近日，有读者向小编反映，是否有有关结合剂的文章，在小编的努力下，终于寻得此文，希望对大家有所裨益！
作者/邹文俊，陈功武，宋城，彭进
摘要：金属结合剂超硬磨具广泛应用于石材、陶瓷和硬质合金的加工领域。介绍了目前常用的钴、铜、铁基等纯金属结合剂的特点、类型和力学性能。分析了不同添加物对金属–陶瓷复合结合剂性能的影响。重点阐述了近些年发展起来的金属–树脂复合结合剂的发展状况及趋势。最后提出了金属基复合结合剂发展中存在的问题。
金属结合剂超硬磨具是以金刚石或ＣＢＮ为磨料，用金属结合剂将其固结成具有一定形状的整体结构。金属结合剂是超硬磨具重要结构组成之一，金属结合剂的性能对磨具的性能有决定性的影响，因此，国内外学者都致力于对结合剂的研究。
目前，对于大进给的加工条件、用于抛光的细粒度磨料是不能采用金属作为结合剂的。可以说，传统的金属结合剂磨具无法完全满足工业加工的需求。为此，金属结合剂正向着复合结合剂的方向发展，衍生出了包括金属–陶瓷和金属–树脂等种类的复合结合剂。另外，随着科技的进步，越来越多的新型制备工艺正运用到金刚石磨具的生产上。
１金属结合剂的成分及性能
在金属结合剂中其组成成分不同，结合剂及相应磨具的结构及性能有很大变化。因此，国内外学者对金属结合剂中元素及合金的种类及加入比例等因素对结合剂及磨具性能的影响，进行了广泛的研究。
按照金属结合剂的金属元素及合金成分的不同，将其分为铜基、钴基、铁基、钛基结合剂等。过渡族元素是运用最广泛的金属结合剂类型。
１.１铜基结合剂
以Ｃｕ为主要成分的铜基结合剂是最早研究的结合剂类型，具有韧性好、强度适中、烧结温度低的特点。Ｃｕ的原子轨道结构的特点使得Ｃｕ和Ｃ之间没有相互作用，导致铜基结合剂对金刚石的把持力仅仅是机械镶嵌而没有化学键合。但加入其他合金元素，就可以改善Ｃｕ与金刚石的界面结合状况。纯Ｃｕ对金刚石的把持力要弱于Ｃｕ－Ｓｎ结合剂，Ｃｕ７５Ｓｎ１５Ｔｉ１０结合剂的把持力要强于前两种结合剂。ＬＩＮＣＳ等研究了Ｃｕ、Ｃｕ－Ｓｎ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ等体系的金刚石磨具自锐性的方法。结果表明：在铜基结合剂中，
添加合金元素会改善基体的机械性能和Ｃｕ与金刚石的界面结合状况，即磨具自锐性的两个决定性因素。
常用的铜基结合剂有Ｃｕ－Ｆｅ－Ｃｏ、Ｃｕ－Ｓｎ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｐｂ、Ｃｕ－Ａｌ－Ｍｇ等体系。Ｓｎ、Ｚｎ等低熔点金属的存在，不仅可以活化烧结、降低烧结温度，还可以使基体致密化，提高其硬度。加入Ｗ、ＷＣ等骨架材料，可以调节基体和磨具的硬度和耐磨性，使之与金刚石的磨损速率相匹配。ＨＡＮＰ等人研究了烧结温度对质量分数分别为７５％Ｃｕ、２５％Ｓｎ结合剂微观结构和性能的影响。结果显示：烧结温度为４２１℃时，胎体的致密度达到８８.４％。当烧结温度从４２０℃升高到５２０℃时，胎体的致密度、硬度和抗弯强度分别提升了２.２％、２６.２％和１６.６％。
根据Ｃｕ－Ｐ合金相图，当磷含量为１５.７％时，合金会在７１４℃发生共晶反应。因此，在铜基结合剂中引入与之发生合金化的磷元素，可以显著降低结合剂的烧结温度，而不引起结合剂性能的降低。最重要的是降低烧结温度，可以使金刚石避免碳化而影响性能。在Ｃｕ－Ｐ合金的基础上，添加适量的Ｓｎ，形成Ｃｕ－１６Ｓｎ－８Ｐ合金。此时它的熔点为６５３℃，比共晶Ｃｕ－Ｐ合金要低约８５℃。
由于铜原子电子结构的特性，铜基结合剂和金刚石的结合强度不可能达到非常可观的程度。但后来钴基结合剂的出现，弥补了铜基结合剂对金刚石把持不牢的不足。
１.２钴基结合剂
Ｃｏ是广泛应用于烧结金刚石磨具的结合剂，钴基结合剂的硬度高、韧性好、化学相容性好、烧结温度低、磨损性能优越。Ｃｏ原子的价层ｄ轨道的电子数不满十个，能与Ｃ原子发生较强烈的作用。因此，Ｃｏ是良好的碳化物形成元素。在热压温度为７００～８００℃，压力３５ＭＮ／ｍ２的工艺条件下，通过ＳＥＭ、ＥＤＳ和ＡＵＧＥＲ检测显示，试样中Ｃｏ和金刚石的界面上不仅有Ｃｏ的碳化物，还有石墨，α－Ｃｏ，以及Ｃ在Ｃｏ中的固溶体。这说明Ｃｏ与金刚石的界面的结合方式不仅有物理镶嵌还有化学键合的作用，这就大大提高了结合剂对金刚石的把持力。
在含钴的金属结合剂金刚石磨具中，钴起着十分重要的作用。它可以适度的降低结合剂的耐磨性，使金刚石保持较大的出刃高度，保证了磨具的锋利度。钴的存在，还能够使磨具的变形性得到改善。防止在加工过程中，由于磨具的变形而导致金刚石脱落。在使用镀膜金刚石的磨具中，钴基结合剂也表现出比较优越的黏结性能。刘雄飞等人采用横向断裂实验，研究了Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ等三种体系的结合剂和镀膜金刚石之间的结合力。研究结果表明：在钴基试样中，含有镀Ｍｏ金刚石试样的横向断裂强度，要高于铁基和镍基结合剂。钴还可以用于硬质合金的黏结剂，通常根据具体的需求，将Ｃｏ、ＷＣ按照质量分数为１０％的Ｃｏ和９０％的ＷＣ，或者６％的Ｃｏ和９４％的ＷＣ混合后进行烧结，来实现切削用途。
通常情况下，钴基结合剂主要用于地质、岩石钻头等对磨具性能要求很高的领域。但由于钴的价格比较昂贵且具有毒性，从节约成本和绿色环保的角度来考虑，它并不适合作为金属结合剂的主要成分。因此，目前研究者致力于制备高性能的低钴、无钴结合剂磨具。
１.３铁基结合剂
铁基结合剂是一种有潜力去替代钴基的结合剂。行业使用铁粉的种类有许多种，有生产工艺简单、成本低的还原铁粉和制造高性能磨具大多使用的羰基铁粉。铁与其他金属形成合金，会使胎体性能大幅度提升，甚至可以与钴基结合剂相媲美。
常用的铁基结合剂体系有：Ｆｅ－Ｃｕ－Ｓｎ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ等。ＤＥＬＶＭ等人制备了Ｆｅ－Ｃｕ－Ｃｏ结合剂。该结合剂在热压烧结的工艺下，达到完全致密化的温度要比钴低１５０℃，大大减少了能源的消耗。
铁基结合剂的性能对烧结温度比较敏感，极易造成欠烧或过烧而侵蚀金刚石。陈霞研究了金刚石圆锯片用铁基结合剂（含Ｆｅ质量分数为４５％，Ｃｕ－Ｓｎ为３０％）的力学性能和微观结构。实验结果表明：在８４０℃时烧结的节块中，金刚石晶型完整，几乎没有被侵蚀。然而在９００℃下烧结后，节块中金刚石的晶面和晶棱都受到了严重的侵蚀，胎体和金刚石的结合不牢。结果表明铁基结合剂的烧结温度范围很窄。铁基结合剂适用于对加工要求不高的情况。由于Ｃ在奥氏体中的溶解度相当大，在烧结时，铁容易蚀刻金刚石，导致烧结工艺对结合剂胎体的性能影响极大。诸多的因素限制了铁基结合剂的应用。
金属结合剂有着诸如强度高、耐磨性好等优点，但其最大的缺点在于自锐性差、修整性不好。导致磨损时，金属结合剂磨具大量的消耗在修整过程中。
２金属结合剂的改性
金属结合剂经过几十年的发展，逐步形成了多体系、多用途的格局，但金属材料的特性导致金属结合剂自锐性差，不锋利。用陶瓷、树脂等材料与金属进行复合，能够使金属结合剂的性能得到很大程度的改变，这种改变可以扩大金属结合剂的应用范围，使工具与加工条件更加匹配。
２.１金属–陶瓷复合结合剂
金属–陶瓷复合结合剂是利用不同尺寸的颗粒对基体材料进行弥散强化及颗粒增强。目前，以陶瓷为基体，金属材料为增强相的复合材料在金刚石磨具上的应用比较多，主要用于加工陶瓷、硬质合金等材料。例如，用ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３系陶瓷结合剂与ＣｕＳｎ合金进行复合，对结合剂进行增韧改性。在结合剂中加入金属粉和合金粉，来改善结合剂的组织、热膨胀性能、耐火度和机械性能等。
在金属结合剂中引入氧化物、碳化物、硼化物等陶瓷材料，可以改善金属结合剂自锐性差、不锋利的缺点。柏教林等在磨蓝宝石金刚石磨具的金属结合剂中，加入ＺｎＯ–ＰｂＯ–Ｂ２Ｏ３系陶瓷材料，以提高磨具的自砺性。发现磨具试样的磨损量同陶瓷增砺料的含量呈正比关系，即通过加入陶瓷材料可以对磨具的自砺性进行可控性的调节。
在金属结合剂中引入陶瓷材料可以提高结合剂的耐磨性。ＯＬＩＶＥＩＲＡＬＪ等研究了ＳｉＣ对ＦｅＣｕ系金属结合剂性能的影响，通过加入质量分数为１％，粒度分别为８μｍ和２３μｍ的ＳｉＣ颗粒，不仅仅使结合剂的硬度提升１４％，同时使得结合剂更加耐磨。ＷＡＮＧＹＨ等人研究了ＳｉＣ增强Ｆｅ－Ｃｕ－Ｓｎ胎体合金的性能，采用不同粒度的碳化硅进行镀钛处理，随后将其与质量分数为６５％的Ｆｅ，３０％的Ｃｕ和５％的Ｓｎ混合，在８２０℃、９０ＭＰａ下热压烧结２ｍｉｎ。在对试样进行摩擦磨损性能测试时发现，在合金中引入ＳｉＣ，能提高试样的耐磨性。在粒度相同时，镀钛ＳｉＣ的试样耐磨性要高于未镀钛处理的试样。在效果最佳的组分中，对ＳｉＣ进行镀钛处理，能使试样的失重量从０.２５％下降到０.１５％。并且含不同粒度ＳｉＣ的试样耐磨性也有较大的差别。
采用金属–陶瓷复合的方式，还可以提高结合剂的强度。马毅龙等采用共沉淀的方法制备了Ｙ２Ｏ３弥散强化的铁粉，并将其制成Ｆｅ基结合剂样条。通过比较发现，Ｙ２Ｏ３弥散强化的铁粉样条的机械性能，明显优于纯铁粉试样。这是因为Ｙ２Ｏ３基体中尺寸小而分散性好，对材料起到弥散强化的作用。毕晓勤等研究了硬质材料ＷＣ对铜基锯片结合剂力学性能的影响。结果显示：在５８０℃和６８０℃的烧结温度下，含ＷＣ质量分数为９％的试样强度均高于含ＷＣ质量分数为３％的试样。邹文俊等研究了Ｖ２Ｏ５和稀土氧化物ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３对ＣｏＣｕＳｎＦｅ系结合剂的机械性能的影响。发现Ｌａ２Ｏ３质量分数为０.６％时，结合剂试样的强度较基础配方可提高２８％。陶瓷材料增强金属基结合剂最常用的方法就是弥散强化，利用金属在自身内部氧化、化学沉淀、机械合金化等方法都可以实现胎体材料的强化。
２.２金属–树脂复合结合剂
金属–树脂复合结合剂能够实现金属和树脂性能上的取长补短，产生协同效应，其综合性能要优于单一的金属或者树脂结合剂。
陈锋等人研究了铜粉以及铜锡合金粉对树脂超硬制品性能的影响。发现添加铜粉和铜锡合金粉对制品性能的影响是不一样的，制品中添加铜锡合金粉要比添加铜粉的耐磨性好，因为铜锡合金的硬度要高于铜粉。并且不同成分、粒度的铜锡合金粉对制品性能的影响也是不一样的。ＬＵＯＳＹ研究了Ｃｕ、ＳｉＣ、Ｃ（石墨）等添加物对树脂结合剂把持力及耐磨性的影响，其试样的微观结构如图１所示，白色颗粒状物质为铜粉，呈分散状分布在树脂基体中。通过对摩擦性能的研究，发现含不同添加物的试样中，金刚石的脱落方式也不尽相同。试样中添加质量分数为３０％～４０％的铜粉，磨损面上的金刚石多为破碎状，拔出坑较少。这说明铜粉的添加，会增强基体对金刚石的把持力。
专利报道了一种金属树脂复合型结合剂，使用质量分数为２０％～５０％，耐热温度４５０℃的高温聚酰亚胺树脂粉，与质量分数为１０％～３０％的Ｃｕ、２０％～５０％Ｓｎ、５％～２０％Ｚｎ、５％～１０％Ｐ、１％～７％Ｐｂ混料后，在２５０℃下固化１０～１６ｈ，制备金属–树脂复合型结合剂。重负荷强力磨削的单程切深可达６ｍｍ，综合经济效益可提高１００％以上。
金属–树脂复合结合剂的结构类型还有另外一种，即树脂和金属各自形成连续的相，并且两相相互交错穿插，形成三维互穿网络结构。这种结构的金属–树脂复合型结合剂既具有金属结合剂强度高、耐热导热性好、使用寿命长、型面保持性好的特点，又保留了树脂结合剂锋利、出刃好、磨损性能好的优点。研究表明：金属–树脂复合结合剂的三维网络结构，有利于磨具的修锐。将修整后的磨具进行电解修锐，电解过程中，砂轮表层的铜被腐蚀掉，树脂结合剂和金刚石磨粒不受电解作用影响而保持修整后的原状，在砂轮表层形成气孔。电解调整后，砂轮的内部保持了树脂–金属复合结合剂砂轮的组织结构，而砂轮的表层则是有气孔的树脂结合剂砂轮的组织结构。ＭＡＲＫＵＳＦ公布了一项适用于脆硬材料加工的磨具，如天然或人造石材、硬质合金、陶瓷等。采用Ｃｕ７０Ｓｎ３０铜锡合金粉与高温聚酰亚胺树脂粉按照３∶２的体积比进行复合，于３７０℃下热压烧结２０ｍｉｎ。其中，金属在复合烧结体中形成了连续的三维网状分布，起到了骨架的作用，提高了磨具的强度。而树脂的弹性好，在磨料切入工件表面时产生阻尼震动，能够提高工件表面的光洁度。有专利研究了一种用于硬质合金湿磨的金属–树脂复合结合剂磨具，提供了一种复合结合剂的配方：体积分数为１８.４％的聚酰亚胺树脂粉、２７.４％的Ｃｕ、２７.４％的Ｓｎ以及２６.８％的金刚石磨料，并在３５０℃下热压一定时间。制得的产品具有金属和树脂结合剂耐热导热性好、强度高、耐磨性好的综合性能。
在一定的工况下，加工工艺很大程度决定于结合剂的性能，比如树脂磨具耐热性差，因此适合硬质合金的湿磨。ＢＲＵＳＣＨＥＫＤＫ发明一种可用于干磨加工的金属树脂结合剂金刚石磨具，将体积分数为５％～６５％的金属粉和１０％～７５％的树脂粉混合后，在２００℃和４５０℃下烧结，制备的磨具磨削性能良好。笔者所在的课题组同样进行了相关的研究，采用Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ等金属粉以及酚醛树脂粉作为制备复合结合剂的材料。在４６０℃下热压烧结１ｍｉｎ，胎体的强度达到１４５.５ＭＰａ，硬度达到１０２.１ＨＲＢ。
３磨具制备工艺的改进
磨具的制造工艺对磨具的性能及适用范围有很大的影响，一些特殊用途磨具的制造就不能采用常规的工艺。对磨具制造工艺进行改进和革新，是获得高性能磨具的途径之一。
李国平等采用置换反应，在铁粉表面包覆一层很薄的铜粉，并以该铜包铁粉作为胎体材料的主要成分。分别配制了４组含质量分数分别为２５％、４０％、５０％、６０％的铜包铁粉结合剂，在７５０～８５０℃下热压烧结成刀头，并制成１６００ｍｍ的锯片。通过锯切实验表明：刀头锋利，耐磨性适中，并且胎体对金刚石的把持力较好。ＢＲＵＳＣＨＥＫＤＫ等人公布的一项专利可解决磨具的磨削层与非磨削层黏结不牢的问题，摒弃了常规的将磨削层黏接在基体上的方法，而是用基体–工作层共模成型的方法，制备金刚石砂轮。其基体层的成分有体积分数为７０％～１００％的塑性金属粉、０％～３０％的聚酰亚胺树脂粉，磨削层的成分为体积分数０％～７０％的塑性金属粉、３０％～１００％的聚酰亚胺树脂粉。最终烧结温度为３５０～５００℃，保温一定时间后，冷却取出，制备出具有牢固界面的整体结构复合型结合剂磨具，大大提高了磨削层和基体之间的黏结力。
在树脂中添加导电性优良的金属粉如铜粉、银粉等制备出复合型结合剂，可以大大提高磨具的导电性能。有些特殊加工条件，要求树脂金刚石磨具具有良好的导电性。比如硬质合金的电解磨削加工，可以采用树脂–金属复合结合剂磨具来提高导电性。高涛等在研究光固化树脂金刚石超薄锯片的导电性能时发现，在以普通金刚石为磨料的切割片中添加质量分数为０％～２５％的Ｃｕ时，仍然不能有效提高锯片的导电性。然而，在以镀铜金刚石为磨料的锯片中添加铜粉为１０％时，锯片的电阻率从１.８０Ω·ｃｍ左右下降到０.７５Ω·ｃｍ，大大提高了锯片的电导率。
４发展趋势
金属结合剂未来的发展趋势是高端化、不同用途的磨具选择的金属结合剂更加精细化，在提高结合剂性能的同时使磨具能够适应更多材料的加工。以金属为基体的复合。型结合剂是金属结合剂的一大发展趋势。到目前为止，金属基复合结合剂的发展仍然很缓慢，研究过程中出现了几个方面的问题：
（１）复合材料结构的设计。从微观结构上看，金属基复合结合剂的结构类型主要有两类。目前的研究领域主要集中在对金属基体进行颗粒增强和弥散强化的领域，对于三维网络结构型复合结合剂的研究还不够深入。
（２）复合结合剂的界面。复合材料由基体、增强相和两者之间的界面组成，复合材料的界面是基体和增强相之间很薄的边界，是影响复合材料强度、韧性和材料断裂行为的首要因素。当前的研究主要集中在添加物对结合剂机械性能的影响上，而缺乏对复合结合剂界面的研究。
（３）复合结合剂的工艺匹配。虽然低熔点合金有着广泛的应用，但是硬度低、强度低的问题限制了它在金刚石磨具行业的应用。因此，金属结合剂的烧结温度一直居高不下。耐高温树脂虽然经历了几十年的快速发展，相对于金属材料，它的耐热温度还是比较低的。二者的差异是限制金属–树脂复合材料的首要因素。对于金属陶瓷复合结合剂，另一个重要的问题是两者线膨胀系数相差较大，如何满足工艺的匹配是研究的难点之一。
虽然金属基复合结合剂的发展还不够成熟，应用也比较局限，但随着研究的不断深入，金属基复合结合剂的应用将会越来越广泛。
（参考文献略）
作者简介
邹文俊，男，１９６１年生，博士，教授。从事有机磨具、涂附磨具、涂附磨具胶黏剂的合成、超硬材料及制品的应用研究。
陈功武，男，１９８８年生，硕士研究生。从事金属结合剂及超硬材料制品的研究。
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往期回顾：
1、日本技术：类金刚石砂轮的开发
2、计算机控制制备金刚石微粉和抛光液及检测技术应用
3、金刚石微粉的生产及应用浅析
4、全面介绍立方氮化硼性质及在磨具方面的应用
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