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金屬結合劑的金剛石工具
2022-09-23 周萌
自20世紀50年代金剛石工具問世至今近70年，金屬結合劑金剛石工具從銅基、鈷基再到鐵基，已發展3代；人造金剛石顆粒也從低品級到高品級，從裸顆粒到涂層顆粒；強化組元從金屬單質發展到碳化鎢、碳化硅再到稀土氧化物等，工具的切削性能不斷提升。但目前的研究多基于“炒菜式”的工藝和配比優化，停留在單一組元的考察或單一工藝參數的優化上，缺乏對復合材料基礎科學問題的研究，對復合材料的成分設計-組織結構-材料性能-使用要求之間未真正建立適用的定性或定量關系，特別是復合材料微觀組織特點與使用性能之間的研究少有涉及，其相關研究鮮有報道。
隨著工業技術的飛速發展，越來越多的難加工材料被廣泛使用，使市場對金剛石工具的使用性能、工作壽命提出了更高的要求。金剛石工具的設計不僅要根據被加工工件的材料性能及加工要求等的不同，考慮金剛石的晶型、粒度和濃度以及結合劑的強度、硬度和耐磨性等，選擇合適的金剛石磨粒和金屬結合劑，更重要的是改善金剛石與結合劑之間的結合狀態，增強兩者間的把持力，使兩者間的磨損實現相互匹配，從而提高工具的切削效率，降低生產和使用成本，延長其使用壽命
金屬結合劑金剛石工具因具有結合強度高、成型性好、使用壽命長，能滿足高速磨削和超精密磨削技術的要求等特征，已成為各種高密度、高硬度和硬脆材料的重要加工工具。相比于樹脂和陶瓷結合劑，金屬結合劑的結合劑強度較高，適合用做鋸切、鉆探、磨削類工具。隨著建材行業的蓬勃發展，各類金剛石磨具消耗量成倍增長，目前用于瓷質磚拋光和磨邊加工的金剛石磨具成為產值僅次于鋸片的第二大金剛石工具品種。
柳文陽等分別采用金屬結合劑金剛石砂輪和樹脂結合劑金剛石砂輪加工 WC-10%Co硬質合金數控刀片，相比之下，金屬結合劑金剛石砂輪磨削的工件可達到同等水平的尺寸一致性、具有更好的表面質量和更高的磨削比（2.7倍），且更具經濟性。蔣志金[43]通過研究發現：青銅基強力砂輪適用于整體硬質合金刀具的精密磨削，在結合劑中添加Si及C,可以改善砂輪的自銳性；規則晶形的金剛石磨粒制成的砂輪磨削力較大且砂輪有較好的形狀保持性，而不規則晶形磨粒制成的砂輪加工后刀具表面細膩且能獲得較好的刃口質量及表面粗糙度。
傳統的金屬結合劑金剛石磨具多采用粉末冶金法制備得到，結合劑組織致密，孔隙率較低，磨具在工作過程中自銳性較差，磨屑易堵塞氣孔或黏附在金剛石和基體表面，導致磨削力增加，磨削溫度升高，最后燒傷工件，且對磨具進行修整修銳比較困難，在一定程度上限制了其應用。為改善磨具的自銳性，常在金屬結合劑中添加陶瓷、造孔劑等對金屬結合劑進行改性，分別形成金屬陶瓷復合結合劑及多孔金屬結合劑，以改善金屬結合劑金剛石磨具的脆性、強度、孔隙率等，進而提高其使用性能。
