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金屬結(jié)合劑金剛石砂輪與樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪和陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪相比，具有成型密度高，組織致密，韌性好，耐磨性好等特點(diǎn)，多用來(lái)加工金屬間化合物、高溫合金、工程陶瓷、硬質(zhì)合金和寶石等難加工材料。但傳統(tǒng)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪屬致密型砂輪，孔隙率很低，磨削過(guò)程中，自銳性差，磨屑易堵塞粘附，導(dǎo)致工件燒傷，且修整修銳困難。傳統(tǒng)金屬結(jié)合劑砂輪的這些缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。雖然目前采用激光修整等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的精確修整，但是如果能制造出一種本身自銳性就很好的砂輪，則能達(dá)到事半功倍的效果。
氣孔作為砂輪的三要素之一，在砂輪磨削加工過(guò)程中具有很重要的作用：氣孔具有一定的容屑排屑能力，能有效預(yù)防砂輪堵塞；氣孔如果為開(kāi)孔，冷卻液將通過(guò)開(kāi)孔不斷滲入到砂輪里，甚至是磨削區(qū)域，起到冷卻散熱的作用，有效減少工件燒傷的機(jī)率；在陶瓷結(jié)合劑砂輪中，合理的氣孔分布能有效抑制裂紋的擴(kuò)展，增加結(jié)合劑韌性，從而提高陶瓷結(jié)合劑砂輪的抗沖擊強(qiáng)度。
為了從根本上解決金屬結(jié)合劑金剛石砂輪自銳性差、金剛石磨粒出刃難、修整修銳困難等問(wèn)題，日本學(xué)者T.Tanaka在1992年提出將孔隙結(jié)構(gòu)引入到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中，并嘗試制備了以鑄鐵為結(jié)合劑的多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。隨后，在S.H.Troung等人的進(jìn)一步研究中使用了熱等靜壓法、真空燒結(jié)法和通電燒結(jié)法制備多孔金屬結(jié)合劑砂輪，并證實(shí)多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪具有磨削鋒利、磨削力小、磨削溫度低、砂輪易于修整修銳等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)、華僑大學(xué)等的研究人員對(duì)多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備及磨削性能的研究較多。
粉末冶金法制備的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中的氣孔按照生成機(jī)理可分為間隙孔和生成孔。間隙孔是燒結(jié)過(guò)程中由于原子遷移、燒結(jié)頸的形成與長(zhǎng)大、閉孔球化之后，通過(guò)延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間也無(wú)法完全消除的少量閉孔隙；生成孔是添加成孔劑后，在燒結(jié)過(guò)程中成孔劑分解、揮發(fā)、溶解而形成的孔或者是在使用過(guò)程中成孔劑溶解或破碎而形成的孔。故生成孔取決于成孔劑的類(lèi)型、顆粒形狀和加入量等。而在多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的成孔方法大多借鑒多孔陶瓷結(jié)合劑砂輪和多孔金屬材料的成孔方法。目前常用的制備方法有以下幾種：
1、高溫分解或揮發(fā)物造孔
J.B.Mao等用白砂糖做成孔劑制備陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，研究表明糖含量不僅影響孔隙率還影響孔的形狀、大小和分布。糖含量從3%增加到5%，孔隙率從26.1%增加到31.9%，試樣抗彎強(qiáng)度從51MPa降低到22MPa。糖含量在1%~3%時(shí)，生成孔小而且分布均勻；糖含量在5%~7%時(shí)，生成孔大且不均勻，產(chǎn)生大量孔隙通道，強(qiáng)度大大降低。糖含量達(dá)到9%時(shí)，節(jié)塊嚴(yán)重變形或開(kāi)裂。X.F.Lv等用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）做成孔劑制備陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪。PMMA的熱分解溫度在250 ℃到400 ℃之間，PMMA做成孔劑成的孔比用活性炭做成孔劑成的孔更均勻，孔的形狀也更接近于球形。PMMA做成孔劑試樣的抗彎強(qiáng)度和洛氏硬度均比用活性炭高。PMMA的含量從0增加到8%，試樣孔隙率從36.5%增加到43.5%，抗彎強(qiáng)度從90 MPa減小到59.7 MPa，而加8%活性炭的試樣抗彎強(qiáng)度僅為38.6 MPa。原因是活性炭成孔不規(guī)則產(chǎn)生缺陷，易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。這種方法的缺點(diǎn)是孔大小、形狀、分布不易控制，易導(dǎo)致磨具膨脹、開(kāi)裂。李養(yǎng)帥等在鋁青銅胎體中添加2%的TiH2之后，鋁青銅胎體的力學(xué)性能顯著提高。TiH2高溫分解之后能起到造孔劑的作用，同時(shí)TiH2分解之后產(chǎn)生的Ti原子具有較高的活性，能與Cu形成固溶體，也能與金剛石反應(yīng)生成碳化物，提高磨具強(qiáng)度。
2、可溶（熔）性鹽類(lèi)物質(zhì)造孔
侯永改等使用一種可溶性鹽類(lèi)做成孔劑制備陶瓷結(jié)合劑CBN磨具。這種成孔劑在磨具磨削過(guò)程中可溶解于水溶性冷卻液中，而在自身占據(jù)的位置形成氣孔。這種方法的缺點(diǎn)是砂輪吸水后容易變形，影響砂輪的質(zhì)量。賈寶強(qiáng)采用熔（溶）鹽-脫鹽法制備金屬通孔材料，將模壓成型塊860~880℃預(yù)燒結(jié)保溫2h，在950℃~1000℃保溫0.5h將BaCl2熔融脫掉，在1150℃保溫?zé)Y(jié)0.5h，制備出多孔鎳材料；將模壓成型塊在720~730℃預(yù)燒結(jié)保溫2h，在950℃保溫?zé)Y(jié)1h后隨爐冷卻至室溫，再經(jīng)100℃蒸餾水中煮沸1h將NaCl溶解脫掉，制備出多孔銅鎳合金多孔材料。這種方法過(guò)程繁瑣，并且熔（溶）鹽不容易完全脫去。
3、超臨界萃取成孔劑造孔
TimothyD.Davis等用超臨界CO2萃取成孔劑聯(lián)二苯制備多孔陶瓷砂輪。使用此方法不會(huì)損傷磨具的微觀結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)成孔劑在燒結(jié)過(guò)程中易造成磨具膨脹、開(kāi)裂等缺陷。萃取溫度295~338 K，壓力8.8~27.6 MPa，CO2流量3.4′10-5 KgS-1和7.5′10-5 KgS-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：萃取效果受溫度和CO2流量影響較大，基本不受壓力和成孔劑顆粒大小的影響。萃取制備的多孔砂輪與傳統(tǒng)砂輪性能相似，但在高金屬切除率環(huán)境下，萃取多孔砂輪表現(xiàn)出更好的性能，并且孔徑大的砂輪比孔徑小的砂輪性能好。這種方法的缺點(diǎn)是過(guò)程復(fù)雜，成本較高。
4、陶瓷空心球造孔
W.F.Ding等用Al2O3空心球作成孔劑，石墨作添加劑，在真空度小于1′10-2、壓力440 MPa、燒結(jié)溫度880 ℃條件下保溫30 min制備了以Cu-Sn-Ti合金為結(jié)合劑的多孔CBN砂輪。使用高溫分解的物質(zhì)作成孔劑制得的多孔金屬結(jié)合劑砂輪，孔的大小、形狀、分布不易控制，而用Al2O3空心球作成孔劑便可有效克服以上問(wèn)題。在磨削過(guò)程中，Al2O3空心球破碎，形成孔隙，使砂輪具有更大的容屑空間。當(dāng)節(jié)塊的孔隙率從8%增加到45%時(shí)，節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度從103 MPa減小到51 MPa。考慮到孔隙率對(duì)容屑能力和抗彎強(qiáng)度的影響，孔隙率的最佳范圍為8~28%，Al2O3空心球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5~20%之間。選取難磨材料鎳高溫合金做磨削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同條件下，多孔金屬結(jié)合劑CBN砂輪比陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪具有更高的抗彎強(qiáng)度、低的磨削力和磨削能。劉明耀等采用銅粉、錫粉、鈷粉、鍍鈦金剛石為原料，以陶瓷空心球做成孔劑制備多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，可避免以水溶性鹽類(lèi)物質(zhì)做造孔劑時(shí)易吸水影響砂輪質(zhì)量，以低熔點(diǎn)物質(zhì)做造孔劑壓制壓力小使強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。添加適量的陶瓷空心球的多孔砂輪在磨削YG8硬質(zhì)合金時(shí)表現(xiàn)出很好的鋒利性和自銳性。添加3.75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷空心球砂輪的磨削效率最高，比致密砂輪提高了43%。
通過(guò)以上方法可以成功制備出孔隙率高達(dá)50%以上的多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，但隨著孔隙率的增加，金屬結(jié)合劑橋的體積會(huì)大大減少，導(dǎo)致金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的把持強(qiáng)度減弱，砂輪的強(qiáng)度也會(huì)大大降低。同時(shí)，金剛石與結(jié)合劑的磨損過(guò)程不同步，金剛石過(guò)早脫落，造成金剛石磨料的浪費(fèi)，也使砂輪壽命大大縮短。為了提高多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的強(qiáng)度，南京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在將孔隙結(jié)構(gòu)引入到金屬結(jié)合劑砂輪的同時(shí)，借鑒高溫釬焊金剛石工具技術(shù)原理，企圖實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)合劑與金剛石之間的化學(xué)冶金結(jié)合，從而提高砂輪強(qiáng)度。
釬焊金剛石工具具有金剛石出露度高，容屑排屑空間大等優(yōu)點(diǎn)， Y.Q.Yu等比較了釬焊金剛石工具與熱壓燒結(jié)金剛石工具的區(qū)別：釬焊金剛石工具結(jié)合劑對(duì)金剛石的結(jié)合強(qiáng)度比熱壓燒結(jié)的高；釬焊金剛石工具金剛石不易脫落且具有更高的出露高度；釬焊金剛石工具的磨損主要是金剛石的磨耗磨損，提高了金剛石的利用率和磨削效率。
馮曉杰以Ni-Cr合金和WC粉末為結(jié)合劑原料，以碳酸氫銨為造孔劑，先真空燒結(jié)制備多孔金剛石節(jié)塊，再用高頻感應(yīng)以銀焊片為焊劑將節(jié)塊焊接到基體鑲塊上制備出多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。通過(guò)金剛石節(jié)塊斷口處的微觀分析可以明顯看出金剛石未被結(jié)合劑完全包覆，周?chē)嬖诳紫叮欣谏拜喌男拚掬J，提高容屑空間。在金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合界面處有Cr7C3生成，表明Ni-Cr合金在金剛石與結(jié)合劑界面形成了化學(xué)冶金結(jié)合，有效改善了在孔隙存在情況下結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持強(qiáng)度。張偉峰采用松裝燒結(jié)法制備多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊。將金剛石磨料、Ni-Cr合金釬料、Fe粉和造孔劑（高溫?fù)]發(fā)物）混合均勻，經(jīng)成型、烘干、真空燒結(jié)等工藝制得節(jié)塊。采用高頻感應(yīng)焊接法將節(jié)塊基體鑲塊焊接，制備多孔金屬結(jié)合劑砂輪。借助SEM觀察了金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明在Ni-Cr合金釬料與金剛石界面上有多層條狀碳化物生成，大大提高了金剛石與Ni-Cr合金結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度。
高溫釬焊金剛石砂輪與電鍍金剛石砂輪相比表現(xiàn)出了無(wú)可比擬的優(yōu)異磨削性能。釬焊代替電鍍，希望能借鑒高溫釬焊使釬料在金剛石與結(jié)合劑界面上發(fā)生溶解、擴(kuò)散、化合等相互作用，從而從根本上改善金剛石、結(jié)合劑與基體三者之間的結(jié)合強(qiáng)度。目前，高溫釬焊金剛石工具多為單層的，實(shí)質(zhì)上是表鑲形式，這使得工具壽命受到極大限制。前人的研究發(fā)現(xiàn)孔隙的大小、形狀、分部的均勻性均會(huì)影響砂輪的強(qiáng)度，金剛石磨料的有序排布會(huì)大大提高金剛石利用率和磨削效率。因此如何將三者聯(lián)系起來(lái)，制備出孔隙大小、形狀一致、分布均勻，金剛石有序排布的多層或孕鑲多孔釬焊金剛石砂輪應(yīng)當(dāng)成為多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。