广东省科学院新材料研究所陈峰高级工程师团队：具有孔隙结构的金属基金刚石工具的研究进展 | 《中国有色金属学报》重点推荐文章

     2024年04月08日

研究背景

随着科技和社会的发展，对金刚石工具服役性能的要求越来越高。在胎体中合理地引入孔隙，从而增加容屑空间和冷却效果，更充分地发挥金刚石磨粒的磨削功能，已成为提升金刚石工具服役性能的一种重要手段。通常情况下，随着孔隙率增加，容屑和冷却效果均随之增加。但本质上孔隙是一种缺陷。孔隙率增加会导致工具力学性能急剧下降，最终限制工具的服役性能。近年科研人员开发了多种多孔金刚石工具的新制备方法，但受制备工艺、性能和成本等因素的制约，迄今为止多孔金刚石工具实际应用还较少。研发高孔隙率高强度的多孔金刚石工具低成本制备技术，是金刚石工具行业的研究热点之一。

 

文章亮点

本文围绕多孔金属基金刚石工具，首先介绍孔隙结构特征及其影响工具力学/服役性能的普遍规律，然后系统介绍热压法、增材制造法和激光修整法3种主要制备方法的技术原理和参数调控要点，重点梳理工艺参数−孔隙结构−力学性能−服役性能之间的对应关系，最后评述各方法的优缺点及适用范围，并从成分设计、结构调控和研究手段等方面探讨多孔金属基金刚石工具的研发方向。

 

图文解析

一、多孔金属基金刚石工具的孔隙特征与作用

多孔金属基金刚石工具本质上是一种由多孔材料制成的器件。狭义孔隙通常指固体物质中未被充填的中空部分(图1a)。在金刚石工具中，胎体内部的空心充填物或易磨损/易脱落的实心填充物，以及胎体表面加工所得的微结构(如沟槽和孔洞等)，同样也可以起到与狭义孔隙相似的效果，可被纳入广义孔隙的范畴。根据结构不同，孔隙可分为开孔、半开孔和闭孔 3 种。开孔和半开孔在加工过程中均可通过毛细管力吸储冷却液而增强冷却效果，也可充当容纳磨屑的空间。与半开孔相比，开孔可使冷却液在胎体中流动，从而获得更好的冷却效果。孔隙与孔隙或金刚石与金刚石之间狭长的金属部分则被称作结合桥，是孔隙的重要组成部分。大多数情况下，多孔金属基金刚石工具的强度随着孔隙率增加近似线性降低，同时服役性能提高(图1b)。但当孔隙率超过平衡点后，进一步增加孔隙率，会导致工具的力学 性能小于服役所需的最佳载荷，此时工具无法充分发挥服役性能。

图1 多孔金属基金刚石工具的(a) 孔隙结构示意图和(b) 孔隙率-力学性能-加工性能关系图

二、多孔金属基金刚石工具制备方法

(1) 热压法

根据造孔机制不同，热压法可分为低压法与造孔剂法2种。低压法制备多孔金属基金刚石工具时，外加压强一般不超过10 MPa。这类工具一般强度较低，已不满足目前金刚石工具的应用场合。造孔剂法是通过造孔剂在胎体内部生成孔隙的方法。根据造孔机理不同，造孔剂可分为3类。Ⅰ类造孔剂主要为盐类，可经溶液溶解形成孔隙；Ⅱ类造孔剂主要为有机物或金属氢化物，在高温时会分解或挥发，从而形成孔隙；Ⅲ类造孔剂通常为耐高温物质，在高温烧结过程中不发生变化，在胎体中形成占位，在使用时形成破碎/脱落坑。具体造孔流程、机理和典型孔隙结构如图2所示。

图2 (a) 造孔原理示意图；(b) 不同造孔剂制备孔隙的典型显微形貌

不同文献中所用的金属结合剂、造孔剂和制备方法差异较大，其结果往往难以直接比较。本文以20%孔隙率的多孔金属基金刚石工具的抗弯强度为基准，计算了抗弯强度损失率随孔隙率的变化情况(图3)。可以看出，虽然多孔金属基金刚石工具的抗弯强基本上均随孔隙率增加而线性降低，但由不同工艺制得的工具的抗弯强度损失率有较明显差异。相比于造孔剂法，低压法制备的多孔金属基金刚石工具不仅孔隙率偏低，而且强度损失率也更大，约是造孔剂法的2-24倍。在造孔剂法中，中空孔工具的强度损失率则约为实心孔工具的2-12倍。

图3 不同工艺制备的多孔金属基金刚石工具的抗弯强度损失率

(2) 增材制造法

与常规金属材料相比，金刚石的加入增加了增材制造工艺参数的调控难度。首先，金刚石具有更低的激光吸收率及更高的导热性，会降低粉末层的激光吸收率，并增加熔融金属的粘度，限制熔融金属的流动与熔合。因此在激光能量相同的情况下，与无金刚石相比，加入金刚石会导致熔池最高温度降低、熔池区域变大，从而显著影响增材制造工艺参数和工具的显微结构。其次，增材制造法制备金属基金刚石工具时，需避免或抑制金刚石的石墨化。当功速比较小时，金属基金刚石工具主要呈现出与常规金属材料类似的因熔融和扩散不充分而产生的孔隙缺陷；当功速比较大时，不仅导致粉末飞溅和微孔等缺陷，还会发生金刚石烧蚀。受上述因素的制约，与金属材料相比，增材制造金属基金刚石工具的工艺窗口更狭窄(图4)。

图4  激光功率/扫描速度对基体形貌的影响

与传统热压法相比，增材制造法具有高自由度设计孔隙尺寸与排布方式的优势，可制备具有特殊孔隙结构的多孔金属基金刚石工具(图5)，包括可根据岩石破碎模型调控唇面环形层状结构的破岩用钻头(图5a)、不同孔隙阵列和孔隙率的多孔金刚石砂轮(图5b和e)、具有阵列冷却孔的砂轮(图5c)、具有蜂窝结构的磨头和具有较好的冲击吸收能力的梯度孔隙金刚石钻头(图5f)等。

图5 典型增材制造的多孔金属基金刚石工具中的孔隙结构图

此前受技术手段的制约，不太容易精确调控孔隙大小、形状、孔隙率等孔隙结构，因此孔隙结构对多孔工具磨削性能影响的相关研究较少。增材制造技术的发展为开展此类研究提供了可能。虽然孔隙结构对增材制造金属基金刚石工具的力学性能有较大影响，但TIAN等的研究表明，对其磨削加工性能的影响相对较小。对比三种不同孔隙结构(P、D、I)的增材制造金属基金刚石工具和致密电镀金刚石工具(E)的磨削性能(图6)，在孔隙率(50%)相同的情况下，P孔隙结构对工具的切向磨削力、比磨削能和磨削比的影响较小；与E型工具相比，多孔工具的切向磨削力与比磨削能分别大幅降低了约60%~75%，磨削比则仅降低7%~12%。

图6 不同孔隙结构的增材制造多孔金属基金刚石工具及磨削性能对比

(3) 激光修整法

激光修整指利用光能在金刚石工具表面刻意形成特定纹理的沟槽结构，这些表面纹理的作用与传统孔隙结构在本质上是相同的。仿形和修锐是激光修整的两个主要目的。其中，仿形是同步去除金刚石磨粒和金属结合剂，以达到工具表面所需尺寸、形状和精度；修锐是在不损伤磨粒的前提下去除结合剂，使磨粒露出适当的高度，实现工具表面“粗糙化”。仿形阶段激光束的入射方向为切向方向，修锐阶段的激光束入射方向为径向方向(图7)。

图7 激光修整效果图：(a) 激光修整前；(b) 激光仿形；(c) 激光修锐

仿形效果与激光脉冲宽度即激光能量大小密切相关。以激光修整青铜基金刚石砂轮（图8）为例，当激光功率为20 W时，激光能量密度达到了烧蚀青铜结合剂的阈值，但不足以破坏金刚石，金刚石颗粒露出高度增加；激光功率达30 W时，此时的激光能量密度刚刚达到去除金刚石的阈值，只有少部分金刚石颗粒被去除，大部分金刚石未被去除，导致轮廓精度变差；进一步将平均激光功率增加到40 W或50 W时，此时激光能量密度高于金刚石的去除阈值，大量金刚石发生石墨化，金属结合剂与金刚石被同步去除，工具表面平整，达到仿形目的。

图8 金刚石经激光修整前后SEM像以及不同激光功率修整青铜-金刚石砂轮表面形貌对比

与激光仿形相比，激光修锐在针对性去除金属结合剂时，需避免避免金刚石损伤，因此激光参数调控难度更大。激光修锐参数不当时，常见的金刚石损伤主要包括松动、破碎与石墨化等3种形式。激光能量阈值对激光仿形参数有较好的指导作用，但对激光修锐的效果不理想。在优化激光能量的基础上，通过优化激光重叠率可在不损伤金刚石的情况下实现金属基体的高效去除。激光修锐不仅可实现金刚石形貌调控和表面纹理结构调控，而且在金刚石磨粒尺寸较大时，也可同步实现胎体与金刚石微结构化(图9)。

图9粗粒度砂轮微结构表面形貌以及激光刻蚀金刚石磨头微结构

三、加工过程中多孔金属基金刚石工具微观结构及服役性能演变

近些年科研人员开始关注加工过程中多孔金属基金刚石工具的磨料、金属基体和孔隙的微观结构演变，并将微观结构表征从静态定性描述发展到动态定量分析，试图在工具的微观结构与服役性能之间建立更可靠的对应关系。以多孔Cu-Sn-Ti基砂轮磨削加工Ti-6Al-4V合金为例，Zhao等对比使用前后的工具中磨粒破碎、磨损、微断裂、宏观断裂、金属基体磨屑附着以及新裸露等形貌变化(图10)，并统计不同使用阶段新裸露磨粒的占比及其变化规律。结果表明，该工具新裸露磨粒的占比最终稳定在45%左右，而磨削力和磨削比也相应地维持在一个较窄的范围内。磨粒微观形貌与磨削性能的演变规律之间呈现出较高的一致性。

图10 多孔Cu-Sn-Ti基cBN砂轮磨削加工Ti-6Al-4V合金的微观形貌与磨削性能演变

金属基体和孔隙的微观结构演变同样深刻影响着多孔金属基工具的服役性能。在多孔Cu-Sn-Ti基砂轮磨削加工Ti-6Al-4V合金过程中，随着Ti合金去除量的增加，孔隙内堆积的磨屑数量略增多，但磨屑数量与金属基体的实际磨损量不成比例，主要原因是高压冷却水冲走了磨屑。而金属基体上的磨痕面积则逐渐增大，裂纹数量增加，部分裂纹持续扩展，后续发展为新的孔隙。统计结果表明，工具表面的孔隙率在整个加工过程中始终稳定在37%左右(图11)。这在一定程度上揭示了低强度的金属基体是多孔工具具有良好自锐能力的主要原因。

图11多孔cBN砂轮表面的(a)孔隙形态演变；（b）孔隙率演变

 

研究结论

以增材制造和激光修整为代表的新技术在多孔金属基金刚石工具中的迅速应用，一方面说明孔隙结构在调控金刚石工具性能方面扮演了越来越重要的角色；另一方面也反映科研人员迫切希望通过新技术制备出兼具孔隙结构和优异服役性能的多孔金属基金刚石工具。上述的多孔金属基金刚石工具制备方法中，传统热压法虽然现在还未能获得广泛应用，但易于获得整体均匀孔隙和低成本的工艺特性，决定了其将是制备应用范围更广泛的中低端金刚石工具的主要候选技术，值得深入研究。激光修整已是提高金刚石工具性能的重要方法之一，但其只能在工具表面形成局部有序化孔隙结构。在可预见的未来，其制备成本都将居高不下，应用范围将主要限于需要兼顾加工精度、加工效率和表面质量的高精密加工领域。增材制造法现处于起步阶段，在工具制备成本和工具服役性能方面尚缺乏比较优势，能否发展为一种有竞争力的制备方法有待观察。未来开展多孔金属基金刚石工具制备技术研究时，可关注以下几个方面：

(1) 材料设计方面，应当重视强碳化元素种类与含量优化。由于孔隙对应力的耗散作用，多孔金属基金刚石工具的胎体对金刚石的机械夹持力大幅降低。在这种情况下，有必要结合制备工艺，在胎体材料中添加合适的强碳化元素，如Cr、W、Ti、V等，提高胎体与金刚石之间的化学结合力，从而提升胎体对金刚石的把持效果。与此同时，也可对金刚石进行表面金属化处理。这一点对于热压法和增材制造法制备的多孔金属基金刚石工具尤其重要。

(2) 结构调控方面，应当加强孔隙结构与金刚石粒度/浓度匹配性的研究。现有大部分研究主要关注孔隙尺寸/孔隙率与工具力学性能之间的对应关系。但金刚石磨粒作为多孔金属基金刚石工具的主要组元之一，其与孔隙结构尤其是结合桥尺寸的匹配性可能对工具的力学性能产生重要影响，有必要加强相关研究。

(3) 研究手段方面，应当加强数值模拟对孔隙结构设计和制备工艺参数优化的指导作用。一方面，与致密金刚石工具相比，多孔金属基金刚石工具增加了孔隙结构这一系列变量，导致通过传统“试错”式试验优化制备工艺参数的工作量大幅增加，可通过数值模拟提高相关研究的效率。另一方面，增材制造和激光修整等新技术提高了孔隙结构的可设计性，为数值模拟模型的实验验证提供了便利。

 

团队介绍

陈峰，博士，高级工程师。现主要从事超硬材料与精密工具相关研究。作为项目负责人或核心成员参与国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、广东省/广州市重大专项等。研发了弥散强化铜合金制备技术，在单位内部实现产业化，累计产值超1亿元。开发了弥散强化型金刚石工具胎体粉末，在多家企业得到应用。研发了光学玻璃磨抛工具、蓝宝石掏料钻具和半导体Si/SiC减薄砂轮等精密加工工具，有望实现相关高性能工具的进口替代。获中国有色金属协会1、2、3等奖各1项。

龙莹，副教授，硕士生导师。主要从事高技术陶瓷材料的制备技术研发，主持和参与国家级和省部级项目10余项。以第一作者或者通讯作者发表学术论文40余篇，授权国家发明专利6项。

刘庭伟，广东工业大学-广东省科学院新材料研究所联合培养硕士研究生。研究方向为多孔Cu基金刚石工具制备技术研究。发表英文SCI论文1篇，申请国家发明专利1件。

 

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