2.5　金属结合剂超硬磨具

以超硬材料金刚石、CBN磨料和金属结合剂（M）制备的磨具称为金属结合剂超硬材料磨具。根据制造工艺方法的不同，可分为烧结金属结合剂超硬材料磨具、电镀金属结合剂超硬材料磨具、单层高温钎焊超硬材料磨具。烧结金属结合剂超硬材料磨具是将金属粉末与超硬磨粒金刚石、CBN混匀经热压烧结而成。电镀金属结合剂超硬材料磨具是采用电镀原理将结合剂金属镀覆在金属基体上，将金刚石或CBN磨料把持在镀层中。单层高温钎焊超硬材料磨具是用激光、火焰或感应加热的高温钎焊方法使磨粒与结合剂金属经化学冶金反应结合在一起，磨料裸露度可达70％～80％，磨料与结合剂的黏结强度和磨粒锋利程度高于电镀金属磨具。

2.5.1　烧结金属结合剂超硬材料磨具

金属结合剂（M）按金属或合金种类的成分，分为铜基合金结合剂（青铜结合剂最常用）、钴镍合金结合剂、铸铁纤维结合剂及硬质合金结合剂。

（1）铜基结合剂

铜基结合剂主要有青铜结合剂，是用于金刚石、CBN磨具的结合剂。青铜主要指锡青铜，现在铜与铝、铍、硅、锰、钛、镁、铬等元素组成的二元合金元素的铜合金都称为青铜。铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金，称为黄铜。铜镍合金或以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。锡青铜是制造金刚石、CBN磨具的主要结合剂材料。以锡青铜为结合剂制造的超硬磨具，强度、硬度高，又有较高的脆性，锡青铜收缩率小，易产生分散性缩孔，能满足制造形状复杂且要求有一定气孔率的磨具，锡青铜导热性较好，有利于磨具磨削时降低磨削温度和防止工件表面烧伤。锡青铜结合剂的主体材料是铜、锡、锌、银等金属粉末，占95％以上，有时加入少量的石墨等非金属材料，加入量不超过5％。

根据磨削加工对象和加工质量要求，青铜结合剂可分为多种，常分为二元合金系、三元合金系及多元合金系。

①二元合金系　二元合金主要是铜锡二元合金。标准锡青铜是Cu81.5Sn18.5。铜锡配比可在较大范围内变动。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二元合金基础上，加入第三组分银（Ag）、镍（Ni）、锌（Zn）等，组成三元合金结合剂，如Cu80Sn10Ag10、Cu70Sn25Ag5、Cu73Sn25Pb2等。

③多元合金系　结合剂组分超过三元以上的为多元合金系。铜仍是基础组分。常加入的金属有Ni、Co、Ti、Sn、Zn、Pb、Ag等，如Cu88Sn10Zn1Pb1、Cu70Sn10Ag15Ni5、Cu100Sn10-15Zn2Pb2-3（德国配方）。

（2）钴基结合剂

钴基结合剂中含有较高的钴（Co）组分。分为高钴与中钴配方。高钴组分含Co量大于70％。Co的高温强度和耐磨性极差且易烧结。国内生产高品级金刚石锯片，含Co量达100％。国内加工硬质花岗岩的高钴金刚石锯片所用的配方为Co70％、Cu20％、Sn5％、Mn5％或WC。中钴配方是为适应加工不同对象和不同加工条件。有多种中钴含量的多元结合剂配方，如Co60％、Cu5％、Sn5％、Zn3％、Ni10％、Mn8％、Fe9％或WC。其烧结温度为840～880℃，结合剂硬度为95HRB。

（3）铸铁基结合剂

在铸铁基配方中，以Fe及WC作为骨架相，烧结时呈固相，调节Fe/WC的比例，满足不同加工要求的耐磨性。为增加韧性，添加球墨铸铁纤维。铸铁纤维结合剂超硬磨料磨具的磨削比比较大，能适合于高速磨削。铁基结合剂配方为30％～50％的Fe、5％～8％的Sn、20％～30％的Ca、8％～15％的Ni、0～5％的Co、10％～25％的WC。对金刚石磨料镀钛合金薄膜，阻止Fe与金刚石的直接接触，防止Fe对金刚石的亲和，增强与结合剂的黏结能力，使磨料不易脱落。

（4）金属结合剂成分设计

金属结合剂组分分为骨架材料、黏结金属，形成碳化物的元素，提高结合剂的力学性能的元素、填充料。

骨架材料是在青铜结合剂、钴基结合剂中添加WC、Ti等硬质点物质，提高和改善结合剂强度、硬度、耐磨性等性能。在烧结过程中结合剂形成液相（黏结相），硬质点物质起结晶骨架作用，液相将骨架相的孔隙填充达到致密烧结，使烧结制品的强度、硬度、耐磨性满足把持超硬磨料颗粒的要求，避免出现结合剂不耐磨而造成超硬磨粒过早脱落。硬质点物质用量在20％（质量）以内时，磨具硬度的变化不大。青铜系结合剂中不加硬质点WC、Ti时，抗弯强度为813.4MPa，硬度为14.3HRC，加入WC为15％、Ti为1％时，抗弯强度为1021MPa，硬度为15.0HRC，当加入WC25％、Ti1.5％后，抗弯强度为1527MPa，硬度为23HRC。钴基系不加WC、Ti，抗弯强度为934MPa，硬度为15.8HRC，加入WC为15％、Ti为1％后，抗弯强度为1227MPa，硬度为16.2HRC，加入WC为25％、Ti为1.5％后，抗弯强度为1527MPa，硬度为24HRC。

黏结金属应用最广的是铜基合金。超硬磨料需要在1000℃以下进行烧结。铜基合金熔点能满足1000℃的要求。其中Sn的熔点较低且能降低合金表面张力，改善黏结金属对超硬磨料的润湿作用，降低铜的熔点并起固溶强化作用，所以铜锡合金作为超硬磨具结合剂效果良好。在铜基结合剂中含有铜、锡、锌、镍、锰、钴、铁、铅、铝、铍、钛、铬、钼等多种金属元素及石墨、Fe3O4、WC等非金属添加剂，所以超硬磨具烧结后结合剂中的黏结相不是简单的青铜或黄铜，而是复杂的多元青铜或白铜。各元素在铜合金中的溶解度不同，能够无限互溶形成连续固体。复杂铜合金中各元素的固溶规律，对烧结超硬磨具性能有重要作用。金属结合剂中各组成及含量与性能的关系，必须通过对合金相图分析，了解有关合金的结晶状况和显微组织，才能掌握金属结合剂的相关规律，用以指导超硬磨具生产。

碳化物形成元素有Cr、Ti、W、Mo等。这些元素可以与超硬磨料形成碳化物，可提高结合剂对金刚石、CBN的黏结强度。

在金属结合剂配方中加入Co、Ni、Mn、Si、Al等元素，可以提高结合剂的力学性能。配方中加入Co、Ni元素，可提高润湿性及固溶强化作用，增大结合剂强度和硬度。加入的Mn是弱脱氧剂，Mn与Si、Al一起存在时脱氧能力急剧加强。又因Mn熔点较低（1244℃），易与其他金属形成低熔点合金。Cu-Ce合金有好的脱氧作用，能提高合金流动性，使制品致密，无针孔缩松等缺陷，可消除低熔点杂质的有害影响，提高力学性能。Pb可提高合金的耐磨性、密实性和耐腐蚀性，减少结合剂与工件的摩擦因数。Si与B的加入，可大幅度降低合金熔点，但也会增加结合剂的脆性。Ag粉的加入可使铜基合金的抗弯强度大幅增加，并提高导电性能。

石墨是青铜结合剂中常用的非金属填充料，加入石墨可防止磨具变形，降低磨具韧性，减轻青铜结合剂磨削堵塞，在结合剂中起润滑、造孔、吸氧等有益作用。其加入量为1％～5％。近来国外将石墨制成球形粉末颗粒，将外表面镀覆一薄层金属，在烧结时，球形石墨表层金属与结合剂金属黏结在一起，防止石墨滑移和黏结能力下降。磨削过程中石墨颗粒所占的空间形成一个微孔，有助于石墨发挥润滑作用，改善磨具的磨削性能。结合剂中加入Fe3O4主要是提高结合剂的脆性减少磨具堵塞现象。Fe3O4用量多，会使结合剂强度下降，一般用量为3％～7％（质量）。

（5）烧结理论

烧结是金属结合剂超硬磨具的重要工序。烧结是指金属结合剂粉末预压成形的坯体在一定外界条件和低于结合剂主要组元熔点的烧结温度下，所发生粉末颗粒表面减少，孔隙体积降低的过程。烧结温度一般为金属粉末熔点温度Tw的70％～80％。在烧结过程中，发生添加剂的挥发、变形颗粒回复与再结晶，结合剂颗粒之间的物质扩散、流动、溶解、化合及进化等一系列物理、化学变化。烧结的结果使粉末颗粒密度增大，强度提高。结合剂预压坯体在烧结过程中包括升温过程、在烧结温度下的保温过程和降温冷却过程。按烧结时物相状态分为流相烧结和固相烧结。多数材料的烧结是液相烧结。液相烧结时有流态的液相，可迅速填充气孔而达到致密烧结，把配方中高温熔化的铜合金称为黏结相。固相烧结时无液相形成，致密化过程通过原子扩散蒸发凝聚和塑性变形实现。

烧结分为冷压烧结与热压烧结。冷压烧结是先用模具将粉末金属以较高压力压制成形，然后在常压下烧结。为防止粉末金属氧化，烧结一般在还原气氛（氢气或氨分解气）或中性气氛（氮气、氩气）下进行。这种烧结过程主要依赖于液相在毛细管力作用下，填充气孔达到致密化。液相不足则浸润性不好，不能良好渗透，则烧结体密度和强度较低。故冷压烧结配方要求能够形成较多的液相。冷压烧结主要用于金刚石小切割片、金刚石砂轮的制造，其生产批量大，制造成本低，但烧结时间长。热压烧结是金属结合剂超硬磨具生产使用最多的方法。在热压条件下，形成的液相在压力作用下强制流动渗透。高温下即使是骨架相也会软化。在压力作用下发生塑性变形，导致产品在短时间内达到100％的致密化，容易保证热压产品的烧结质量。

（6）烧结金属结合剂超硬磨具生产工艺

烧结金属结合剂超硬磨具生产工艺（包括冷压法和热压法）流程如图2-14所示。

①烧结金属结合剂配方设计　设计原则主要考虑所设计磨具的性能和使用要求。根据用户所提出的磨削要求进行配方设计，选择结合剂各种原料及用量。配方设计要先确定超硬磨料的品种及浓度。不同品种牌号超硬磨料适用于不同工件材质的加工。粗磨、大磨除率磨削，要选用粗粒度和高浓度的磨料。细粒度、低浓度（用量）磨料，则适用于精磨。其次要确定结合剂组分的合理配比，结合剂与磨料的品种、性能要相互配合，结合剂的组成和性能应与加工材料性质和加工方式相适应。最后要确定适当的磨具组织。结合剂各种成分的用量计算同普通磨具、树脂磨具的配方计算。

②金属结合剂超硬磨具成形料配混　金属结合剂金刚石、CBN磨具成形料分工作层与过渡层成形料配混。工作层成形料由金刚石、CBN磨料、金属结合剂与润湿剂组成。先混制过渡层成形料，后混制工作层成形料。混料要保证超硬磨料与结合剂混合均匀。超硬磨料与结合剂充分混合后，再加入润湿剂，或先将超硬磨料与润湿剂混匀，再加结合剂充分混均匀。混料要严格控制各组成材料的用量。

③金属结合剂成形模具　超硬磨料金刚石、CBN磨具成形模具由模套、压环、心棒、心杆、底板等部分组成。由于超硬磨料砂轮成形压力在300～500MPa范围内，且生产批量较小，故成形模具所使用的材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金。对于软金属青铜、锡粉末尽量选择碳素工具钢与合金钢；对于高密度、高强度、硬度、耐磨性高的磨具，可选用耐热钢。成形模具应根据磨具尺寸和形状来设计其结构尺寸。金刚石磨具坯体尺寸不允许留有余量，故模套内径尺寸就是制品的外径尺寸，模套内径尺寸应保证磨具工作层金刚石的浓度（用量）不变。

④压制成形工艺　包括冷压成形与热压成形工艺法。常选油压机，加压方式分为上压式、下压式与横向加压式。总压制压力F可按F=pSK计算，p为油压机公称压力，K为安全系数，取K=1.15～1.50，S为所压制坯体横截面积。

⑤烧结工艺　超硬磨具烧结所使用的烧结炉多采用电加热。电加热方式有碳管电阻加热、高频或中频感应加热。烧结炉有管式炉、钟盖炉、中频感应炉、内热电阻炉。烧结中采用中性还原气氛或固体还原介质保护气氛，防止烧结过程中超硬磨料氧化。中性气氛用N2、CO2真空，还原气氛有H2、CO、烃。固体保护介质主要使用木炭。烧结时要严格执行烧结工艺规范（烧结温度曲线），也称烧结制度。烧结温度曲线由升温、保温烧结，冷却三部分组成。

⑥烧结废品　烧结工艺受结合剂原材料、配混料工艺、成形工艺等诸多因素影响，烧结过程中又发生一系列复杂的物理化学变化，偏离了工艺要求及配方要求，会造成磨具的废品。常见烧结废品有裂纹、组织不均、变形、发泡、色泽不均及掉环等。

2.5.2　电镀金属结合剂超硬材料磨具

电镀金属结合剂超硬磨具是以钢材为基体，以镍及镍合金为结合剂，金刚石或CBN为磨料，通过电镀金属原理的金属电结晶作用从溶液中沉积在基体上，把超硬磨料固结在金属镀层中而形成的一种磨具。

电镀金刚石、CBN磨具有磨头、电镀砂轮、铰刀、修整滚轮、内圆切割片、外圆切割片等及无心磨轮、平形磨轮、杯形磨轮、成形磨轮、油石、线锯等。

（1）电镀金刚石及CBN磨具工艺原理

在电镀槽中，将浸在镀液中的被镀磨具基体与直流电源负极相连接组成阴极，把要镀覆的金属与直流电源正极相接组成阳极，接通电源，镀液中的金属离子便在阴极上沉积形成镀层。金刚石及CBN电镀磨具在电镀中应注意解决镀层对超硬磨料磨粒固结能力和对被加工工件材料的适应性问题。镀覆金属镍及镍合金的离子在阴极上电沉积有三个过程，即阳极镍离子与水分子结合成水化离子，水化离子向阴极扩散，由镀液内部移到阴极表面上，金属水化离子脱水并与阴极电子反应形成金属原子，金属原子在阴极上排列生成一定形状的金属晶体，并与基体相结合。金属电沉积是一个电极过程，电极过程包含液相传质、表面转化、金属离子还原为金属原子（电子转移）及金属原子形成金属晶体（电结晶步骤）等过程。电沉积必须靠外部电源给系统提供能量，系统通以电流，电流通过电极，产生极化（电极电位偏离平衡电位即极化）。极化现象使阴极电位从原来的平衡电位向负方向移动，从而使阴极获得过电位，形成电位差。在阴极上可同时发生多个还原反应，形成多种金属共同沉积。共同沉积得到合金镀层具有单金属镀层所不能达到的硬度、致密性、耐磨性、耐高温性等优良性能。电镀超硬磨具都采用合金镀层，如镍钴、镍锰、镍铁等镀层。金属共同沉积的基体条件是两种金属的析出电位要相近。两种金属同时在阴极上沉积出来的条件取决于两种金属的标准电极电位、溶液中金属离子的活度和阴极极化三个因素。金属电沉积的速度仅与通过的电流有关。沉积速度取决于阴极电流速度的大小。在电沉积过程中存在晶核形成与晶核生长。金属电沉积时，只有当电极电位偏离平衡电位到某一负值时，才有可能成核，电位的偏离值就是过电位。晶核生长概率Z与阴极极化值关系为

Z=Bexp（-b/Δф2）

式中　B，b——常数；

Δф——阴极极化值或阴极过电位。

随着过电位增大，新晶核形成概率Z迅速增大。新晶核形成速度越快，晶核数目迅速增多，所得镀层结晶越细。

电镀溶液常用盐电解液，可镀Ni、Fe、Co金属。主盐浓度增大，极化减少，均镀能力下降。在电解液中常加入K、Na、Mg盐类，提高电镀溶液导电性和提高阴极极化使结晶细化。在电镀液中加入少量表面活性剂、润湿剂、增光剂等添加剂，可改善镀层质量。

（2）电镀超硬磨具工艺

电镀超硬磨具生产工艺过程包括：磨料选择与表面处理，电镀规范制定，基体机械加工与表面处理、施镀、检查包装等。金刚石与CBN的选择应选高强度品种和等体积形，电镀前应经净化和亲水处理。在满足被加工件的表面粗糙度要求情况下，尽量选粗粒度磨料，以提高磨削加工效率。在粗磨时选用80～100目颗粒，半精磨选用120～180目磨粒，精磨选用180目～W40，研磨与抛光选用W40～W1，砂轮线速度达250～300m/s。

电镀液常用镀镍和镍钴合金瓦特电镀液。它由硫酸、氯化镍和硼酸组成。电镀液如析出氢多，将会把镀件表面的磨粒冲跑，使镀件表面上固结不住磨料，并造成镀层脱落。为了使镀层与基体表面有牢固的结合力，镀件基体表面要进行表面处理、除油、去锈等。

2.5.3　单层高温钎焊超硬材料磨具

在电镀超硬磨具基础上，20世纪80年代后期开发了单层高温钎焊超硬磨料砂轮。高温钎焊单层金刚石砂轮是用氧（乙）炔焊火焰在钢制基体上喷涂上一层Ni-Cr合金层，以Ni-Cr活性金属层为钎焊料，在氩气感应气氛中直接钎焊金刚石磨粒。在钎焊过程中，Ni-Cr合金分离出碳化物并富集在金刚石表面，使Ni-Cr合金和金刚石之间具有良好的浸润性，使合金层对金刚石有较强的结合强度。钎焊是在1080℃氩气中进行30s内完成。通过电子探针与X衍射分析Ni-Cr合金层与金刚石界面及合金层与钢基体界面，表明磨料、基体金属与Ni-Cr活性金属层之间都获得了较高的结合强度。对磨粒的把持力明显优于电镀单层金刚石砂轮，且合金层厚度维持在磨粒高度的20％～30％的水平上，能适应大负荷高速高效磨削的需要。钎焊砂轮可以提供高达70％～80％的磨料裸露高度，扩展了磨料间的容屑空间，并提高了磨粒的锋刃性与耐用度。但钎焊温度1080℃对金刚石来说易造成热损伤，腐蚀金刚石，影响结合强度。为此，将金刚石进行预处理，在金刚石表面镀覆一层活性金属薄膜，在钎焊过程中镀覆的薄膜对金刚石起保护作用，容易实现Ni-Cr合金层与金刚石之间的强力冶金化学结合，有效地避免磨粒脱落，砂轮寿命和加工效率大幅度提高，适合于300～500m/s的超高速磨削。单层高温钎焊金刚石砂轮将逐步替代传统电镀砂轮。

立方氮化硼（CBN）与Ni-Cr活性合金（钎料）之间浸润性极差，即使在1100℃的还原气氛中其浸润性也不明显。故CBN砂轮钎焊要比金刚石砂轮困难。其解决方法是先对CBN磨料进行针对性预镀改性处理。在CBN磨粒表面上预镀TiC膜。采用化学气相沉积（CVD）的方法在CBN表面上沉积TiC薄膜，其反应方程式为

沉积温度为1000～1050℃，系统压力为0.01MPa，沉积时间为60～90min，CH4流量为0.25L/min，H2流量为10L/min，TiCl4浓度为2％。经90min沉积后CBN颗粒可完全被TiC覆盖。在钎焊过程中，CBN磨料与Ni-Cr合金之间具有良好的浸润性。

2.5.4　高速、高效精密超硬材料磨具

高速、高效精密磨削是先进制造技术的研究和发展方向之一。高速、高效精密超硬材料磨具的研究和开发是先进制造技术的重要组成。我国现已突破一些关键技术，开发出一批性能优良的新型高档超硬材料磨具产品。

（1）汽车发动机曲轴高速高效磨削用CBN砂轮

该砂轮为高强度陶瓷结合剂。在Li2O-Al2O3-SiO2体系的微晶玻璃材料基础上，采用新型氧化物材料，改善结合剂的性能。其微晶玻璃相晶粒<1μm，主晶相为Zr（SiO4），抗折强度≥60MPa，抗磨性较同类结合剂提高30％，能满足125～160m/s高速、超高速加工曲轴的砂轮要求。

该砂轮很好地解决了复杂型面砂轮工作层成型技术。通过对砂轮磨削加工过程受力状态的分析和磨损情况分析、砂轮工作层组织结构及成型方法研究，对砂轮结块采用特殊的结构设计与成型方式，实现了砂轮在不同磨削方式下均匀消耗，保证了曲轴成型磨削加工砂轮的型面精度，提高砂轮的耐用度和使用寿命。经磨削42CrM0锻钢载重曲轴连杆颈，HRC35.5，使用vS=100m/s，加工余量1.2mm（直径），加工节拍14min，Ra达0.4～0.63μm，耐用度每修磨一次15根，使用寿命达3969根，达到产品要求。

（2）集成电路（IC）晶圆背面减薄磨削用金刚石系列砂轮

该系列砂轮包括陶瓷结合剂和树脂结合剂两类，主要用于IC晶圆硅片背面减薄磨削加工。陶瓷结合剂用于粗加工，树脂结合剂用于半精磨与精磨加工。该系列砂轮为杯形砂轮，砂轮直径范围为：ф114～ф444mm，砂轮工作层为窄环高厚度，环宽为2.5～3.5mm，厚度为8～10mm。制造精度要求高，动平衡精度≤62.5，平行度≤0.015mm，外圆跳动度≤0.05mm，砂轮磨料粒度为2000#（8/6μm）、3000#（5/4μm）。砂轮形状分为整环形、带水槽形和三椭圆带水槽形，分别如图2-15（a）、（b）、（c）所示。

该系列砂轮的关键技术为适用于金刚石砂轮的低温烧结成高性能陶瓷结合剂，结合剂为Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2-TiO2-Li2O体系，烧成温度低于700℃，其抗折强度大于38MPa，能满足砂轮速度为50m/s的要求。对于树脂结合剂砂轮采用高气孔率树脂结合剂微粉级金刚石砂轮的制造技术。常规树脂结合剂金刚石砂轮的气孔率在5％以下。这样的砂轮用于硅片背面减薄磨削，自锐性不好，磨削力大，硅片表面损伤层大，型面精度差，易变形。

该砂轮通过对造孔技术以及高气孔率、低密度（1.5g/cm3）、窄环高厚度工作层（如环宽2.5mm，磨料层高度为8mm）砂轮成型工艺的研究，提高了结合剂与磨粒的把持力，解决了高气孔、低密度、窄环高厚度树脂砂轮成型密度不均匀的问题，开发出具有“整体低强、局部高强”特点的高气孔率树脂结合剂金刚石砂轮，气孔率达到30％～80％（体积分数），2000#砂轮表面，可见直径50μm，甚至200～300μm的孔洞。该技术有效地降低了砂轮对硅片的磨削力，减小了砂轮磨削时的接触工件面积并可提供足够的容水、容屑空间。该砂轮可安全应用于50m/s的磨削速度，工件表面不产生划痕、微裂纹，表面损伤层达标，砂轮寿命与进口砂轮相当。

采用该技术研制的325/400#陶瓷结合剂金刚石砂轮（6A2×354×35×235×3×5DV100），在日本Okamoto公司VG401硅片超精密磨床上进行磨削试验，材料去除率达到62.13mm3/s，硅片粗糙度为224nm，损伤层厚度为14.5μm。

在相同磨床上试验研制的2000#树脂金刚石砂轮（6A2×354×35×235×3×5D2000 B100），材料去除率达到10.236mm3/s，硅片粗糙度为Ra=5nm，损伤层厚度为2.5μm，砂轮磨损为1:120。

（3）集成电路（IC）晶圆划片与分割用高精度电镀超薄金刚石切割砂轮

该产品简称电镀薄片，俗称划片刀，主要用于半导体集成电路（IC）和分立器件（TR）晶圆封装前、后道加工中晶圆的划片、分割或开槽等微细加工。其加工特点如下：精密，切缝宽度误差不超过±5μm，切缝崩刃小于5μm；高速，适用转速为：30000～45000r/min。

其产品特征如下。

①在铝合金基体上直接电镀磨料层形成带轮式的切割砂轮，如图2-16所示。

②超薄　磨料工作层厚度0.015～0.06mm，是目前国际上工作层最薄的砂轮。

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

④超细粒度　最细为0.5～2μm。

其关键技术如下。

①超细微粉磨料的均匀分散技术。

②低应力、高刚性、高硬度、高平整度工作层的电镀液配方技术。

③提高镀层与基体结合强度的技术。

④镀后工作层承托基体精密除去技术。

⑤工作层外圆和端面的精密修整技术。

⑥工作层厚度的非接触式检测技术。

⑦专用设备、装置的开发，包括高效精密电镀装置及高精度智能化电镀稳流电源。

上述①和②两项技术确保了工作层金刚石分布均匀、无叠砂、平整、光滑、不变形、精度高以及切割性能优良；④、⑤和⑥三项技术解决了因工作层厚度薄、强度低，加工和检测易断裂的技术难题。第⑦项技术中的电镀装置和电源，不但实现一次可镀多片砂轮，而且保证了镀层的厚度、精度和内在质量的一致性；非接触式检测装置实现了超薄工作层的无损检测。

该产品在用户生产线上经测试达到各项技术指标，如加工5in（1in=25.4mm）、0.35mm厚分立器件，用工作层厚度为20～22μm的砂轮，主轴转速30000r/min，进给速率为50mm/s，切口缝宽不超过40μm，则砂轮使用寿命为6834.97m。又用工作层厚度为18～20μm的砂轮，加工6in、厚0.27mm的晶圆，主轴转速为45000r/min，进给速率为40mm/s，切口缝宽65μm，则砂轮使用寿命为1900m。

（4）精密研磨用陶瓷结合剂CBN磨盘

该系列产品（简称陶瓷磨盘）主要应用于液压件、空调压缩机零件、磁性材料等行业的高压叶片泵核心部件（叶片、定子、转子等）、空调及冰箱压缩机核心部件（缸体、滚套等）和汽车、摩托车发动机核心部件（连杆、活塞环）等数控高效、高精度双端面研磨加工，其加工特点是高效率、精密。加工合金铸铁空调压缩机滚套时，加工节拍50～60s，工件平行度≤2μm，厚度尺寸差<7μm，表面粗糙度值Ra≤0.2μm等。加工高速钢空调压缩机滑片时，加工节拍25～90s，平行度<2μm，厚度尺寸差<4μm，工件RZ值<1.2μm。

陶瓷丸片高效黏结工艺成功解决了成百上千个丸片黏结效率低、黏结不牢、掉块的问题，所研制的产品能够在进口数控研磨机上替代进口产品以加工不同材料的工件，磨削效率、工件质量以及使用寿命等指标均达到国外进口同类产品水平，其综合使用成本比进口磨盘降低30％以上，产品性能稳定：如用1A2T700×55×300×5CBN800V100磨盘加工高速钢滑片，加工节拍25～90s，工件尺寸离散度<4μm，Ra值1.0～1.2μm，平行度1.0～1.5μm，磨盘使用寿命大于70万件；用1A2T634×54×240×4D800V100磨盘加工合金铸铁滚套，加工节拍50～60s，工件尺寸离散度<3μm，Ra值<0.15μm，平行度0.5～1.0μm，磨盘使用寿命60万件。

（5）高硬度刀片磨边用新型复合结合剂金刚石砂轮

该系列产品主要应用于刀具行业硬质合金、陶瓷、金属陶瓷等可转等位刀片周边的高精度、大批量的高效磨削加工，其加工特点如下。高效加工，自动上、下料一次装夹即能完成刀片周边的平面磨削、倒圆及倒棱等工序。加工节拍对1103型刀片为50s左右，1204型刀片约为60s。粗、精磨一次完成。其中，周边磨的去除效率≥12mm3/min。单片磨削余量≥15～20mm3（依砂轮规格不同要求不同，规格越大，余量越大）。此外，还有精密加工特点，刀片尺寸精度要求≤5μm，刃口质量好。

该系列产品砂轮技术参数如下：型号为12A2或2A2，ф250～400mm，平面度0.01～0.02mm，平行度0.01～0.02mm，动平衡精度G2.5。2A2型砂轮结构如图2-17。

该砂轮开发中的关键技术为树脂金属结合剂的复合技术。刀片在往复进给磨削（周边磨）过程中，砂轮表面受到工件的冲击作用，金刚石易脱落，切削能力下降而定点切入磨削（倒圆、倒棱）。砂轮表面形状精度易丧失，使耐用度偏低，从而导致砂轮使用寿命偏低。

通过高温树脂优选、低温金属结合剂的研制以及相应混料、成型、后处理工艺的研究，开发了树脂金属结合剂的复合技术，采用该技术制备的树脂金属复合结合剂，具有金属与树脂形成近似的连续互穿网络分布的相结构。这种复合结构的结合剂，在发挥树脂结合剂自锐性好、磨削效率高、弹性好、工件表面质量高等优点的同时，具备金属结合剂强度高、形状保持精度好、导热性好的特点，满足了高硬度刀片数控周边磨砂轮的高耐磨性要求。该复合结合剂抗拉强度≥40MPa，应用结合剂制成的砂轮具有高耐磨、高锋利度的特性。

上述技术应用效果如下。研制的刀片周边磨金刚石砂轮目前已经在8家国内外知名刀具企业投入使用，磨削的材料涉及硬质合金、金属陶瓷、无机陶瓷等。

磨盘产品为大直径（510～860mm）、高精度（平面度0.01～0.03mm、平行度0.03～0.06mm）丸片式宽工作面（环宽200～400mm）、微粉级端面磨砂轮。图2-18是磨盘结构示意。

该产品生产的主要关键技术如下。

①烧熔高强度陶瓷结合剂　为了保证磨盘具有较好的耐磨性，以获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气孔率很低。因此，需要研发一种流动性较好的结合剂来尽量填满这些气孔。

该砂轮以Li2O-Al2O3-SiO2-B2O3为主体，通过加入少量的Na2O，研发出1000℃时流动性200％、抗折强度大于45MPa（现有结合剂1000℃时流动性140％时，抗折强度大于45MPa）的新型烧熔高强度陶瓷结合剂。同时，该陶瓷结合剂膨胀系数为5.50×10-6（1173K时），与CBN的膨胀系数5.60×10-6（1173K时）接近，满足了加工不锈钢工件用CBN磨盘的要求。

②细粒度磨料均匀混料及造粒工艺　解决了细料易结团、投料不均匀的问题，满足了细粒度成型料在模腔中均匀分布的要求，提高了陶瓷丸片成型的均匀性和一致性。

③陶瓷丸片排列及填充方式　通过研究，提出了根据加工效率、加工表面质量、加工机床钢性等因素以选择丸片形状、排列方式。研制的刀片周边磨砂轮与进口同类产品在相同机床设定参数的条件下用于批量生产，包括磨削质量，耐用度、使用寿命在内的砂轮主要磨削性能指标已达到日本和德国同类产品的水平，工件的综合磨削成本比进口同类产品低30％以上。产品质量稳定。实例：用12A2T300×27×300×12×7砂轮加工M4502-SEEL-120（磨周边及倒圆，材质4YC30S，修整间歇12件，使用寿命23530件），单件砂轮成本为0.19元（日本旭铜砂轮的相应数据为10件、19000件、0.38元）。

随着加工技术的不断提高，高速、高效精密超硬材料磨具将不断涌现新产品。同时，随着航空、航天飞行器及汽车领域的飞速发展，超高速陶瓷结合剂的CBN砂轮将得到进一步发展。此外，达到纳米级表面粗糙度的超精密加工用的金刚砂轮目前已在研发之中。