金剛石工具加工硬脆材料時的磨損及其影響因素
2015.01.13
隨著科學技術的進步和現代工業的發展，硬脆材料(如激光和紅外光學晶體、陶瓷、石英玻璃、硅晶體和石材等)的應用日益廣泛。由于硬脆材料硬度高、脆性大，其物理機械性能
尤其是韌性和強度與金屬材料相比有很大差異，因此這些材料很難甚至不能采用普通的加工方法進行加工。金剛石是自然界已知的硬度高的物質，其優異的性能使其在硬脆材料
加工領域具有廣闊的前景。目前，采用金剛石工具對硬脆材料進行切割和磨削仍是有效的加工方法，如用金剛石切割工具切割石材、用金剛石砂輪磨削陶瓷等。
加工硬脆材料的金剛石工具主要有各種金剛石鋸和金剛石砂輪等，盡管各種工具的應用范圍和加工特點不同，但其磨損機理都大致相同。因為金剛石工具的磨損對工件的加工質量
和加工過程的影響很大，工具的磨損性能是反映工具性能、工藝參數是否合理的一個重要指標，所以對金剛石工具磨損機理的研究對指導金剛石工具的合理制造和工藝參數的合理
選擇具有重要意義。長期以來，國內外許多學者致力于金剛石工具磨損機理的研究，并已取得了可喜的成果。
2．金剛石工具磨損機理的研究
用金剛石工具加工硬脆材料時，由于劇烈摩擦、高溫等的作用，工具不可避免地會產生磨損，而磨損是一個非常復雜的過程。
（1）磨損的三個階段
金剛石工具的磨損由三個階段組成：初始的快速磨損階段(也稱過渡階段)、磨損率約為常數的穩定磨損階段以及隨后的加速磨損階段。加速磨損階段表明工具不能繼續工作，需要
重新修整。
（2）磨粒磨損形式
磨粒磨損形式可分為：整體磨粒、微破碎磨粒、宏觀破碎磨粒、磨粒脫落及磨粒磨平。這幾種磨損形式所占的比例決定于不同的磨損階段、所用工具和被加工材料等。T W Liao等
定量研究了微進給磨削結構陶瓷時金剛石砂輪的磨損并指出：在過渡階段和穩定磨損階段，砂輪的磨損不同。過渡階段的磨損不僅決定于砂輪的規格、材料特性和磨削條件，更重
要的決定于砂輪的制備方法。在過渡階段，因砂輪剛修整過，磨粒伸出大，許多磨粒不參加切削，所以整體磨粒的比例比穩定階段高；同時，修整使許多磨粒伸出過大，把持力
不夠，磨粒脫落的比例比穩定階段高；此外，修整會削弱一些磨粒，使微破碎磨粒的比例比穩定階段高。穩定階段的磨粒磨損主要是摩擦磨損，較低的微破碎磨粒比例和相對高的
摩擦磨損比例說明砂輪沒出現自鋒利現象，這對加工是不利的。哈工大的仇中軍等通過用金剛石砂輪磨削氧化鋁陶瓷，指出砂輪的磨損主要是磨粒磨損和磨粒脫落。S Y LUO對金剛
石鋸片切割花崗巖進行了研究，指出鋸片的失效主要是由于磨粒宏觀破碎和（或）磨粒脫落，當破碎和脫落的磨粒數超過1/3時，工具失效。華僑大學的于怡青等通過對切割石材、
混凝土等材料的過程中金剛石工具表面金剛石及結合劑狀態的大量跟蹤觀察和SEM分析表明：整體磨粒保持越久，加工越容易進行，工具耐磨度也越高；宏觀破碎狀態會導致金剛石
出刃高度顯著下降，甚至失去切削能力；工具切削相當長一段時間后，磨粒自然磨鈍，出刃高度降低，隨著磨粒周圍結合劑的進一步磨損，對金剛石的把持力減弱，導致金剛石脫
落。徐西鵬等研究鋸切花崗石時的金剛石節塊磨損，認為金剛石實際磨損過程需經歷不同的路徑：從完整晶型開始，經歷微破碎再到宏觀破碎，后發生脫落；也可以開始就發生
脫落。這取決于金剛石的品質、所承受載荷和結合劑等因素。而用于金剛石固位載體的金屬結合劑的磨損過程則具有較復雜的摩擦學特性。花崗石的切屑和金剛石碎屑在切削液的
帶動下沖蝕結合劑表面，在其表面形成沖蝕痕跡，結合劑在類似流體研削的條件下被磨蝕。金剛石前端的月牙洼凹坑顯示在鋸切過程中流體形成氣穴而引起沖蝕。此外，結合劑還
受到花崗石中硬質點的刮削和犁削，其形貌類似于金屬磨削加工中的紋理。
（3）金剛石工具磨損機理
金剛石工具的磨損機理大致有以下幾種：摩擦磨損、磨粒破碎、結合劑破碎、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊等，摩擦磨損使磨粒磨鈍和磨平，結合劑破碎使磨粒脫落，磨蝕磨損由于
減弱了結合劑強度而促進了磨粒脫落。不同的加工過程其磨損機理是有區別的，如：用金剛石砂輪微進給磨削結構陶瓷時，金剛石砂輪的磨損主要有三種形式：摩擦磨損、磨粒破
碎和結合劑破碎；除此之外，另一種形式的磨損是結合劑磨蝕。Yiyang Zhou等用陶瓷結合劑砂輪磨削藍寶石，認為陶瓷結合劑砂輪的磨損主要是結合劑脆性斷裂，而金屬和樹脂結
合劑砂輪的磨損主要為磨耗和磨蝕。文獻［5］的作者通過用金剛石鋸片切割花崗巖，指出：工具的磨損機理主要有四個：摩擦磨損、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊。徐西鵬等研究鋸
切花崗石時的金剛石節塊磨損，認為金剛石在經受與花崗石的直接摩擦磨損的同時，還受到花崗石切削碎屑的沖擊和腐蝕，其磨損類型可歸結為：磨粒磨損、沖擊磨損和流體中固
體微粒引起的沖蝕。X P XU等定量分析了作用于磨粒上的載荷和切削區的溫度，認為磨粒破碎主要由沖擊力引起，但溫度變化也很重要，因為它會引起熱疲勞損壞和熱應力。
3．影響金剛石工具磨損的因素
（1）工具
金剛石品級、含量、粒度、結合劑與金剛石的匹配及工具形狀等與工具本身有關的因素是影響工具磨損的重要因素。
通常金剛石含量低，功耗也低；但金剛石含量太低，宏觀破碎會劇增，從而造成出刃高度不足，使功耗反而增加；金剛石含量高，則功耗增加，進而導致金剛石脫落，工具耐磨性
反而下降。若金剛石品級較高，在較低含量情況下，其完整晶型率仍較高，節塊耐磨性高，功耗低，但金剛石品級應與結合劑選擇相匹配。吳健等分析了金剛石品質分散性對鋸切
過程的影響，指出高質量金剛石的耐磨性好，必須要求結合劑也具有很好的耐磨性，只有這樣才能充分發揮高質量金剛石的作用。而對低質量金剛石，由于其抗壓和抗沖擊能力都
較差，即使切割較容易的礦物成分時也會發生較明顯的磨損和破碎，在遇到特別難切割部分時，一般會發生宏觀破碎而失去切削能力，此時對結合劑耐磨性的要求應相對低一些，
以保證金剛石有足夠的出刃高度。文獻［10］同時指出，應盡量降低金剛石的品質分散性。文獻［8］通過分析陶瓷結合劑金剛石砂輪加工藍寶石過程中的主軸變形（用變形表示磨
削所需法向載荷的變化），發現其變形成周期性變化，說明砂輪具有自鋒利性，原因是陶瓷結合劑砂輪的磨損是結合劑材料的脆性斷裂，從而會快速出現新的磨粒。而金屬和樹脂
結合劑砂輪的磨損主要為摩擦磨損和磨蝕。Y C Fu等給出了砂輪磨削的優化模型，通過此模型，可根據加工要求和磨削參數來優化砂輪（包括磨粒大小、濃度、伸出率和有效磨粒
的空間），也可根據砂輪和加工要求優化磨削參數（包括磨削深度、砂輪轉速和工件進給速度）。此外還有不少學者進行了這方面的研究。
（2）加工條件
由于金剛石工具的磨損與其負載狀態密切相關，因此加工條件會對磨損產生明顯影響。戴向國等分析了金剛石砂輪切割工程陶瓷時工藝參數對砂輪壽命的影響，認為當其它參數一
定時，對應每一切割深度均存在一佳砂輪速度；當切割深度和砂輪速度一定時，存在一佳進給速度；各工藝參數對砂輪徑向磨損量影響的主次順序為：砂輪速度—切割深度—
進給速度。文獻［17］指出，工具磨損與加工工藝參數及加工工藝參數間的協調有很大關系，因此必須對工藝參數進行優化。Z J Pei分析了精磨硅片時的情況，得出如下結論：當
砂輪轉速為4350rpm、夾盤轉速為590rpm時，磨削力逐漸增大，當達到一定峰值時，又回到較低值，并繼續按此循環，說明砂輪逐漸變鈍，當磨削力達到一定值時磨粒破碎；當砂輪
轉速為2175rpm、夾盤轉速為40rpm時，砂輪在磨削力較小時破碎。所以，其磨削力基本為常數且磨損率高。
（3）被加工材料
不同的工件材料，其斷裂韌性、硬度等均相差較大，所以工件材料的性質也影響金剛石工具的磨損。文獻［19］研究了用金剛石圓鋸切割不同石材時刀具的磨損并指出：當切割硬
的花崗石時，金剛石圓鋸的磨損主要是磨粒的宏觀破碎和脫落，原因是把持力不夠，切削條件惡劣；當切割較軟的花崗石時，完整晶形和磨粒的微觀破碎占較大比例，同時磨粒脫
落所占比例仍然較高，這種磨損使鋸片保持切割能力。徐西鵬認為：花崗石中不同礦物的性質及變形機理是決定金剛石失效方式的關鍵。石英含量越高，金剛石磨損越劇烈；正長
石的含量若明顯高，則鋸切過程相對較難進行；在相同的鋸切條件下，粒度粗的花崗石較之粒度細的花崗石更難以發生解理斷裂。
尤其是韌性和強度與金屬材料相比有很大差異，因此這些材料很難甚至不能采用普通的加工方法進行加工。金剛石是自然界已知的硬度高的物質，其優異的性能使其在硬脆材料
加工領域具有廣闊的前景。目前，采用金剛石工具對硬脆材料進行切割和磨削仍是有效的加工方法，如用金剛石切割工具切割石材、用金剛石砂輪磨削陶瓷等。
加工硬脆材料的金剛石工具主要有各種金剛石鋸和金剛石砂輪等，盡管各種工具的應用范圍和加工特點不同，但其磨損機理都大致相同。因為金剛石工具的磨損對工件的加工質量
和加工過程的影響很大，工具的磨損性能是反映工具性能、工藝參數是否合理的一個重要指標，所以對金剛石工具磨損機理的研究對指導金剛石工具的合理制造和工藝參數的合理
選擇具有重要意義。長期以來，國內外許多學者致力于金剛石工具磨損機理的研究，并已取得了可喜的成果。
2．金剛石工具磨損機理的研究
用金剛石工具加工硬脆材料時，由于劇烈摩擦、高溫等的作用，工具不可避免地會產生磨損，而磨損是一個非常復雜的過程。
（1）磨損的三個階段
金剛石工具的磨損由三個階段組成：初始的快速磨損階段(也稱過渡階段)、磨損率約為常數的穩定磨損階段以及隨后的加速磨損階段。加速磨損階段表明工具不能繼續工作，需要
重新修整。
（2）磨粒磨損形式
磨粒磨損形式可分為：整體磨粒、微破碎磨粒、宏觀破碎磨粒、磨粒脫落及磨粒磨平。這幾種磨損形式所占的比例決定于不同的磨損階段、所用工具和被加工材料等。T W Liao等
定量研究了微進給磨削結構陶瓷時金剛石砂輪的磨損并指出：在過渡階段和穩定磨損階段，砂輪的磨損不同。過渡階段的磨損不僅決定于砂輪的規格、材料特性和磨削條件，更重
要的決定于砂輪的制備方法。在過渡階段，因砂輪剛修整過，磨粒伸出大，許多磨粒不參加切削，所以整體磨粒的比例比穩定階段高；同時，修整使許多磨粒伸出過大，把持力
不夠，磨粒脫落的比例比穩定階段高；此外，修整會削弱一些磨粒，使微破碎磨粒的比例比穩定階段高。穩定階段的磨粒磨損主要是摩擦磨損，較低的微破碎磨粒比例和相對高的
摩擦磨損比例說明砂輪沒出現自鋒利現象，這對加工是不利的。哈工大的仇中軍等通過用金剛石砂輪磨削氧化鋁陶瓷，指出砂輪的磨損主要是磨粒磨損和磨粒脫落。S Y LUO對金剛
石鋸片切割花崗巖進行了研究，指出鋸片的失效主要是由于磨粒宏觀破碎和（或）磨粒脫落，當破碎和脫落的磨粒數超過1/3時，工具失效。華僑大學的于怡青等通過對切割石材、
混凝土等材料的過程中金剛石工具表面金剛石及結合劑狀態的大量跟蹤觀察和SEM分析表明：整體磨粒保持越久，加工越容易進行，工具耐磨度也越高；宏觀破碎狀態會導致金剛石
出刃高度顯著下降，甚至失去切削能力；工具切削相當長一段時間后，磨粒自然磨鈍，出刃高度降低，隨著磨粒周圍結合劑的進一步磨損，對金剛石的把持力減弱，導致金剛石脫
落。徐西鵬等研究鋸切花崗石時的金剛石節塊磨損，認為金剛石實際磨損過程需經歷不同的路徑：從完整晶型開始，經歷微破碎再到宏觀破碎，后發生脫落；也可以開始就發生
脫落。這取決于金剛石的品質、所承受載荷和結合劑等因素。而用于金剛石固位載體的金屬結合劑的磨損過程則具有較復雜的摩擦學特性。花崗石的切屑和金剛石碎屑在切削液的
帶動下沖蝕結合劑表面，在其表面形成沖蝕痕跡，結合劑在類似流體研削的條件下被磨蝕。金剛石前端的月牙洼凹坑顯示在鋸切過程中流體形成氣穴而引起沖蝕。此外，結合劑還
受到花崗石中硬質點的刮削和犁削，其形貌類似于金屬磨削加工中的紋理。
（3）金剛石工具磨損機理
金剛石工具的磨損機理大致有以下幾種：摩擦磨損、磨粒破碎、結合劑破碎、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊等，摩擦磨損使磨粒磨鈍和磨平，結合劑破碎使磨粒脫落，磨蝕磨損由于
減弱了結合劑強度而促進了磨粒脫落。不同的加工過程其磨損機理是有區別的，如：用金剛石砂輪微進給磨削結構陶瓷時，金剛石砂輪的磨損主要有三種形式：摩擦磨損、磨粒破
碎和結合劑破碎；除此之外，另一種形式的磨損是結合劑磨蝕。Yiyang Zhou等用陶瓷結合劑砂輪磨削藍寶石，認為陶瓷結合劑砂輪的磨損主要是結合劑脆性斷裂，而金屬和樹脂結
合劑砂輪的磨損主要為磨耗和磨蝕。文獻［5］的作者通過用金剛石鋸片切割花崗巖，指出：工具的磨損機理主要有四個：摩擦磨損、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊。徐西鵬等研究鋸
切花崗石時的金剛石節塊磨損，認為金剛石在經受與花崗石的直接摩擦磨損的同時，還受到花崗石切削碎屑的沖擊和腐蝕，其磨損類型可歸結為：磨粒磨損、沖擊磨損和流體中固
體微粒引起的沖蝕。X P XU等定量分析了作用于磨粒上的載荷和切削區的溫度，認為磨粒破碎主要由沖擊力引起，但溫度變化也很重要，因為它會引起熱疲勞損壞和熱應力。
3．影響金剛石工具磨損的因素
（1）工具
金剛石品級、含量、粒度、結合劑與金剛石的匹配及工具形狀等與工具本身有關的因素是影響工具磨損的重要因素。
通常金剛石含量低，功耗也低；但金剛石含量太低，宏觀破碎會劇增，從而造成出刃高度不足，使功耗反而增加；金剛石含量高，則功耗增加，進而導致金剛石脫落，工具耐磨性
反而下降。若金剛石品級較高，在較低含量情況下，其完整晶型率仍較高，節塊耐磨性高，功耗低，但金剛石品級應與結合劑選擇相匹配。吳健等分析了金剛石品質分散性對鋸切
過程的影響，指出高質量金剛石的耐磨性好，必須要求結合劑也具有很好的耐磨性，只有這樣才能充分發揮高質量金剛石的作用。而對低質量金剛石，由于其抗壓和抗沖擊能力都
較差，即使切割較容易的礦物成分時也會發生較明顯的磨損和破碎，在遇到特別難切割部分時，一般會發生宏觀破碎而失去切削能力，此時對結合劑耐磨性的要求應相對低一些，
以保證金剛石有足夠的出刃高度。文獻［10］同時指出，應盡量降低金剛石的品質分散性。文獻［8］通過分析陶瓷結合劑金剛石砂輪加工藍寶石過程中的主軸變形（用變形表示磨
削所需法向載荷的變化），發現其變形成周期性變化，說明砂輪具有自鋒利性，原因是陶瓷結合劑砂輪的磨損是結合劑材料的脆性斷裂，從而會快速出現新的磨粒。而金屬和樹脂
結合劑砂輪的磨損主要為摩擦磨損和磨蝕。Y C Fu等給出了砂輪磨削的優化模型，通過此模型，可根據加工要求和磨削參數來優化砂輪（包括磨粒大小、濃度、伸出率和有效磨粒
的空間），也可根據砂輪和加工要求優化磨削參數（包括磨削深度、砂輪轉速和工件進給速度）。此外還有不少學者進行了這方面的研究。
（2）加工條件
由于金剛石工具的磨損與其負載狀態密切相關，因此加工條件會對磨損產生明顯影響。戴向國等分析了金剛石砂輪切割工程陶瓷時工藝參數對砂輪壽命的影響，認為當其它參數一
定時，對應每一切割深度均存在一佳砂輪速度；當切割深度和砂輪速度一定時，存在一佳進給速度；各工藝參數對砂輪徑向磨損量影響的主次順序為：砂輪速度—切割深度—
進給速度。文獻［17］指出，工具磨損與加工工藝參數及加工工藝參數間的協調有很大關系，因此必須對工藝參數進行優化。Z J Pei分析了精磨硅片時的情況，得出如下結論：當
砂輪轉速為4350rpm、夾盤轉速為590rpm時，磨削力逐漸增大，當達到一定峰值時，又回到較低值，并繼續按此循環，說明砂輪逐漸變鈍，當磨削力達到一定值時磨粒破碎；當砂輪
轉速為2175rpm、夾盤轉速為40rpm時，砂輪在磨削力較小時破碎。所以，其磨削力基本為常數且磨損率高。
（3）被加工材料
不同的工件材料，其斷裂韌性、硬度等均相差較大，所以工件材料的性質也影響金剛石工具的磨損。文獻［19］研究了用金剛石圓鋸切割不同石材時刀具的磨損并指出：當切割硬
的花崗石時，金剛石圓鋸的磨損主要是磨粒的宏觀破碎和脫落，原因是把持力不夠，切削條件惡劣；當切割較軟的花崗石時，完整晶形和磨粒的微觀破碎占較大比例，同時磨粒脫
落所占比例仍然較高，這種磨損使鋸片保持切割能力。徐西鵬認為：花崗石中不同礦物的性質及變形機理是決定金剛石失效方式的關鍵。石英含量越高，金剛石磨損越劇烈；正長
石的含量若明顯高，則鋸切過程相對較難進行；在相同的鋸切條件下，粒度粗的花崗石較之粒度細的花崗石更難以發生解理斷裂。
