金剛石砂輪因具備較高的鋒利度、機械性能和磨削效率，被認為是加工陶瓷、玻璃和藍寶石等難加工硬脆材料的理想工具。但傳統的金剛石砂輪制造工藝，如電鍍、燒結和釬焊工藝等，存在制造效率低、成本高和制造過程污染嚴重等缺陷；且金剛石磨粒和基體之間的界面附著力低，砂輪使用壽命較短、加工效率低下。

       近期，廣東工業大學王成勇教授團隊提出了以鋯基非晶合金為結合劑，金剛石顆粒為磨料，研制了一種新型單層金剛石砂輪。所提出的新方法利用了鋯基非晶合金在過冷液相區的塑性行為，通過快速加熱加壓實現了單層金剛石砂輪的高效可控制造。重點研究了快速加熱加壓下非晶合金在過冷液相區的流變行為；采用鍍Ti金剛石顆粒為磨粒，探究鍍鈦金剛石-鋯基非晶合金結合界面結構和成分，揭示其界面結合模式和結合強度；探明磨削過程中的主要失效模式及表面完整性，并將制造的單層金剛石砂輪與商用電鍍和釬焊砂輪的磨削性能進行對比，為加工硬脆材料的高性能單層金剛石砂輪的設計和制造提供新策略。相關工作以題為“Development of a novel bulk metallic glass bonded single-layer diamond wheel”于機械工程TOP期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》（IF：14）上發表。其中，廣東工業大學吳丹丹博士生為第一作者，廣東工業大學王成勇教授為通訊作者。

       論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104146

       非晶合金中“長程無序和短程有序”的獨特原子排列特性賦予了其在過冷液相區內優異的超塑性行為，利用這一特性，本研究采用快速加熱加壓法將金剛石磨料壓入鋯基非晶合金基體中，在幾分鐘內即可實現單層金剛石砂輪的快速制造，具備高效率、低成本和綠色環保等特性；為揭示鍍鈦金剛石磨粒與非晶合金的界面結構，本研究采用透射電子顯微鏡進行界面成分和結合特性分析，發現金剛石磨粒表面的Ti鍍層有助于在兩種成分之間形成相互交錯的溶解擴散界面，所產生的界面機械咬合可有效提高磨粒的把持力；新型單層金剛石砂輪的主要失效形式為磨粒磨損，而非磨粒脫落；相比于商用電鍍砂輪，其用于陶瓷材料磨削時的磨削力和磨削溫度更低、磨削比更高，可獲得更優的表面加工質量，具備更為優異的磨削性能。所提出的新型單層金剛石砂輪制造工藝為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礎。

圖1 新型單層金剛石砂輪的制造

圖2 非晶合金的流變特性分析及砂輪制造工藝

圖3 磨粒-基體界面結構成分及結合力分析

圖4 主要失效形式及表面完整性分析

圖5 磨削性能評估

       作者簡介 

       第一作者：吳丹丹，廣東工業大學2022級機械工程博士生，導師為王成勇教授。主要研究方向為金剛石增強復合材料的制備及加工，2021年入選廣東工業大學“拔尖創新人才計劃”。在Int. J. Mach. Tools Manuf.和Mater. Des.等機械工程和材料科學領域TOP期刊發表論文3篇，授權發明專利8項。獲得研究生國家獎學金，一等獎學業獎學金、畢業設計（論文）創新獎、廣東工業大學優秀畢業生、廣東工業大學優秀學生干部等等。