金属基金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展

金属基金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展

司卫征袁慧张凤林王成勇

(广东工业大学机电工程学院广州510006)

摘要本文综述了金属基金刚石工具结合剂中添加各种合金元素的研究进展。重点阐述了骨架材料、碳化物形成元素、稀土、非金属元素等在金属结合剂的作用及其影响机理。

关键词：金刚石工具，金属结合剂，合金元素

Research advances of adding alloying elements in the bond

of metal matrix diamond tools

Si Weizheng Yuan Hui Zhang Fenglin Wang Chengyong

(Faculty of Mechanical&Electronic Engineering,Guangdong University of

Technology,Guangzhou510006,China)

Abstract：In this paper the advances of several kinds of alloying elements added in the bond of metal matrix diamond tools are summarized.The effect and working mechanism of skeleton material,carbide-forming elements,rare-earth and non-metallic elements in the bond are discussed. Keywords:diamond tools,metal bond,alloying elements

1.引言

金刚石由于其极高的硬度被广泛应用于地质勘探和脆硬材料的切割、磨削及抛光等领域。在最常用的金属基金刚石工具中，金刚石是切削元件，金属胎体用来固结切削元件，并使之有适当的出刃。因而要求金刚石工具胎体既要能牢固粘结金刚石又要与其磨损“匹配”。而胎体的性能主要取决于胎体材料的成分及其微观结构。

在保证烧结质量的前提下，添加不同的合金元素可以提高胎体的力学性能以及改善结合剂和金刚石界面结合状况。本文对组成金属结合剂胎体中添加的骨架材料、强碳化物形成元素、稀土元素以及非金属元素等的研究进展进行综述。

2骨架材料

骨架材料一般是具有高熔点、高硬度的粉末材料，如WC、W2C、TiC等，也有用难熔金属W和Mo代替WC等使用。骨架材料加入的主要目的是提高工具胎体的硬度和耐磨性，也有些可以起到提高韧性的作用。在胎体合金中掺入少量TaC、NbC能阻碍碳化物相的再结晶，细化合金晶粒，提高合金的硬度和抗弯强度等性能[1]。SiC也可作为一种骨架材料加入到胎体

材料中。比如在Fe–Cu合金中加入1wt％SiC，经高温烧结后（1150℃），可以使胎体硬度提高14％[2]。

骨架材料的粒度也会对工具性能有较大的影响。研究表明添加细粒度的WC对位错运动有着钉扎作用，从而提高胎体的强度和硬度[3]。在Sn-Ni-Co-Cu合金金刚石结块配方中添加超细WC粉末能改善结块的微观结构，细化晶粒，提高胎体对金刚石的结合强度[4]。而纳米尺度的WC作为骨架材料加入到金刚石工具胎体中，可以明显改善胎体的力学性能[5]。本课题组也正在从事这方面的研究工作。

3碳化物形成元素

具有共价键的金刚石和多数金属合金之间有很高的界面能，一般金属与金刚石之间不发生界面反应，以机械镶嵌为主，胎体对金刚石没有足够的把持力。而向胎体中添加一些碳化物形成元素，则可以改善胎体对金刚石的界面结合状态，提高胎体对金刚石的把持力。

目前，胎体中添加的碳化物形成元素主要包括Ti、Cr、V、W、Zr及其合金等。Mortimer 研究发现，当Cr、V的含量超过0.1at.%或Ti的含量超过10at.%时，Cr、V或Ti的二元合金都能润湿并粘结金刚石，形成的碳化物层厚度随添加元素的浓度和反应时间的增加而变厚[6]。在常温下金刚石与胎体的结合强度随着碳化物形成元素浓度的增加而增加，在某一浓度达到最大值，随后降低[7]。文献[8]指出当Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1at.%时，粘结强度出现一峰值，高达35kg/mm2。Ti浓度在0.07at.%左右时，粘结强度出现峰值，约在40kg/mm2以上。当合金中含V量达到0.01at.%时，粘结强度出现峰值高达65kg/mm2，再提高V的含量，粘结强度下降，当V含量增加至10at.%时，粘结强度下降至15kg/mm2。文献[9]指出当钴基金刚石胎体材料中Cr含量从0增加到4wt.％时，胎体抗弯强度从801MPa增加到923.1MPa，提高了15％；在Co-Cu基胎体中，复合添加Al＋Ti的效果优于Cr、TiH2。

为了揭示碳化物形成元素在金刚石工具中的作用机理，国内外不少学者采用各种分析方法对结合剂与金刚石复合材料在热压时界面反应及反应产物的形态和分布进行了分析。一般认为碳化物形成元素在结合剂中的作用机理是：在低熔点金属中加少量的强碳化物形成元素，在适当的温度下，与金刚石发生反应：C+Me→MeC，在金刚石表面形成一层十分稳定的界面反应层，从而提高胎体对金刚石的粘结强度[10,11]。

比如文献[12]指出在金刚石工具胎体中加入ZrH2、Zr3N2、TiH2以及Ti3N2可在金刚石与胎体金属界面处生成了一薄层金属碳化物ZrC和TiC，使金刚石在胎体中由机械包镶变成化学冶金结合。文献[13]通过对Cu-Ti合金与金刚石(或石墨)界面的微区组织分析，得到Cu-Ti合金中的Ti原子与金刚石（石墨）的表面的碳原子在高温下反应生成稳定的、断续的TiC膜。且认为Cu-Ti合金对金刚石的浸润和粘结是通过TiC实现的。文献[14]在铁基胎体材料中添加一定

量钛，钛以碳化钛反应产物的形式随着热压温度的提高而富集在粉末颗粒与金刚石的表面，提高了胎体材料对金刚石的粘结强度。含Cr的Co基和Cu基胎体在热压时，Cr富集于金刚石表面并与金刚石反应，经X衍射分析发现在金刚石表面生成了Cr7C3和Cr3C2的碳化物层，实现了金刚石表面金属化，从而改善了胎体材料对金刚石的润湿性能，提高了胎体对金刚石的粘结强度[9,15]。

此外，碳化物形成元素对胎体也存着固溶强化的作用。文献[16]通过对Cr在常用胎体材料中的扩散反应及Cr对胎体材料粘结金刚石的影响时发现：在820℃短时热压条件下，Cr在钴-青铜系和Fe-青铜系胎体材料中分别形成了8~20μm和4~10μm厚的扩散层；成分分析表明Cr在A-Fe、C-Co和A-Cu中的溶解度依次减少；Cr显著强化了胎体材料。另外文献[9]也有类似的结果。

4稀土元素

金属基金刚石工具结合剂中添加少量稀土元素可以细化胎体晶粒、净化金刚石与胎体界面，从而改善结合剂与金刚石的界面结合状态。我国稀土资源丰富、价格低廉，常用稀土元素包括La、Ce、Nd及其化合物。研究发现在铜基胎体中加入稀土元素La、Ce可以提高金刚石和胎体的结合力、胎体的机械性能、金刚石的出刃高度以及改善金刚石工具的自锐性等作用，且对工具的耐磨性影响不大[17]；添加稀土LaNi5合金粉末，可显著提高胎体的抗弯强度和金刚石的出刃高度。当La含量达0.75wt.%时，含金刚石胎体的抗弯强度提高39.8%，磨损后金刚石在胎体中的出露高度提高30%[18]。在铁基中加入0.8wt.％的La和Nd，金刚石结块的抗弯强度和冲击韧性分别提高了19.7％和23％[19]。

胎体的种类不同和稀土元素的加入形式不同，其作用效果有较明显的差别。文献[20]研究表明在铜基金属胎体中加入稀土La的不同形式化合物比如LaNi5、La2O3、La(NO3)3，发现适量的LaNi5可显著提高胎体的抗弯强度及胎体和金刚石粘结性能，La2O3对其影响不大，La(NO3)3使胎体的抗弯强度及胎体和金刚石粘结性能显著降低。文献[21]指出在铁基胎体中分别加入富Ce混合稀土粉末、稀土中间合金LaNi5和CeO2，对胎体力学性能的影响没有多大的区别。

稀土元素在金属胎体中作用机理可归结为如下：a)稀土元素可以与胎体中的氧、硫、氮等杂质发生反应，抑制氧硫氮的偏析，改善夹杂物分布状态，净化胎体材料与金刚石结合界面[17,20]，促进胎体中碳化物形成元素与金刚石之间的反应，改善金属胎体和金刚石的粘结状况[22]；b)稀土元素可以细化晶粒，提高胎体的力学性能等[18,19]；c)稀土元素可在烧结过程化中还原金属表面氧化物，降低氧化膜对原子扩散的障碍，促进烧结过程，起到活化烧结和类似预氧化烧结的作用[21]。上述关于稀土在金刚石工具中的作用机理，有些还没有得到较好的