金刚石砂轮因具备较高的锋利度、机械性能和磨削效率，被认为是加工陶瓷、玻璃和蓝宝石等难加工硬脆材料的理想工具。但传统的金刚石砂轮制造工艺，如电镀、烧结和钎焊工艺等，存在制造效率低、成本高和制造过程污染严重等缺陷；且金刚石磨粒和基体之间的界面附着力低，砂轮使用寿命较短、加工效率低下。
近期，广东工业大学王成勇教授团队提出了以锆基非晶合金为结合剂，金刚石颗粒为磨料，研制了一种新型单层金刚石砂轮。所提出的新方法利用了锆基非晶合金在过冷液相区的塑性行为，通过快速加热加压实现了单层金刚石砂轮的高效可控制造。重点研究了快速加热加压下非晶合金在过冷液相区的流变行为；采用镀Ti金刚石颗粒为磨粒，探究镀钛金刚石-锆基非晶合金结合界面结构和成分，揭示其界面结合模式和结合强度；探明磨削过程中的主要失效模式及表面完整性，并将制造的单层金刚石砂轮与商用电镀和钎焊砂轮的磨削性能进行对比，为加工硬脆材料的高性能单层金刚石砂轮的设计和制造提供新策略。相关工作以题为“Development of a novel bulk metallic glass bonded single-layer diamond wheel”于机械工程TOP期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》（IF：14）上发表。其中，广东工业大学吴丹丹博士生为第一作者，广东工业大学王成勇教授为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104146
非晶合金中“长程无序和短程有序”的独特原子排列特性赋予了其在过冷液相区内优异的超塑性行为，利用这一特性，本研究采用快速加热加压法将金刚石磨料压入锆基非晶合金基体中，在几分钟内即可实现单层金刚石砂轮的快速制造，具备高效率、低成本和绿色环保等特性；为揭示镀钛金刚石磨粒与非晶合金的界面结构，本研究采用透射电子显微镜进行界面成分和结合特性分析，发现金刚石磨粒表面的Ti镀层有助于在两种成分之间形成相互交错的溶解扩散界面，所产生的界面机械咬合可有效提高磨粒的把持力；新型单层金刚石砂轮的主要失效形式为磨粒磨损，而非磨粒脱落；相比于商用电镀砂轮，其用于陶瓷材料磨削时的磨削力和磨削温度更低、磨削比更高，可获得更优的表面加工质量，具备更为优异的磨削性能。所提出的新型单层金刚石砂轮制造工艺为加工硬脆材料的高性能工具高效制造提供了新的策略和基础。
图1 新型单层金刚石砂轮的制造
图2 非晶合金的流变特性分析及砂轮制造工艺
图3 磨粒-基体界面结构成分及结合力分析
图4 主要失效形式及表面完整性分析
图5 磨削性能评估
作者简介
第一作者：吴丹丹，广东工业大学2022级机械工程博士生，导师为王成勇教授。主要研究方向为金刚石增强复合材料的制备及加工，2021年入选广东工业大学“拔尖创新人才计划”。在Int. J. Mach. Tools Manuf.和Mater. Des.等机械工程和材料科学领域TOP期刊发表论文3篇，授权发明专利8项。获得研究生国家奖学金，一等奖学业奖学金、毕业设计（论文）创新奖、广东工业大学优秀毕业生、广东工业大学优秀学生干部等等。
