金剛石圓鋸片是由金剛石磨粒與金屬胎體經(jīng)過(guò)燒結(jié)而成的。金剛石磨粒依靠金屬胎體把它固著在胎體中進(jìn)行鋸切。胎體本身的機(jī)械性能及其對(duì)金剛石的固位把持能力將直接決定金剛石鋸片的使用性能及成本構(gòu)成。
       胎體對(duì)金剛石的把持力有三種：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空隙率及胎體的強(qiáng)度和硬度，化學(xué)結(jié)合力最強(qiáng)。
       由于具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能，因此，一般金屬胎體與金剛石磨料之間較難形成化學(xué)結(jié)合，而是以機(jī)械鑲嵌作用為主，其結(jié)果是胎體對(duì)金剛石沒(méi)有足夠的把持力，使用過(guò)程中金剛石磨粒容易脫落、流失，不但縮短了金剛石工具的使用壽命，而且影響加工效率。提高胎體對(duì)金剛石把持力的關(guān)鍵在于改善胎體和金剛石的界面結(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、金剛石表面金屬化以及添加稀土元素等三大類(lèi)。這方面已取得了一些研究成果。

       一、碳化物形成元素

       至今為止，關(guān)于強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Ti、W及其合金的研究和應(yīng)用主要在銅基、鈷基、鐵基中進(jìn)行。研究結(jié)果表明：不同的碳化物形成元素及其不同的含量對(duì)同一種胎體材料性能的影響是不一樣的。同樣地，同一種碳化物形成元素對(duì)不同胎體材料性能的影響也有很大的差異。
       研究表明，在鐵基中加入Ti會(huì)明顯改善金剛石的潤(rùn)濕性，對(duì)金剛石產(chǎn)生物理吸附力和化學(xué)吸附力，從而有效地增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度。有報(bào)道指出：在鐵基中加入少量的鈦所制成的刀頭，金剛石出刃高度較高，耐磨性有明顯提高。

       二、金剛石表面金屬化

       金剛石表面金屬化就是在金剛石表面鍍一層與金剛石表面結(jié)合牢固的金屬碳化物層，使金剛石表面具有可焊性、可燒結(jié)性及導(dǎo)電性等金屬特性。其原理是建立在金剛石表面與強(qiáng)碳化物形成元素在合適的工藝條件下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)生成碳化物層的基礎(chǔ)上。

       按照金剛石表面金屬化的模型，金剛石表面的鍍層有三層，即碳化物層、合金層和鍍覆金屬層。鍍覆的金屬及合金主要有W、Cr、Nb-Ti、Mo、TiN、NiWB等。金剛石表面金屬化的方法有多種，如化學(xué)鍍和電鍍、真空物理氣相沉積（PVD）和真空化學(xué)氣相沉積（CVD）、粉末覆蓋燒結(jié)等。目前使用較為普遍的鍍覆方法是真空物理氣相沉積（PVD）和真空化學(xué)氣相燒結(jié)（CVD）以及真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)等。

       三、稀土微量元素的應(yīng)用

       在金屬胎體中添加微量的稀土元素是增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石把持力的另一種有效措施。稀土元素及其化合物具有一系列獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，在鋼鐵、有色金屬、硬質(zhì)合金及陶瓷材料中得到廣泛的應(yīng)用。有關(guān)報(bào)道表明，添加微量的稀土元素對(duì)改善金屬胎體的機(jī)械性能及對(duì)增加金剛石的把持力有很大的作用，能大大提高金剛石圓鋸片的使用壽命。

       相關(guān)文獻(xiàn)中指出，在鈷基胎體中加入Cu-Ce合金粉，抗彎強(qiáng)度隨Ce含量的增加而增加，在Cu基中加入少量的LaNi5合金粉也有相似的作用。在鐵基中加入稀土，節(jié)塊金剛石的出刃高度和抗彎強(qiáng)度有較大的提高，做成的鋸片在鋸切不同石材時(shí)的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、鋸切壽命均有提高。可見(jiàn)，把稀土元素作為金剛石工具中金屬胎體的改性劑是一種有效的方法。
現(xiàn)將已有的有關(guān)稀土元素在金屬胎體/金剛石復(fù)合材料中的作用機(jī)理，總結(jié)為如下幾點(diǎn)：
       （1）稀土元素可與胎體中的氧和硫等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，改善夾雜物分布狀態(tài)，并對(duì)金屬胎體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；
       （2）稀土元素可在燒結(jié)過(guò)程中還原金屬表面的氧化物，降低氧化膜對(duì)原子擴(kuò)散的障礙，加速原子擴(kuò)散，并可提高金屬的粘結(jié)流動(dòng)性；促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程，起到活化燒結(jié)的作用；
       （3）稀土元素對(duì)金屬氧化物的還原作用可以改善粉末與金剛石顆粒間的潤(rùn)濕性；
       （4）稀土元素與金剛石表面的氧等雜質(zhì)反應(yīng)，可凈化金剛石表面，提高金剛石的表面活性，促進(jìn)胎體中碳化物形成元素與金剛石之間的反應(yīng)，改善金屬胎體和金剛石的粘結(jié)狀況；
       （5）稀土元素形成的高熔點(diǎn)化合物能對(duì)晶界起到釘扎作用，阻止晶粒的長(zhǎng)大，有利于細(xì)化晶粒。

       節(jié)選自《金屬基金剛石復(fù)合材料的粉末冶金燒結(jié)工藝》劉曉慧