛石圓鋸片胎體中加入鉻，可以起到消聲作用。在燒結(jié)過程中,鉻粉和金剛石反應(yīng)形成Cr3C2和Cr7C3，可以增強(qiáng)對金剛石的潤濕性。余諾婷等研究金屬鉻-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑的性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)械合金化制備金屬和陶瓷混合均勻的復(fù)合結(jié)合劑，且當(dāng)金屬鉻粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，陶瓷粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，在700 ℃煅燒后樣條的彎曲強(qiáng)度最高且為187 MPa[12]。

2.3 其他金屬氧化物或氮化物對陶瓷結(jié)合劑性能的影響

Shang Y等研究AlN的添加對cBN陶瓷磨具的性能影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)當(dāng)AlN添加量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%升高至8%時(shí)，陶瓷結(jié)合劑的熱導(dǎo)率由0.74 W/m·K升高至1.44 W/m·K。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)6%的AlN添加量可取得彎曲強(qiáng)度為66.35 MPa和最小的熱膨脹系數(shù)。研究表明裂紋偏轉(zhuǎn)是該復(fù)合材料強(qiáng)度增高的主要強(qiáng)化機(jī)制[13]。Xia P等研究表明納米氮化鋁能夠使低溫陶瓷結(jié)合劑磨具的的彎曲強(qiáng)度和耐磨性得到提高。并且納米氮化鋁的 添加可以通過燒結(jié)過程中的晶粒析出實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化的目的[14]。Zhao B等研究莫來石對陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的機(jī)械性能的影響。研究表明莫來石的添加提高了陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的彎曲強(qiáng)度和耐腐蝕性[15]。

Zhao B等研究聚晶莫來石纖維對陶瓷結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑cBN磨具的影響。其研究表明聚晶莫來石纖維的添加可以增強(qiáng)結(jié)合劑的孔隙率并減少結(jié)合劑的流動性。此外在優(yōu)化的燒結(jié)溫度下多晶莫來石纖維能夠使得結(jié)合劑的機(jī)械性能提高21.2%，而且該添加量使得結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)由6.256×10-6K-1降低至4.805×10-6K-1。其主要斷裂機(jī)理為纖維拔出，纖維僑聯(lián)和斷裂[16]。Han J等研究WO3對陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的性能和結(jié)構(gòu)的影響，研究表明WO3添加量有助于[BO4]向[BO3]轉(zhuǎn)變并增加CaWO4相的含量。WO3添加可以將陶瓷結(jié)合劑的彎曲強(qiáng)度增加至114 MPa，并使金剛石和結(jié)合劑取得好的潤濕性[17]。Qie Li等對比了稀土氧化物CeO2和Y2O3對陶瓷金剛石復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)該稀土氧化物能夠改善陶瓷金剛石復(fù)合材料的性能。稀土氧化物的加入提高了該復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和熱導(dǎo)率。當(dāng)CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，102.5 MPa的彎曲強(qiáng)度和4.37 W/m-1·K-1的熱導(dǎo)率均優(yōu)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的Y2O3添加量[18]。

3 存在的不足及擬解決措施

通過對金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石磨具國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析可知，金屬結(jié)合劑對陶瓷結(jié)合劑的性能影響方面的表征和制備工藝方面存在明顯的不足，概括如下：

(1)沒有找到準(zhǔn)確的復(fù)合結(jié)合劑使用性能表征方法，沒有科學(xué)系統(tǒng)的表征參數(shù)，主要采用強(qiáng)度、硬度、熱膨脹系數(shù)、耐磨性和沖擊韌性等表征手段。對于出刃高度、磨耗比和把持力等關(guān)鍵使用指標(biāo)缺乏表征。

(2)制備工藝單一，多為機(jī)械球磨法制備混合粉末，對于前沿的制備方法缺少研究，例如噴霧造粒法和溶膠-凝膠法。制備的復(fù)合胎體用金剛石磨具多為粗粒度金剛石。對于10μm細(xì)金剛石在復(fù)合粉末的研究嚴(yán)重缺乏研究。此外，復(fù)合結(jié)合劑中金屬粉末多為單一粉末，對于預(yù)合金粉末、粉末預(yù)處理等可以優(yōu)化金剛石工具使用性能研究較少。多種金屬粉末共同燒結(jié)是金屬結(jié)合劑金剛石磨具常用的方法，但在復(fù)合結(jié)合劑制備當(dāng)中，多種單質(zhì)粉末共同添加的復(fù)合結(jié)合劑的研究更為稀少。

(3)迄今為止，市場上金剛石工具的胎體仍然以分開使用的金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑為主。復(fù)合結(jié)合劑的實(shí)際應(yīng)用幾乎為零。從大量研究看出復(fù)合結(jié)合劑取代當(dāng)前使用的結(jié)合劑的可能性很大，但仍然有很大的困難存在。

總之，金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石磨具的研究已經(jīng)具有很好的研究基礎(chǔ)，需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究工作，不久的將來，復(fù)合結(jié)合劑金剛石工具的牌號將會建立起來。