鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖
　　河南華晶超硬材料有限公司 呂華偉 馬濤 田麗
　　
　　1．引言
　　
　　金剛石工具絕大多數(shù)采用粉末冶金工藝制造。國(guó)外優(yōu)質(zhì)金剛石工具大多采用超細(xì)鈷粉作為金剛石顆粒的粘結(jié)劑（胎體）。在上世紀(jì)90年代中期，國(guó)外首次提出了金剛石工具中使用超細(xì)預(yù)合金粉末的新概念，并于1998年預(yù)合金粉末作為鈷基胎體的替代品真正應(yīng)用在金剛石工具中。預(yù)合金粉末是由多于一種金屬元素，經(jīng)過(guò)濕法冶金工藝制成的成分均勻的合金粉。粉末粒徑小于10μm，屬超細(xì)粉末。微小固體顆粒構(gòu)成的集合體屬于微觀粒子與宏觀物體之間的過(guò)渡區(qū)域，具有一系列特殊的物理化學(xué)性能。
　　
　　目前，世界上大多數(shù)金剛石鋸片、取芯巖鉆頭和其他金剛石工具生產(chǎn)商除了用純鈷粉以外，都已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用相當(dāng)比例的預(yù)合金粉末。在最近幾年中，預(yù)合金粉末應(yīng)用一直在增長(zhǎng)，2001年約占用于金剛石工具工業(yè)中的鈷粉消耗量的15%。發(fā)展趨勢(shì)表明，超細(xì)預(yù)合金粉末會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于金剛石工具行業(yè)。
　　
　　由于金剛石都是細(xì)小顆粒狀，一般都要使用胎體材料將其制成一定的形狀且具有一定機(jī)械力學(xué)性能的制品后才能得以使用。在制品中，作為最基本組分的金剛石是切削元件，但胎體是不可缺的組成部分，其對(duì)金剛石能否充分、有效地發(fā)揮作用起決定性的作用。
　　
　　2.金屬胎體五大特性與分析
　　
　　2.1．與被加工材料耐磨匹配性。胎體的耐磨性過(guò)高，金剛石顆粒不易外露，加工效率低下甚至不能加工；反之，胎體耐磨性過(guò)低，工具的使用壽命下降。這一特性是加工材料特性與被加工材料特性、磨損狀態(tài)、磨損參數(shù)等的復(fù)雜綜合函數(shù)；
　　2.2．胎體對(duì)金剛石的把持力。指金剛石與胎體的冶金結(jié)合力和胎體對(duì)金剛石的機(jī)械包鑲力。機(jī)械包鑲力浮源于冷卻收縮胎體的壓應(yīng)力和冷卻有增容相變胎體的壓應(yīng)力。這一包鑲力與胎體的彈性模量有關(guān)，提高胎體的彈性模量，有利于增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的機(jī)械包鑲力；
　　2.3．胎體的低溫?zé)Y(jié)特性。低的燒結(jié)溫度對(duì)減輕金剛石的熱損失和節(jié)電、降低模具的損耗大大有利；
　　2.4．胎體粉末的工藝性。胎體粉用于冷壓成形時(shí)，加入少量粘結(jié)劑后應(yīng)有良好的壓制性（包括壓縮性和成形性），此外，胎體粉兼作過(guò)渡層用粉，應(yīng)有良好的可焊性；
　　2.5．胎體粉末價(jià)格便宜，制備胎體粉末，不污染或少污染環(huán)境是極其重要的，水霧法生產(chǎn)胎體粉末正是具有這一優(yōu)勢(shì)。
　　
　　作為胎體，其功能主要有兩個(gè)：一是“包鑲”切削元件，二是與切削元件（金剛石）“匹配”磨損。制品質(zhì)量在很大程度上取決于其胎體的性能，而胎體的性能主要取決于胎體材料。常見(jiàn)的胎體材料有樹(shù)脂、金屬和陶瓷三種，其中金屬胎體以良好的機(jī)械性能而得到廣泛的應(yīng)用。金屬胎體的金剛石制品約占金剛石制品總量的80%。
　　
　　金屬胎體金剛石制品是采用粉末冶金方法，將金剛石顆粒與金屬粉末混合經(jīng)壓制燒結(jié)而制得。由于金剛石存在：一、熱穩(wěn)定性差；二、金剛石與金屬之間存在很高的界面能，金屬對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性差，金剛石與金屬之間很難形成化學(xué)冶金結(jié)合，導(dǎo)致很難獲得高的金剛石與金屬界面的結(jié)合強(qiáng)度；三、金剛石與金屬胎體的耐磨性很難匹配。這給金屬胎體材料的設(shè)計(jì)和選擇帶來(lái)困難。
　　
　　國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬胎體的研究很多，概括起來(lái)大致可分為：一，金剛石與金屬胎體的結(jié)合機(jī)理的有關(guān)研究；二，金屬胎體體系的研究；三，金屬胎體材料制備方法的研究；四，金屬胎體的性能表征及評(píng)價(jià)體系的研究。
　　
　　3．胎體結(jié)合機(jī)理的研究
　　
　　結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力不外乎有三種：機(jī)械鑲嵌力、物理吸附力和化學(xué)結(jié)合力。在這三種力中，物理吸附力很小，可以忽略不計(jì)；機(jī)械鑲嵌力的大小取決于胎體的燒結(jié)合金化程度、孔隙率及胎體的強(qiáng)度和硬度；化學(xué)結(jié)合力最強(qiáng)，但前提是金屬胎體與金剛石界面成化學(xué)冶金結(jié)合狀態(tài)。
　　
　　提高胎體對(duì)金剛石的把持力的關(guān)鍵在于改善胎體與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，使胎體和金剛石之間形成強(qiáng)力鍵結(jié)合。改善界面結(jié)合狀態(tài)的措施概括起來(lái)主要有添加強(qiáng)碳化物形成元素和金剛石表面金屬化。金剛石表面金屬化就是采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、甚至是化學(xué)鍍、電鍍的方法，預(yù)先在金剛石表面形成一層金屬膜或碳化物膜，然后與胎體材料混合來(lái)制作制品。
　　
　　目前金剛石表面金屬化方法還存在一些難點(diǎn)有待解決；表面金屬化過(guò)程中如何盡量降低金剛石強(qiáng)度損失；如何防止表面金屬化后形成的過(guò)渡層在制品制作過(guò)程中出現(xiàn)裂紋甚至分層現(xiàn)象。
　　
　　4．金屬胎體體系的研究
　　
　　金屬胎體包括粘結(jié)劑、添加劑及微量活性元素，其中粘結(jié)劑主要是指Cu、Sn、Zn等熔點(diǎn)低、硬度低的金屬。添加劑通常是指胎體中硬度高、熔點(diǎn)高的添加成分。它可以提高胎體的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及調(diào)節(jié)胎體的韌性。微量活性元素主要是改善金剛石與胎體界面的結(jié)合狀態(tài)，進(jìn)而提高兩者的界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　
　　直到現(xiàn)在常用的胎體體系有青銅基、鈷基、鐵基和WC-Co基。青銅基有較低的液相溫度，能在較低溫度下實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，能較好地保護(hù)金剛石，降低金剛石的熱損失。主要用作金剛石砂輪、大理石鋸片。
　　
　　鈷基是目前高品質(zhì)金剛石制品中應(yīng)用最多的體系。鈷是所有金屬元素中對(duì)金剛石潤(rùn)濕性相對(duì)較好的元素，而且有高于其它金屬所沒(méi)有的低溫粘卻特性，在比其熔點(diǎn)低得多的溫度下，高鈷基體就可獲得很好的合金化程度，使其對(duì)金剛石形成很高的機(jī)械鑲嵌力，同時(shí)鈷對(duì)金剛石的侵蝕作用小，能夠有效地保護(hù)金剛石。由于鈷的價(jià)格昂貴且資源匱乏，嚴(yán)重妨礙其大量推廣應(yīng)用，目前主要限于高檔金剛石制品中使用。因此，許多研究者積極研究在胎體中取代鈷元素。
　　
　　由于鈷對(duì)金剛石具有優(yōu)良的包鑲性能，所以在傳統(tǒng)的金剛石鋸片制造業(yè)中鈷一直作為刀頭胎體的重要材料。根據(jù)金剛石鋸片的不同用途，即鋸切不同的材料，胎體中還加入其它金屬來(lái)調(diào)適其硬度，或者說(shuō)調(diào)適其磨耗性能。例如，切割大理石和石灰?guī)r的金剛石鋸片，在刀頭的胎體中往往加入高比率的青銅；而鋸切花崗石等較硬石材的金剛石鋸片，在刀頭胎體中則加入低量青銅。有時(shí)為了提高金剛石鋸片的使用壽命，則在刀頭胎體中加大鈷的含量，其作用是提高胎體的硬度。
　　 眾所周知，葡萄牙是世界上笫九大裝飾石材生產(chǎn)國(guó)，也是歐洲笫三大石材生產(chǎn)國(guó)，僅次于意大利和西班牙，擁有豐富的石材資源，花崗石、大理石、石灰?guī)r等品種繁多。為了降低石材生產(chǎn)成本，推廣使用了低鈷含量的胎體材料，所使用的低鈷含量材料為Co-Cu-Fe，可以降低金剛石鋸片鋸切時(shí)的切削力，而且胎體有較好的硬度和屈服強(qiáng)度，鋸切花崗石和石英巖等堅(jiān)硬石材有較好的效果。
　　
　　德國(guó)Dr.Fritsch公司從事金剛石鋸片和刀頭生產(chǎn)設(shè)備制造的著名廠家，為了滿(mǎn)足國(guó)際上對(duì)無(wú)鈷或低鈷含量胎體材料之需求，于2005年初研制出新型胎體材料，用于制造鋸切花崗石鋸片，獲得了良好的效果。在新型胎體材料中，加入了青銅，由于其含錫比率很小，所以具有可延展性，從而增加了胎體的韌性。這對(duì)于制造大直徑金剛石鋸片的刀頭具有重要意義。
　　
　　鐵與鈷同處VIII副族，許多性能和鈷相近，鐵資源豐富且價(jià)格便宜，是十分經(jīng)濟(jì)的胎體體系。因此，鐵基胎體是近年來(lái)胎體研究的熱點(diǎn)。經(jīng)研究鐵基胎體已經(jīng)在低品質(zhì)金剛石制品中得到了應(yīng)用[4~6]，尤其在我國(guó)石材切割用金剛石工具中大量使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　
　　注:標(biāo)*者為引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，其余為安泰科技股份有限公司測(cè)定的數(shù)據(jù)
　　
　　從表1可見(jiàn)，國(guó)外A，B粉末粒徑較小，松比低，氧含量較高，C粉末與本文制備的04、05、06粉末粒徑，松比，氧含量相當(dāng)。水霧化的最大優(yōu)點(diǎn)是粉末的合金化程度高、成分均勻、產(chǎn)能大、成本低。
　　
　　
　　
　　從表中可見(jiàn)，04、05、06粉末的硬度HRB正好形成從109到97的三個(gè)階梯。對(duì)切割鋼筋混凝土和花崗石以及砂巖的刀頭，有很好的適應(yīng)性。必要時(shí)適量添加硬質(zhì)或軟質(zhì)相的其他粉末，即可制備出既有高的加工鋒利度又有長(zhǎng)壽命的工具。
　　
　　近年來(lái)，高溫釬焊技術(shù)引入到金剛石制品業(yè)，時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但已顯示出了大幅度提高金剛石制品性能的可行性。釬焊與傳統(tǒng)方法（電鍍，燒結(jié)）相比，可把金剛石的最大允許出刃高度從0.3D提高到0.7D，這表明大幅度提高了胎體對(duì)金剛石的把持力。釬焊的作用是把金剛石(母材)加胎體材料（母材）與釬料（也屬胎體材料）焊接在一起，達(dá)到冶金化學(xué)結(jié)合的目的。對(duì)金剛石來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)良好包鑲的先決條件，也是技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是粘結(jié)料成液相，并能很好地潤(rùn)濕金剛石。而目前的釬焊材料（也可稱(chēng)胎體材料）不是不能很好地潤(rùn)濕金剛石，就是液相溫度太高，要想得到推廣應(yīng)用還有必要進(jìn)行深入研究，開(kāi)發(fā)適合金剛石特性的釬焊材料。
　　
　　5.稀土在金屬胎體中
　　
　　將稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)移植到金剛石工具(胎體)材料中，同時(shí)將金剛石工具(胎體)材料配方中的Co基全部用Fe基代替，成功地制出了稀土Fe基金剛石工具材料，經(jīng)對(duì)其實(shí)際使用性能的測(cè)試，其抗彎強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性均有較大幅度提高，孔隙率則有了明顯降低。以下引用幾組數(shù)據(jù)以佐證。
　　
　　
　　
　　由表4 中數(shù)據(jù)可知，加稀土的35%Fe基胎體材料杭彎強(qiáng)度比未添加稀土同類(lèi)胎體材料的抗彎強(qiáng)度均值至少提高了10%(比較組號(hào)13和14)，最高則提高62%(比較組號(hào)13和17)，硬度也有一定的提高。比較組號(hào)17和18可知，加稀土的35%Fe基胎體抗彎強(qiáng)度和硬度已接近不加稀土的35%Co基胎體的抗彎強(qiáng)度和硬度。
　　
　　
　　
　　由表5可見(jiàn)，鍍膜金剛石材料比未鍍膜金剛石材料的抗彎強(qiáng)度普遍要高一些，這主要是由于鍍膜金屬層與胎體材料之間已部分形成了冶金包鑲，而未鍍膜金剛石與胎體材料之間完全是一種機(jī)械包鑲所致。
　　
　　由表5還可見(jiàn)，加稀土金剛石材料比未加稀土金剛石材料的抗彎強(qiáng)度提高了10%以上，硬度也略有提高。并且加稀土Fe基金剛石材料性能已十分接近，甚至超過(guò)了同類(lèi)Co基(未加稀土)金剛石材料的性能。
　　
　　6．金屬胎體材料制備方法的研究
　　
　　到上世紀(jì)80年代一些研究者提出采用預(yù)合金方法制品胎體材料，預(yù)合金粉是由多于一種金屬元素，經(jīng)過(guò)濕法冶金等方法制成十分均勻的合金粉，它具有：易于調(diào)節(jié)胎體性能，能降低燒結(jié)溫度，提高致密性和均勻化，改善金剛石胎體的磨損狀態(tài)，提高胎體對(duì)金剛石包鑲能力，并且抗沖擊性能好，能夠防止低熔點(diǎn)金屬的燒損或偏析，粉末不易氧化，適于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，簡(jiǎn)化制造工藝，能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，預(yù)合金粉很快就在金屬胎體中得到推廣應(yīng)用。這一時(shí)期的預(yù)合金粉主要采用霧化法生產(chǎn)。霧化法生產(chǎn)的預(yù)合金粉末合金化程度高，流動(dòng)性好，能有效調(diào)整胎體耐磨性，且生產(chǎn)效率高，成本亦較電解等生產(chǎn)方式低。
　　
　　到上個(gè)世紀(jì)90年代中期，國(guó)外首次提出了金剛石制品中使用超細(xì)預(yù)合金粉末新概念，并于1998年預(yù)合金粉作為鈷基胎體的替代品真正應(yīng)用在金剛石工具中。超細(xì)預(yù)合金粉粒徑小于10μm，這些細(xì)小顆粒構(gòu)成的集合體屬于微觀粒子與宏觀物體之間的過(guò)渡區(qū)域，具有一系列特殊的物理和化學(xué)性能。超細(xì)預(yù)合金粉末具有優(yōu)良的燒結(jié)性能，是現(xiàn)在普遍采用的元素混合粉末甚至霧化預(yù)合金粉末所不具備的，在較低的燒結(jié)溫度就可以達(dá)到很高的致密度和燒結(jié)硬度。超細(xì)預(yù)合金生產(chǎn)方法通常有共沉淀法和金屬蒸氣合成法。
　　
　　采用預(yù)合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　（1）.能根鋸工作對(duì)象的性能選用不同的粘結(jié)劑，提高工具的使用的針對(duì)性；
　　（2）.采用預(yù)合金粉末制造的金剛石工具，提高了胎體的致密性和均勻性，從而改善胎體的磨損狀態(tài)；
　?。?）.采用預(yù)合金粉末制造的金剛石工具，可以提高胎體對(duì)其包鑲的能力，并且抗沖擊性能較好；
　?。?）.預(yù)合金粉末不易氧化，保存方便，并能簡(jiǎn)化工具的制造工藝，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　預(yù)合金粉末在胎體中充當(dāng)粘結(jié)劑的作用，在設(shè)計(jì)預(yù)合金粉末的合金成分時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
　　
　?。?）.燒結(jié)溫度的高低主要取決于粘結(jié)金屬熔點(diǎn)的高低，為了避免高溫對(duì)金剛石造成的熱損傷，成分應(yīng)該選擇低熔點(diǎn)金屬；
　?。?）.預(yù)合金粘結(jié)劑在一定燒結(jié)溫度下，能剛好潤(rùn)濕胎體中骨架成分和金剛石，而在外壓力作用下又能產(chǎn)生流動(dòng)；
　?。?）.在燒結(jié)過(guò)程中，預(yù)合金粘結(jié)劑與骨架成分若產(chǎn)生反應(yīng)，則只能對(duì)胎體機(jī)械性能有利，只能對(duì)降低燒結(jié)溫度有利，而不允許形成性能低劣的合金，且使液相消失不能全面潤(rùn)濕骨架成分和金剛石，同時(shí)也不能對(duì)金剛石造成損傷；
　　（4）.燒結(jié)后的冷卻過(guò)程，只能對(duì)胎體機(jī)械性能有利，以保證金剛石工具質(zhì)量不受影響；
　　（5）.在正常工作溫度下，預(yù)合金粘結(jié)金屬應(yīng)保證粘結(jié)物質(zhì)層能承受胎體中硬質(zhì)顆粒（骨架成分和金剛石）傳給它的應(yīng)力而不產(chǎn)生變形或位移。
　　
　　7．胎體評(píng)價(jià)體系
　　
　　金剛石制品對(duì)胎體性能的核心要求有兩點(diǎn)：一是胎體能牢固地把持金剛石，在使用過(guò)程中不會(huì)過(guò)早脫落；二是在使用過(guò)程中胎體磨損和金剛石的磨損相匹配，既保持制品應(yīng)有鋒利度，同時(shí)使制品的設(shè)計(jì)性能得到保證。目前金屬胎體的性能表征都還是采用抗彎強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性等指標(biāo)。而這些指標(biāo)不能反映胎體對(duì)金剛石的把持力以及兩者磨損的匹配性，更不能和金剛石制品的最終使用性能建立直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　
　　因此，研究者們?cè)诜e極探討力學(xué)性能和胎體的應(yīng)用性能的關(guān)系。胎體的磨損主要是巖粉與胎體的相互研磨作用，而在實(shí)際鋸切過(guò)程中，都是在高溫條件下巖粉同胎體的研磨，因此胎體高溫性能的好壞，與胎體的耐磨性能密切相關(guān)，胎體的高溫強(qiáng)度越高，胎體的高溫耐磨性能越好，相應(yīng)胎體耐磨性也越好。由此可知，可用胎體的高溫軟化點(diǎn)表示胎體的耐磨性好壞。
　　
　　時(shí)至今天，金粉胎體性能的表征仍是國(guó)際性難點(diǎn)和熱點(diǎn)，性能表征方式?jīng)]有落實(shí)，就無(wú)法建立胎體性能評(píng)價(jià)體系，這是目前乃至今后幾年金剛石制品領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。
　　
　　8．胎體研究中的不足
　　
　　通過(guò)對(duì)金屬胎體國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析可知，從金剛石與金屬胎體結(jié)合機(jī)理到胎體性能表征都還存在明顯不足，具體表現(xiàn)是：
　　
　　8．1金剛石與金屬胎體的結(jié)合機(jī)理研究不夠深入，兩者之間的界面反應(yīng)及過(guò)渡層形成機(jī)理不明了，所需條件不明確；
　　8．2金屬胎體材料的設(shè)計(jì)缺少理論計(jì)算，添加成分，活性元素以及表面金屬化元素的選擇缺乏理論依據(jù)，沒(méi)明確是哪些因素導(dǎo)致金剛石表面金屬化效果的差異；
　　8．3缺少對(duì)預(yù)合金化方法，粉末預(yù)處理以及使用工藝要求的研究，導(dǎo)致預(yù)合金粉末的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有完全發(fā)揮；
　　8．4沒(méi)有找到準(zhǔn)確而又直接的胎體使用性能的表征方法，也沒(méi)有建立科學(xué)的性能評(píng)價(jià)體系。大量研究表明，胎體強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、耐磨性等機(jī)械力學(xué)性能指標(biāo)只能作為胎體使用性能的輔助表征方法。
　　8．5迄今，鈷基胎體仍是綜合性能最優(yōu)的胎體體系，還沒(méi)有找到完全替代材料，導(dǎo)致高品質(zhì)的金剛石制品成本仍然居高不下。通過(guò)大量研究可以看出，單元素替代鈷的難度十分大，但采用多元合金粉末替代鈷的可能性很大。