2.5　金屬結合劑超硬磨具

以超硬材料金剛石、CBN磨料和金屬結合劑（M）制備的磨具稱為金屬結合劑超硬材料磨具。根據制造工藝方法的不同，可分為燒結金屬結合劑超硬材料磨具、電鍍金屬結合劑超硬材料磨具、單層高溫釬焊超硬材料磨具。燒結金屬結合劑超硬材料磨具是將金屬粉末與超硬磨粒金剛石、CBN混勻經熱壓燒結而成。電鍍金屬結合劑超硬材料磨具是采用電鍍原理將結合劑金屬鍍覆在金屬基體上，將金剛石或CBN磨料把持在鍍層中。單層高溫釬焊超硬材料磨具是用激光、火焰或感應加熱的高溫釬焊方法使磨粒與結合劑金屬經化學冶金反應結合在一起，磨料裸露度可達70％～80％，磨料與結合劑的黏結強度和磨粒鋒利程度高于電鍍金屬磨具。

2.5.1　燒結金屬結合劑超硬材料磨具

金屬結合劑（M）按金屬或合金種類的成分，分為銅基合金結合劑（青銅結合劑最常用）、鈷鎳合金結合劑、鑄鐵纖維結合劑及硬質合金結合劑。

（1）銅基結合劑

銅基結合劑主要有青銅結合劑，是用于金剛石、CBN磨具的結合劑。青銅主要指錫青銅，現在銅與鋁、鈹、硅、錳、鈦、鎂、鉻等元素組成的二元合金元素的銅合金都稱為青銅。銅鋅合金或以鋅為主要合金元素的銅合金，稱為黃銅。銅鎳合金或以鎳為主要合金元素的銅合金稱為白銅。錫青銅是制造金剛石、CBN磨具的主要結合劑材料。以錫青銅為結合劑制造的超硬磨具，強度、硬度高，又有較高的脆性，錫青銅收縮率小，易產生分散性縮孔，能滿足制造形狀復雜且要求有一定氣孔率的磨具，錫青銅導熱性較好，有利于磨具磨削時降低磨削溫度和防止工件表面燒傷。錫青銅結合劑的主體材料是銅、錫、鋅、銀等金屬粉末，占95％以上，有時加入少量的石墨等非金屬材料，加入量不超過5％。

根據磨削加工對象和加工質量要求，青銅結合劑可分為多種，常分為二元合金系、三元合金系及多元合金系。

①二元合金系　二元合金主要是銅錫二元合金。標準錫青銅是Cu81.5Sn18.5。銅錫配比可在較大范圍內變動。例如，Cu80％～90％，Sn20％～10％，外加1％石墨；Cu85Sn15，外加1％石墨；Cu75Sn25，外加1％石墨。

②三元合金系　在Cu-Sn二元合金基礎上，加入第三組分銀（Ag）、鎳（Ni）、鋅（Zn）等，組成三元合金結合劑，如Cu80Sn10Ag10、Cu70Sn25Ag5、Cu73Sn25Pb2等。

③多元合金系　結合劑組分超過三元以上的為多元合金系。銅仍是基礎組分。常加入的金屬有Ni、Co、Ti、Sn、Zn、Pb、Ag等，如Cu88Sn10Zn1Pb1、Cu70Sn10Ag15Ni5、Cu100Sn10-15Zn2Pb2-3（德國配方）。

（2）鈷基結合劑

鈷基結合劑中含有較高的鈷（Co）組分。分為高鈷與中鈷配方。高鈷組分含Co量大于70％。Co的高溫強度和耐磨性極差且易燒結。國內生產高品級金剛石鋸片，含Co量達100％。國內加工硬質花崗巖的高鈷金剛石鋸片所用的配方為Co70％、Cu20％、Sn5％、Mn5％或WC。中鈷配方是為適應加工不同對象和不同加工條件。有多種中鈷含量的多元結合劑配方，如Co60％、Cu5％、Sn5％、Zn3％、Ni10％、Mn8％、Fe9％或WC。其燒結溫度為840～880℃，結合劑硬度為95HRB。

（3）鑄鐵基結合劑

在鑄鐵基配方中，以Fe及WC作為骨架相，燒結時呈固相，調節(jié)Fe/WC的比例，滿足不同加工要求的耐磨性。為增加韌性，添加球墨鑄鐵纖維。鑄鐵纖維結合劑超硬磨料磨具的磨削比比較大，能適合于高速磨削。鐵基結合劑配方為30％～50％的Fe、5％～8％的Sn、20％～30％的Ca、8％～15％的Ni、0～5％的Co、10％～25％的WC。對金剛石磨料鍍鈦合金薄膜，阻止Fe與金剛石的直接接觸，防止Fe對金剛石的親和，增強與結合劑的黏結能力，使磨料不易脫落。

（4）金屬結合劑成分設計

金屬結合劑組分分為骨架材料、黏結金屬，形成碳化物的元素，提高結合劑的力學性能的元素、填充料。

骨架材料是在青銅結合劑、鈷基結合劑中添加WC、Ti等硬質點物質，提高和改善結合劑強度、硬度、耐磨性等性能。在燒結過程中結合劑形成液相（黏結相），硬質點物質起結晶骨架作用，液相將骨架相的孔隙填充達到致密燒結，使燒結制品的強度、硬度、耐磨性滿足把持超硬磨料顆粒的要求，避免出現結合劑不耐磨而造成超硬磨粒過早脫落。硬質點物質用量在20％（質量）以內時，磨具硬度的變化不大。青銅系結合劑中不加硬質點WC、Ti時，抗彎強度為813.4MPa，硬度為14.3HRC，加入WC為15％、Ti為1％時，抗彎強度為1021MPa，硬度為15.0HRC，當加入WC25％、Ti1.5％后，抗彎強度為1527MPa，硬度為23HRC。鈷基系不加WC、Ti，抗彎強度為934MPa，硬度為15.8HRC，加入WC為15％、Ti為1％后，抗彎強度為1227MPa，硬度為16.2HRC，加入WC為25％、Ti為1.5％后，抗彎強度為1527MPa，硬度為24HRC。

黏結金屬應用最廣的是銅基合金。超硬磨料需要在1000℃以下進行燒結。銅基合金熔點能滿足1000℃的要求。其中Sn的熔點較低且能降低合金表面張力，改善黏結金屬對超硬磨料的潤濕作用，降低銅的熔點并起固溶強化作用，所以銅錫合金作為超硬磨具結合劑效果良好。在銅基結合劑中含有銅、錫、鋅、鎳、錳、鈷、鐵、鉛、鋁、鈹、鈦、鉻、鉬等多種金屬元素及石墨、Fe3O4、WC等非金屬添加劑，所以超硬磨具燒結后結合劑中的黏結相不是簡單的青銅或黃銅，而是復雜的多元青銅或白銅。各元素在銅合金中的溶解度不同，能夠無限互溶形成連續(xù)固體。復雜銅合金中各元素的固溶規(guī)律，對燒結超硬磨具性能有重要作用。金屬結合劑中各組成及含量與性能的關系，必須通過對合金相圖分析，了解有關合金的結晶狀況和顯微組織，才能掌握金屬結合劑的相關規(guī)律，用以指導超硬磨具生產。

碳化物形成元素有Cr、Ti、W、Mo等。這些元素可以與超硬磨料形成碳化物，可提高結合劑對金剛石、CBN的黏結強度。

在金屬結合劑配方中加入Co、Ni、Mn、Si、Al等元素，可以提高結合劑的力學性能。配方中加入Co、Ni元素，可提高潤濕性及固溶強化作用，增大結合劑強度和硬度。加入的Mn是弱脫氧劑，Mn與Si、Al一起存在時脫氧能力急劇加強。又因Mn熔點較低（1244℃），易與其他金屬形成低熔點合金。Cu-Ce合金有好的脫氧作用，能提高合金流動性，使制品致密，無針孔縮松等缺陷，可消除低熔點雜質的有害影響，提高力學性能。Pb可提高合金的耐磨性、密實性和耐腐蝕性，減少結合劑與工件的摩擦因數。Si與B的加入，可大幅度降低合金熔點，但也會增加結合劑的脆性。Ag粉的加入可使銅基合金的抗彎強度大幅增加，并提高導電性能。

石墨是青銅結合劑中常用的非金屬填充料，加入石墨可防止磨具變形，降低磨具韌性，減輕青銅結合劑磨削堵塞，在結合劑中起潤滑、造孔、吸氧等有益作用。其加入量為1％～5％。近來國外將石墨制成球形粉末顆粒，將外表面鍍覆一薄層金屬，在燒結時，球形石墨表層金屬與結合劑金屬黏結在一起，防止石墨滑移和黏結能力下降。磨削過程中石墨顆粒所占的空間形成一個微孔，有助于石墨發(fā)揮潤滑作用，改善磨具的磨削性能。結合劑中加入Fe3O4主要是提高結合劑的脆性減少磨具堵塞現象。Fe3O4用量多，會使結合劑強度下降，一般用量為3％～7％（質量）。

（5）燒結理論

燒結是金屬結合劑超硬磨具的重要工序。燒結是指金屬結合劑粉末預壓成形的坯體在一定外界條件和低于結合劑主要組元熔點的燒結溫度下，所發(fā)生粉末顆粒表面減少，孔隙體積降低的過程。燒結溫度一般為金屬粉末熔點溫度Tw的70％～80％。在燒結過程中，發(fā)生添加劑的揮發(fā)、變形顆粒回復與再結晶，結合劑顆粒之間的物質擴散、流動、溶解、化合及進化等一系列物理、化學變化。燒結的結果使粉末顆粒密度增大，強度提高。結合劑預壓坯體在燒結過程中包括升溫過程、在燒結溫度下的保溫過程和降溫冷卻過程。按燒結時物相狀態(tài)分為流相燒結和固相燒結。多數材料的燒結是液相燒結。液相燒結時有流態(tài)的液相，可迅速填充氣孔而達到致密燒結，把配方中高溫熔化的銅合金稱為黏結相。固相燒結時無液相形成，致密化過程通過原子擴散蒸發(fā)凝聚和塑性變形實現。

燒結分為冷壓燒結與熱壓燒結。冷壓燒結是先用模具將粉末金屬以較高壓力壓制成形，然后在常壓下燒結。為防止粉末金屬氧化，燒結一般在還原氣氛（氫氣或氨分解氣）或中性氣氛（氮氣、氬氣）下進行。這種燒結過程主要依賴于液相在毛細管力作用下，填充氣孔達到致密化。液相不足則浸潤性不好，不能良好滲透，則燒結體密度和強度較低。故冷壓燒結配方要求能夠形成較多的液相。冷壓燒結主要用于金剛石小切割片、金剛石砂輪的制造，其生產批量大，制造成本低，但燒結時間長。熱壓燒結是金屬結合劑超硬磨具生產使用最多的方法。在熱壓條件下，形成的液相在壓力作用下強制流動滲透。高溫下即使是骨架相也會軟化。在壓力作用下發(fā)生塑性變形，導致產品在短時間內達到100％的致密化，容易保證熱壓產品的燒結質量。

（6）燒結金屬結合劑超硬磨具生產工藝

燒結金屬結合劑超硬磨具生產工藝（包括冷壓法和熱壓法）流程如圖2-14所示。

①燒結金屬結合劑配方設計　設計原則主要考慮所設計磨具的性能和使用要求。根據用戶所提出的磨削要求進行配方設計，選擇結合劑各種原料及用量。配方設計要先確定超硬磨料的品種及濃度。不同品種牌號超硬磨料適用于不同工件材質的加工。粗磨、大磨除率磨削，要選用粗粒度和高濃度的磨料。細粒度、低濃度（用量）磨料，則適用于精磨。其次要確定結合劑組分的合理配比，結合劑與磨料的品種、性能要相互配合，結合劑的組成和性能應與加工材料性質和加工方式相適應。最后要確定適當的磨具組織。結合劑各種成分的用量計算同普通磨具、樹脂磨具的配方計算。

②金屬結合劑超硬磨具成形料配混　金屬結合劑金剛石、CBN磨具成形料分工作層與過渡層成形料配混。工作層成形料由金剛石、CBN磨料、金屬結合劑與潤濕劑組成。先混制過渡層成形料，后混制工作層成形料。混料要保證超硬磨料與結合劑混合均勻。超硬磨料與結合劑充分混合后，再加入潤濕劑，或先將超硬磨料與潤濕劑混勻，再加結合劑充分混均勻。混料要嚴格控制各組成材料的用量。

③金屬結合劑成形模具　超硬磨料金剛石、CBN磨具成形模具由模套、壓環(huán)、心棒、心桿、底板等部分組成。由于超硬磨料砂輪成形壓力在300～500MPa范圍內，且生產批量較小，故成形模具所使用的材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金。對于軟金屬青銅、錫粉末盡量選擇碳素工具鋼與合金鋼；對于高密度、高強度、硬度、耐磨性高的磨具，可選用耐熱鋼。成形模具應根據磨具尺寸和形狀來設計其結構尺寸。金剛石磨具坯體尺寸不允許留有余量，故模套內徑尺寸就是制品的外徑尺寸，模套內徑尺寸應保證磨具工作層金剛石的濃度（用量）不變。

④壓制成形工藝　包括冷壓成形與熱壓成形工藝法。常選油壓機，加壓方式分為上壓式、下壓式與橫向加壓式。總壓制壓力F可按F=pSK計算，p為油壓機公稱壓力，K為安全系數，取K=1.15～1.50，S為所壓制坯體橫截面積。

⑤燒結工藝　超硬磨具燒結所使用的燒結爐多采用電加熱。電加熱方式有碳管電阻加熱、高頻或中頻感應加熱。燒結爐有管式爐、鐘蓋爐、中頻感應爐、內熱電阻爐。燒結中采用中性還原氣氛或固體還原介質保護氣氛，防止燒結過程中超硬磨料氧化。中性氣氛用N2、CO2真空，還原氣氛有H2、CO、烴。固體保護介質主要使用木炭。燒結時要嚴格執(zhí)行燒結工藝規(guī)范（燒結溫度曲線），也稱燒結制度。燒結溫度曲線由升溫、保溫燒結，冷卻三部分組成。

⑥燒結廢品　燒結工藝受結合劑原材料、配混料工藝、成形工藝等諸多因素影響，燒結過程中又發(fā)生一系列復雜的物理化學變化，偏離了工藝要求及配方要求，會造成磨具的廢品。常見燒結廢品有裂紋、組織不均、變形、發(fā)泡、色澤不均及掉環(huán)等。

2.5.2　電鍍金屬結合劑超硬材料磨具

電鍍金屬結合劑超硬磨具是以鋼材為基體，以鎳及鎳合金為結合劑，金剛石或CBN為磨料，通過電鍍金屬原理的金屬電結晶作用從溶液中沉積在基體上，把超硬磨料固結在金屬鍍層中而形成的一種磨具。

電鍍金剛石、CBN磨具有磨頭、電鍍砂輪、鉸刀、修整滾輪、內圓切割片、外圓切割片等及無心磨輪、平形磨輪、杯形磨輪、成形磨輪、油石、線鋸等。

（1）電鍍金剛石及CBN磨具工藝原理

在電鍍槽中，將浸在鍍液中的被鍍磨具基體與直流電源負極相連接組成陰極，把要鍍覆的金屬與直流電源正極相接組成陽極，接通電源，鍍液中的金屬離子便在陰極上沉積形成鍍層。金剛石及CBN電鍍磨具在電鍍中應注意解決鍍層對超硬磨料磨粒固結能力和對被加工工件材料的適應性問題。鍍覆金屬鎳及鎳合金的離子在陰極上電沉積有三個過程，即陽極鎳離子與水分子結合成水化離子，水化離子向陰極擴散，由鍍液內部移到陰極表面上，金屬水化離子脫水并與陰極電子反應形成金屬原子，金屬原子在陰極上排列生成一定形狀的金屬晶體，并與基體相結合。金屬電沉積是一個電極過程，電極過程包含液相傳質、表面轉化、金屬離子還原為金屬原子（電子轉移）及金屬原子形成金屬晶體（電結晶步驟）等過程。電沉積必須靠外部電源給系統提供能量，系統通以電流，電流通過電極，產生極化（電極電位偏離平衡電位即極化）。極化現象使陰極電位從原來的平衡電位向負方向移動，從而使陰極獲得過電位，形成電位差。在陰極上可同時發(fā)生多個還原反應，形成多種金屬共同沉積。共同沉積得到合金鍍層具有單金屬鍍層所不能達到的硬度、致密性、耐磨性、耐高溫性等優(yōu)良性能。電鍍超硬磨具都采用合金鍍層，如鎳鈷、鎳錳、鎳鐵等鍍層。金屬共同沉積的基體條件是兩種金屬的析出電位要相近。兩種金屬同時在陰極上沉積出來的條件取決于兩種金屬的標準電極電位、溶液中金屬離子的活度和陰極極化三個因素。金屬電沉積的速度僅與通過的電流有關。沉積速度取決于陰極電流速度的大小。在電沉積過程中存在晶核形成與晶核生長。金屬電沉積時，只有當電極電位偏離平衡電位到某一負值時，才有可能成核，電位的偏離值就是過電位。晶核生長概率Z與陰極極化值關系為

Z=Bexp（-b/Δф2）

式中　B，b——常數；

Δф——陰極極化值或陰極過電位。

隨著過電位增大，新晶核形成概率Z迅速增大。新晶核形成速度越快，晶核數目迅速增多，所得鍍層結晶越細。

電鍍溶液常用鹽電解液，可鍍Ni、Fe、Co金屬。主鹽濃度增大，極化減少，均鍍能力下降。在電解液中常加入K、Na、Mg鹽類，提高電鍍溶液導電性和提高陰極極化使結晶細化。在電鍍液中加入少量表面活性劑、潤濕劑、增光劑等添加劑，可改善鍍層質量。

（2）電鍍超硬磨具工藝

電鍍超硬磨具生產工藝過程包括：磨料選擇與表面處理，電鍍規(guī)范制定，基體機械加工與表面處理、施鍍、檢查包裝等。金剛石與CBN的選擇應選高強度品種和等體積形，電鍍前應經凈化和親水處理。在滿足被加工件的表面粗糙度要求情況下，盡量選粗粒度磨料，以提高磨削加工效率。在粗磨時選用80～100目顆粒，半精磨選用120～180目磨粒，精磨選用180目～W40，研磨與拋光選用W40～W1，砂輪線速度達250～300m/s。

電鍍液常用鍍鎳和鎳鈷合金瓦特電鍍液。它由硫酸、氯化鎳和硼酸組成。電鍍液如析出氫多，將會把鍍件表面的磨粒沖跑，使鍍件表面上固結不住磨料，并造成鍍層脫落。為了使鍍層與基體表面有牢固的結合力，鍍件基體表面要進行表面處理、除油、去銹等。

2.5.3　單層高溫釬焊超硬材料磨具

在電鍍超硬磨具基礎上，20世紀80年代后期開發(fā)了單層高溫釬焊超硬磨料砂輪。高溫釬焊單層金剛石砂輪是用氧（乙）炔焊火焰在鋼制基體上噴涂上一層Ni-Cr合金層，以Ni-Cr活性金屬層為釬焊料，在氬氣感應氣氛中直接釬焊金剛石磨粒。在釬焊過程中，Ni-Cr合金分離出碳化物并富集在金剛石表面，使Ni-Cr合金和金剛石之間具有良好的浸潤性，使合金層對金剛石有較強的結合強度。釬焊是在1080℃氬氣中進行30s內完成。通過電子探針與X衍射分析Ni-Cr合金層與金剛石界面及合金層與鋼基體界面，表明磨料、基體金屬與Ni-Cr活性金屬層之間都獲得了較高的結合強度。對磨粒的把持力明顯優(yōu)于電鍍單層金剛石砂輪，且合金層厚度維持在磨粒高度的20％～30％的水平上，能適應大負荷高速高效磨削的需要。釬焊砂輪可以提供高達70％～80％的磨料裸露高度，擴展了磨料間的容屑空間，并提高了磨粒的鋒刃性與耐用度。但釬焊溫度1080℃對金剛石來說易造成熱損傷，腐蝕金剛石，影響結合強度。為此，將金剛石進行預處理，在金剛石表面鍍覆一層活性金屬薄膜，在釬焊過程中鍍覆的薄膜對金剛石起保護作用，容易實現Ni-Cr合金層與金剛石之間的強力冶金化學結合，有效地避免磨粒脫落，砂輪壽命和加工效率大幅度提高，適合于300～500m/s的超高速磨削。單層高溫釬焊金剛石砂輪將逐步替代傳統電鍍砂輪。

立方氮化硼（CBN）與Ni-Cr活性合金（釬料）之間浸潤性極差，即使在1100℃的還原氣氛中其浸潤性也不明顯。故CBN砂輪釬焊要比金剛石砂輪困難。其解決方法是先對CBN磨料進行針對性預鍍改性處理。在CBN磨粒表面上預鍍TiC膜。采用化學氣相沉積（CVD）的方法在CBN表面上沉積TiC薄膜，其反應方程式為

沉積溫度為1000～1050℃，系統壓力為0.01MPa，沉積時間為60～90min，CH4流量為0.25L/min，H2流量為10L/min，TiCl4濃度為2％。經90min沉積后CBN顆粒可完全被TiC覆蓋。在釬焊過程中，CBN磨料與Ni-Cr合金之間具有良好的浸潤性。

2.5.4　高速、高效精密超硬材料磨具

高速、高效精密磨削是先進制造技術的研究和發(fā)展方向之一。高速、高效精密超硬材料磨具的研究和開發(fā)是先進制造技術的重要組成。我國現已突破一些關鍵技術，開發(fā)出一批性能優(yōu)良的新型高檔超硬材料磨具產品。

（1）汽車發(fā)動機曲軸高速高效磨削用CBN砂輪

該砂輪為高強度陶瓷結合劑。在Li2O-Al2O3-SiO2體系的微晶玻璃材料基礎上，采用新型氧化物材料，改善結合劑的性能。其微晶玻璃相晶粒<1μm，主晶相為Zr（SiO4），抗折強度≥60MPa，抗磨性較同類結合劑提高30％，能滿足125～160m/s高速、超高速加工曲軸的砂輪要求。

該砂輪很好地解決了復雜型面砂輪工作層成型技術。通過對砂輪磨削加工過程受力狀態(tài)的分析和磨損情況分析、砂輪工作層組織結構及成型方法研究，對砂輪結塊采用特殊的結構設計與成型方式，實現了砂輪在不同磨削方式下均勻消耗，保證了曲軸成型磨削加工砂輪的型面精度，提高砂輪的耐用度和使用壽命。經磨削42CrM0鍛鋼載重曲軸連桿頸，HRC35.5，使用vS=100m/s，加工余量1.2mm（直徑），加工節(jié)拍14min，Ra達0.4～0.63μm，耐用度每修磨一次15根，使用壽命達3969根，達到產品要求。

（2）集成電路（IC）晶圓背面減薄磨削用金剛石系列砂輪

該系列砂輪包括陶瓷結合劑和樹脂結合劑兩類，主要用于IC晶圓硅片背面減薄磨削加工。陶瓷結合劑用于粗加工，樹脂結合劑用于半精磨與精磨加工。該系列砂輪為杯形砂輪，砂輪直徑范圍為：ф114～ф444mm，砂輪工作層為窄環(huán)高厚度，環(huán)寬為2.5～3.5mm，厚度為8～10mm。制造精度要求高，動平衡精度≤62.5，平行度≤0.015mm，外圓跳動度≤0.05mm，砂輪磨料粒度為2000#（8/6μm）、3000#（5/4μm）。砂輪形狀分為整環(huán)形、帶水槽形和三橢圓帶水槽形，分別如圖2-15（a）、（b）、（c）所示。

該系列砂輪的關鍵技術為適用于金剛石砂輪的低溫燒結成高性能陶瓷結合劑，結合劑為Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2-TiO2-Li2O體系，燒成溫度低于700℃，其抗折強度大于38MPa，能滿足砂輪速度為50m/s的要求。對于樹脂結合劑砂輪采用高氣孔率樹脂結合劑微粉級金剛石砂輪的制造技術。常規(guī)樹脂結合劑金剛石砂輪的氣孔率在5％以下。這樣的砂輪用于硅片背面減薄磨削，自銳性不好，磨削力大，硅片表面損傷層大，型面精度差，易變形。

該砂輪通過對造孔技術以及高氣孔率、低密度（1.5g/cm3）、窄環(huán)高厚度工作層（如環(huán)寬2.5mm，磨料層高度為8mm）砂輪成型工藝的研究，提高了結合劑與磨粒的把持力，解決了高氣孔、低密度、窄環(huán)高厚度樹脂砂輪成型密度不均勻的問題，開發(fā)出具有“整體低強、局部高強”特點的高氣孔率樹脂結合劑金剛石砂輪，氣孔率達到30％～80％（體積分數），2000#砂輪表面，可見直徑50μm，甚至200～300μm的孔洞。該技術有效地降低了砂輪對硅片的磨削力，減小了砂輪磨削時的接觸工件面積并可提供足夠的容水、容屑空間。該砂輪可安全應用于50m/s的磨削速度，工件表面不產生劃痕、微裂紋，表面損傷層達標，砂輪壽命與進口砂輪相當。

采用該技術研制的325/400#陶瓷結合劑金剛石砂輪（6A2×354×35×235×3×5DV100），在日本Okamoto公司VG401硅片超精密磨床上進行磨削試驗，材料去除率達到62.13mm3/s，硅片粗糙度為224nm，損傷層厚度為14.5μm。

在相同磨床上試驗研制的2000#樹脂金剛石砂輪（6A2×354×35×235×3×5D2000 B100），材料去除率達到10.236mm3/s，硅片粗糙度為Ra=5nm，損傷層厚度為2.5μm，砂輪磨損為1:120。

（3）集成電路（IC）晶圓劃片與分割用高精度電鍍超薄金剛石切割砂輪

該產品簡稱電鍍薄片，俗稱劃片刀，主要用于半導體集成電路（IC）和分立器件（TR）晶圓封裝前、后道加工中晶圓的劃片、分割或開槽等微細加工。其加工特點如下：精密，切縫寬度誤差不超過±5μm，切縫崩刃小于5μm；高速，適用轉速為：30000～45000r/min。

其產品特征如下。

①在鋁合金基體上直接電鍍磨料層形成帶輪式的切割砂輪，如圖2-16所示。

②超薄　磨料工作層厚度0.015～0.06mm，是目前國際上工作層最薄的砂輪。

③高精度　厚度精度為±（0.002～0.004）mm；孔（H）；外徑（D）：ф55.6mm±0.05mm。

④超細粒度　最細為0.5～2μm。

其關鍵技術如下。

①超細微粉磨料的均勻分散技術。

②低應力、高剛性、高硬度、高平整度工作層的電鍍液配方技術。

③提高鍍層與基體結合強度的技術。

④鍍后工作層承托基體精密除去技術。

⑤工作層外圓和端面的精密修整技術。

⑥工作層厚度的非接觸式檢測技術。

⑦專用設備、裝置的開發(fā)，包括高效精密電鍍裝置及高精度智能化電鍍穩(wěn)流電源。

上述①和②兩項技術確保了工作層金剛石分布均勻、無疊砂、平整、光滑、不變形、精度高以及切割性能優(yōu)良；④、⑤和⑥三項技術解決了因工作層厚度薄、強度低，加工和檢測易斷裂的技術難題。第⑦項技術中的電鍍裝置和電源，不但實現一次可鍍多片砂輪，而且保證了鍍層的厚度、精度和內在質量的一致性；非接觸式檢測裝置實現了超薄工作層的無損檢測。

該產品在用戶生產線上經測試達到各項技術指標，如加工5in（1in=25.4mm）、0.35mm厚分立器件，用工作層厚度為20～22μm的砂輪，主軸轉速30000r/min，進給速率為50mm/s，切口縫寬不超過40μm，則砂輪使用壽命為6834.97m。又用工作層厚度為18～20μm的砂輪，加工6in、厚0.27mm的晶圓，主軸轉速為45000r/min，進給速率為40mm/s，切口縫寬65μm，則砂輪使用壽命為1900m。

（4）精密研磨用陶瓷結合劑CBN磨盤

該系列產品（簡稱陶瓷磨盤）主要應用于液壓件、空調壓縮機零件、磁性材料等行業(yè)的高壓葉片泵核心部件（葉片、定子、轉子等）、空調及冰箱壓縮機核心部件（缸體、滾套等）和汽車、摩托車發(fā)動機核心部件（連桿、活塞環(huán)）等數控高效、高精度雙端面研磨加工，其加工特點是高效率、精密。加工合金鑄鐵空調壓縮機滾套時，加工節(jié)拍50～60s，工件平行度≤2μm，厚度尺寸差<7μm，表面粗糙度值Ra≤0.2μm等。加工高速鋼空調壓縮機滑片時，加工節(jié)拍25～90s，平行度<2μm，厚度尺寸差<4μm，工件RZ值<1.2μm。

陶瓷丸片高效黏結工藝成功解決了成百上千個丸片黏結效率低、黏結不牢、掉塊的問題，所研制的產品能夠在進口數控研磨機上替代進口產品以加工不同材料的工件，磨削效率、工件質量以及使用壽命等指標均達到國外進口同類產品水平，其綜合使用成本比進口磨盤降低30％以上，產品性能穩(wěn)定：如用1A2T700×55×300×5CBN800V100磨盤加工高速鋼滑片，加工節(jié)拍25～90s，工件尺寸離散度<4μm，Ra值1.0～1.2μm，平行度1.0～1.5μm，磨盤使用壽命大于70萬件；用1A2T634×54×240×4D800V100磨盤加工合金鑄鐵滾套，加工節(jié)拍50～60s，工件尺寸離散度<3μm，Ra值<0.15μm，平行度0.5～1.0μm，磨盤使用壽命60萬件。

（5）高硬度刀片磨邊用新型復合結合劑金剛石砂輪

該系列產品主要應用于刀具行業(yè)硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷等可轉等位刀片周邊的高精度、大批量的高效磨削加工，其加工特點如下。高效加工，自動上、下料一次裝夾即能完成刀片周邊的平面磨削、倒圓及倒棱等工序。加工節(jié)拍對1103型刀片為50s左右，1204型刀片約為60s。粗、精磨一次完成。其中，周邊磨的去除效率≥12mm3/min。單片磨削余量≥15～20mm3（依砂輪規(guī)格不同要求不同，規(guī)格越大，余量越大）。此外，還有精密加工特點，刀片尺寸精度要求≤5μm，刃口質量好。

該系列產品砂輪技術參數如下：型號為12A2或2A2，ф250～400mm，平面度0.01～0.02mm，平行度0.01～0.02mm，動平衡精度G2.5。2A2型砂輪結構如圖2-17。

該砂輪開發(fā)中的關鍵技術為樹脂金屬結合劑的復合技術。刀片在往復進給磨削（周邊磨）過程中，砂輪表面受到工件的沖擊作用，金剛石易脫落，切削能力下降而定點切入磨削（倒圓、倒棱）。砂輪表面形狀精度易喪失，使耐用度偏低，從而導致砂輪使用壽命偏低。

通過高溫樹脂優(yōu)選、低溫金屬結合劑的研制以及相應混料、成型、后處理工藝的研究，開發(fā)了樹脂金屬結合劑的復合技術，采用該技術制備的樹脂金屬復合結合劑，具有金屬與樹脂形成近似的連續(xù)互穿網絡分布的相結構。這種復合結構的結合劑，在發(fā)揮樹脂結合劑自銳性好、磨削效率高、彈性好、工件表面質量高等優(yōu)點的同時，具備金屬結合劑強度高、形狀保持精度好、導熱性好的特點，滿足了高硬度刀片數控周邊磨砂輪的高耐磨性要求。該復合結合劑抗拉強度≥40MPa，應用結合劑制成的砂輪具有高耐磨、高鋒利度的特性。

上述技術應用效果如下。研制的刀片周邊磨金剛石砂輪目前已經在8家國內外知名刀具企業(yè)投入使用，磨削的材料涉及硬質合金、金屬陶瓷、無機陶瓷等。

磨盤產品為大直徑（510～860mm）、高精度（平面度0.01～0.03mm、平行度0.03～0.06mm）丸片式寬工作面（環(huán)寬200～400mm）、微粉級端面磨砂輪。圖2-18是磨盤結構示意。

該產品生產的主要關鍵技術如下。

①燒熔高強度陶瓷結合劑　為了保證磨盤具有較好的耐磨性，以獲得大批量加工工件的一致性，要求用微粉磨料制成的陶瓷丸片氣孔率很低。因此，需要研發(fā)一種流動性較好的結合劑來盡量填滿這些氣孔。

該砂輪以Li2O-Al2O3-SiO2-B2O3為主體，通過加入少量的Na2O，研發(fā)出1000℃時流動性200％、抗折強度大于45MPa（現有結合劑1000℃時流動性140％時，抗折強度大于45MPa）的新型燒熔高強度陶瓷結合劑。同時，該陶瓷結合劑膨脹系數為5.50×10-6（1173K時），與CBN的膨脹系數5.60×10-6（1173K時）接近，滿足了加工不銹鋼工件用CBN磨盤的要求。

②細粒度磨料均勻混料及造粒工藝　解決了細料易結團、投料不均勻的問題，滿足了細粒度成型料在模腔中均勻分布的要求，提高了陶瓷丸片成型的均勻性和一致性。

③陶瓷丸片排列及填充方式　通過研究，提出了根據加工效率、加工表面質量、加工機床鋼性等因素以選擇丸片形狀、排列方式。研制的刀片周邊磨砂輪與進口同類產品在相同機床設定參數的條件下用于批量生產，包括磨削質量，耐用度、使用壽命在內的砂輪主要磨削性能指標已達到日本和德國同類產品的水平，工件的綜合磨削成本比進口同類產品低30％以上。產品質量穩(wěn)定。實例：用12A2T300×27×300×12×7砂輪加工M4502-SEEL-120（磨周邊及倒圓，材質4YC30S，修整間歇12件，使用壽命23530件），單件砂輪成本為0.19元（日本旭銅砂輪的相應數據為10件、19000件、0.38元）。

隨著加工技術的不斷提高，高速、高效精密超硬材料磨具將不斷涌現新產品。同時，隨著航空、航天飛行器及汽車領域的飛速發(fā)展，超高速陶瓷結合劑的CBN砂輪將得到進一步發(fā)展。此外，達到納米級表面粗糙度的超精密加工用的金剛砂輪目前已在研發(fā)之中。