金屬結(jié)合劑(M)按金屬或合金種類的成分，分為銅基合金結(jié)合劑(青銅結(jié)合劑)、鈷鎳合金結(jié)合劑、鑄鐵纖維結(jié)合劑及硬質(zhì)合金結(jié)合劑。
(1)銅基結(jié)合劑
銅基結(jié)合劑主要有青銅結(jié)合劑，是用于金剛石、CBN磨具的結(jié)合劑。青銅主要指錫青銅，現(xiàn)在銅與鋁、鈹、硅、錳、鈦、鎂、鉻等元素組成的二元合金元素的銅合金都稱為青銅。銅鋅合金或以鋅為主要合金元素的銅合金，稱為黃銅。銅鎳合金或以鎳為主要合金元素的銅合金稱為白銅。錫青銅是制造金剛石、CBN磨具的主要結(jié)合劑材料。以錫青銅為結(jié)合劑制造的超硬磨具，強度、硬度高，又有較高的脆性，錫青銅收縮率小，易產(chǎn)生分散性縮孔，能滿足制造形狀復(fù)雜且要求有一定氣孔率的磨具，錫青銅導(dǎo)熱性較好，有利于磨具磨削時降低磨削溫度和防止丁件表面燒傷。錫青銅結(jié)合劑的主體材料是銅、錫、鋅、銀等金屬粉末，占95％以上，有時加入少量的石墨等非金屬材料，加入量不超過5％。
根據(jù)平面磨床磨削加工對象和加工質(zhì)量要求，青銅結(jié)合劑可分為多種，常分為二元合金系、三元合金系及多元合金系。
①二元合金系 二元合金主要是銅錫二元合金。標(biāo)準(zhǔn)錫青銅是Cu81．5Snl8，5。銅錫配比可在較大范圍內(nèi)變動。例如，Cu80％-90％，Sn20％-10％，外加1％石墨； Cu85Snl5，外加1％石墨；Cu75Sn25，外加1％石墨。
②三元合金系 在Cu—Sn二元合金基礎(chǔ)上，加入第三組分銀(Ag)、鎳(Ni)、鋅(Zn)等，組成三元合金結(jié)合劑，如Cu80Snl0Agl0、Cu70Sn25A95、Cu73Sn25Pb2等。
③多元合金系 結(jié)合劑組分超過三元以上的為多元合金系。銅仍是基礎(chǔ)組分。常加入的金屬有Ni、Co、Ti、Sn、Zn、Pb、Ag等，如Cu88Snl0ZnlPbt、Cu70Snl0Agl5Ni5、 Cul00Snl0-15Zn2Pb2—3(德國配方)。
(2)鍺暮縮合劑
鈷基結(jié)合劑中含有較高的鈷(Co)組分。分為高鈷與中鈷配方。高鈷組分含Co量大于70％。Co的高漏強度和耐磨性極差且易燒結(jié)。國內(nèi)磨床生產(chǎn)高品級金剛石鋸片，含Co量達(dá)100％。國內(nèi)加工硬質(zhì)花崗巖的高鈷金剛石鋸片所用的配方為C070％、Cu20％、Sn5％、 Mn5％或WC。中鈷配方是為適應(yīng)加工不同對象和不同加工條件。有多種中鈷含量的多元結(jié)合劑配方，如C060%、Cu5%、Sn5%、Zn3%、Nil0%、Mn8 oA、Fe9%或WC。其燒結(jié)溫度為840 880℃，結(jié)合劑硬度為95HRB。
(3)鑄鐵基結(jié)合劑
在鑄鐵基配方中，以Fe及WC作為骨架相，燒結(jié)時呈固相，調(diào)節(jié)Fe／WC的比例，滿足不同加工要求的耐磨性。為增加韌性，添加球墨鑄鐵纖維。鑄鐵纖維結(jié)合劑超硬磨料磨具的磨削比比較大，能適合于高速磨削。鐵基結(jié)合劑配方為30％～50％的Fe、5％～8％的 Sn、20％～30％的Ca、8％～15％的Ni、0～5％的Co、10％～25％的WC。對金剛石磨料鍍鈦合金薄膜，阻止Fe與金剛石的直接接觸，防止Fe對金剛石的親和，增強與結(jié)合劑的黏結(jié)能力，使磨料不易脫落。
(4)金屬結(jié)合劑成分設(shè)計
金屬結(jié)合劑組分分為骨架材料、黏結(jié)金屬，形成碳化物的元素，提高結(jié)合劑的力學(xué)性能的元素、填充料。
骨架材料是在青銅結(jié)合劑、鈷基結(jié)合劑中添加WC、Ti等硬質(zhì)點物質(zhì)，提高和改善結(jié)合劑強度、硬度、耐磨性等性能。在燒結(jié)過程中結(jié)合劑形成液相(黏結(jié)相)，硬質(zhì)點物質(zhì)起結(jié)晶骨架作用，液相將骨架相的孔隙填充達(dá)到致密燒結(jié)，使燒結(jié)制品的強度、硬度、耐磨性滿足把持超硬磨料顆粒的要求，避免出現(xiàn)結(jié)合劑不耐磨而造成超硬磨粒過早脫落。硬質(zhì)點物質(zhì)用量在20％(質(zhì)量)以內(nèi)時，磨具硬度的變化不大。青銅系結(jié)合劑中不加硬質(zhì)點WC、Ti時，抗彎強度為813.4MPa，硬度為14．3HRC，加入WC為15％、Ti為1％時，抗彎強度為1021MPa，硬度為15.0HRC，當(dāng)加入WC25％、Til.5％后，抗彎強度為1527MPa，硬度為23HRC。鈷基系不加WC、Ti，抗彎強度為934MPa，硬度為15.8HRC，加入WC為15％、Ti為1 oA后，抗彎強度為1227MPa，硬度為16.2HRC，加入WC為25％、Ti為1.5％后，抗彎強度為1527MPa，硬度為24HRC。
黏結(jié)金屬應(yīng)用的是銅基合金。超硬磨料需要在1000。C以下進(jìn)行燒結(jié)。銅基合金熔點能滿足1000℃的要求。其中Sn的熔點較低且能降低合金表面張力，改善黏結(jié)金屬對超硬磨料的潤濕作用，降低銅的熔點并起固溶強化作用，所以銅錫合金作為超硬磨具結(jié)合劑效果良好。在銅基結(jié)合劑中含有銅、錫、鋅、鎳、錳、鉆、鐵、鉛、鋁、鈹、．鈦、鉻、鉬等多種金屬元素及石墨、Fe。04、WC等非金屬添加劑，所以超硬磨具燒結(jié)后結(jié)合劑中的秧結(jié)相不是簡單的青銅或黃銅，而是復(fù)雜的多元青銅或自銅。各元素在銅合金中的溶解度不同，能夠無限互溶形成連續(xù)固體。復(fù)雜銅合金中各元素的固溶規(guī)律，對燒結(jié)超硬磨具性能有重要作用。金屬結(jié)合劑中各組成及含量與性能的關(guān)系，必須通過對合金相圖分析，了解有關(guān)合金的 結(jié)晶狀況和顯微組織，才能掌握金屬結(jié)合劑的相關(guān)規(guī)律，用以指導(dǎo)超硬磨具生產(chǎn)。
碳化物形成元素有Cr、Ti、W、Mo等。這些元素可以與超硬磨料形成碳化物，可提高結(jié)合劑對金剛石、CBN的黏結(jié)強度。
在金屬結(jié)合劑配方中加入co、Ni、Mn、Si、A1等元素，可以提高結(jié)合劑的力學(xué)性能。配方中加入Co、Ni元素，可提高潤濕性及固溶強化作用，增大結(jié)合劑強度和硬度。加入的Mn是弱脫氧劑，Mn與si、Al一起存在時脫氧能力急劇加強。又因Mn熔點較低(1244度)，易與其他金屬形成低熔點合金。Cu—Ce合金有好的脫氧作用，能提高合金流動性，使制品致密，無針孔縮松等缺陷，可消除低熔點雜質(zhì)的有害影響，提高力學(xué)性能。Pb可提高合金的耐磨性、密實性和耐腐蝕性，減少結(jié)合劑與工件的摩擦因數(shù)。si與B的加入，可大幅度降低合金熔點，但也會增加結(jié)合劑的脆性。Ag粉的加入可使銅基合金的抗彎強度大幅增加，并提高導(dǎo)電性能。
石墨是青銅結(jié)合劑中常用的非金屬填充料，加入石墨可防止磨床磨具變形，降低磨具韌性，減輕青銅結(jié)合劑磨削堵塞，在結(jié)合劑中起潤滑、造孔、吸氧等有益作用。其加入量為1％-5％。近來國外將石墨制成球形粉末顆粒，將外表面鍍覆一薄層金屬，在燒結(jié)時，球形石墨表層金屬與結(jié)合劑金屬黏結(jié)在一起，防止石墨滑移和黏結(jié)能力下降。磨削過程中石墨顆粒所占的空間形成一個微孔，有助于石墨發(fā)揮潤滑作用，改善磨兵韻磨削性能。結(jié)合劑中加入FesOt主要是提高結(jié)合劑的脆性減少磨具堵塞現(xiàn)象。Fe304用量多，會使結(jié)合劑強度下降,一般用量為3％-7％(質(zhì)量)。
(5)燒結(jié)理論
燒結(jié)是金屬結(jié)合劑超硬磨具的重要工序。燒結(jié)是指金屬結(jié)合劑粉末預(yù)壓成形的坯體在一定外界條件和低于結(jié)合劑主要組元熔點的燒結(jié)溫度下，所發(fā)生粉末顆粒表面減少，孔隙體積降低的過程。燒結(jié)溫度一般為金屬粉末熔點溫度Tw的70％~80％。在燒結(jié)過程中，發(fā)生添加劑的揮發(fā)、變形顆粒回復(fù)與再結(jié)晶，結(jié)合劑顆粒之間的物質(zhì)擴徽、流動、溶解、化合及進(jìn)化等一系列物理、化學(xué)變化。燒結(jié)的結(jié)果使粉末顆粒密度增加強度提高。結(jié)合劑預(yù)壓坯體在燒結(jié)過程中包括升溫過程、在燒結(jié)溫度下的保溫過程和降溫冷卻過程。按燒結(jié)時物相狀態(tài)分為流相燒結(jié)和固相燒結(jié)。多數(shù)材料的燒結(jié)是液相燒結(jié)。液相燒結(jié)時有流態(tài)的液相，可迅速填充氣孔而達(dá)到致密燒結(jié)，把配方中高溫熔化的銅合金稱為黏結(jié)合。固相燒結(jié)時無液相形成，致密化過程通過原子擴散蒸發(fā)凝聚和塑性變形實現(xiàn)。
燒結(jié)分為冷壓燒結(jié)與熱壓燒結(jié)。冷壓燒結(jié)是先用模具將粉末金屬以較高壓力壓制成形，然后在常壓下燒結(jié)。為防止粉末金屬氧化，燒結(jié)一般在還原氣氛（氨氣或氨分解氣)或中性氣氛(氮氣、氬氣)下進(jìn)行。這種燒結(jié)過程主要依賴于液相在毛細(xì)管力用用下，填充氣孔達(dá)到致密化。液相不足則浸潤性不好，不能良好滲透，則燒結(jié)體密度和強度較低。故冷壓燒結(jié)配方要求能夠形成較多的液相。冷壓燒結(jié)主要用于金鋼石小切割片，金測石砂輪的制造，其生產(chǎn)批量大，制造成本低，但燒結(jié)時間長。熱壓燒結(jié)是金屬結(jié)合劑超硬磨具生產(chǎn)使用最多的方法。在熱壓條件下，形成的液相在壓力作用下強制流動滲透。高溫下即使是骨架相也會軟化。在壓力作用下發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致產(chǎn)品在短時間內(nèi)達(dá)到99%的致密化，容易保證熱壓產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量。
(6)燒結(jié)金屬結(jié)合劑超硬磨具生產(chǎn)工藝
燒結(jié)金屬結(jié)合劑超硬磨床磨具生產(chǎn)工藝(包括冷壓法和熱壓法）如圖1所示。
①燒結(jié)金屬結(jié)合劑配方設(shè)計 設(shè)計原則主要考慮所設(shè)計磨具的性能使用要求。根據(jù)用戶所提出的磨削要求進(jìn)行配方設(shè)計，選擇結(jié)合劑各種原料及用量。配方設(shè)計要先確定超硬磨料的品種及濃度。不同品種牌號超硬磨料適用于不同工件材質(zhì)的加工。粗磨、大磨除率磨削，要選用粗粒度和高濃度的磨料。細(xì)粒度、低濃度（用量）磨料、則適用于精磨。其次要確定結(jié)合劑組分的合理配比，結(jié)合劑與磨料的品種、性能要相互配合，結(jié)合劑的組成和性能據(jù)硬磨要．能應(yīng)與加工材料性質(zhì)和加工方式相適應(yīng)。最后要確定適當(dāng)?shù)哪ゾ呓M織。結(jié)合劑各種成分的用量計算同普通磨具、樹脂磨具的配方計算。

圖1 燒結(jié)金屬結(jié)合劑超硬磨具生產(chǎn)丁藝流程
②金屬結(jié)合劑超硬磨具成形料配混金屬結(jié)合劑金剛石、CBN磨具成形料分工作層與過渡層成形料配混。工作層成形料由金剮石、CBN磨料、金屬結(jié)合劑與潤濕劑組成。先混制過渡層成形料，后混制工作層成形料。混料要保證超硬磨料與結(jié)合劑混合均勻。超硬磨料與結(jié)合劑充分混合后，再加入潤濕劑，或先將超硬磨料與潤濕劑混勻，再加結(jié)合劑充分混均勻。混料要嚴(yán)格控制各組成材料的用量。
③金屬結(jié)合劑成形模具 超硬磨料金剛石、CBN磨具成形磨床模具由模套、壓環(huán)、心棒、心桿、底板等部分組成。由于超硬磨料砂輪成形壓力在300～500MPa范圍內(nèi)，且生產(chǎn)批量較小，故成形模具所使用的材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金。對于軟金屬青銅、锝粉末盡量選擇碳素工具鋼與合金鋼；對于高密度、高強度、硬度、耐磨性高的磨具，可選用耐熱鋼。成形模具應(yīng)根據(jù)磨具尺寸和形狀來設(shè)計其結(jié)構(gòu)尺寸。金剛石磨具坯體尺寸不允許留有余量，故模套內(nèi)徑尺寸就是制品的外徑尺寸，模套內(nèi)徑尺寸應(yīng)保證磨具工作層金剮石的濃度(用量)不變。
④壓制成形工藝包括冷壓成形與熱壓成形工藝法。常選液壓機，加壓方式分為上壓式、下壓式與橫向加壓式。總壓制壓力F可按F—pSK計算，P為油壓機公稱壓力，K為安全系數(shù)，取K-1.15-1.50，S為所壓制坯體橫截面積。
⑤燒結(jié)工藝超硬磨具燒結(jié)所使用的燒結(jié)爐多采用電加熱。電加熱方式有碳管電阻加熱、高頻或中頻感應(yīng)加熱。燒結(jié)爐有管式爐、鐘蓋爐、中頻感應(yīng)爐、內(nèi)熱電阻爐。燒結(jié)中采用中性還原氣氛或固體還原介質(zhì)保護(hù)氣氛，防止燒結(jié)過程中超硬磨料氧化。中性氣氛用Nz、CO，真空，還原氣氛有H、CO、烴。固體保護(hù)介質(zhì)主要使用木炭。燒結(jié)時要嚴(yán)格執(zhí)行燒結(jié)工藝規(guī)范(燒結(jié)溫度曲線)，也稱燒結(jié)制度。燒結(jié)溫度曲線由升溫、保溫?zé)Y(jié)，冷卻三部分組成。
⑥燒結(jié)廢品燒結(jié)工藝受結(jié)合劑原材料、配混料工藝、成形工藝等諸多因素影響，燒結(jié)過程中又發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，偏離了工藝要求及配方要求，會造成磨具的廢品。常見燒結(jié)廢品有裂紋、組織不均、變形、發(fā)泡、色澤不均及掉環(huán)等。