1 前言
　　
　　燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石制品中常用元素主要有：Fe、Ni、Cu、Mn、Sn、Zn、Al、Co、Cr、W、Ti、Ce、La、Si等。
　　在燒結(jié)過程中，胎體中的合金元素通過擴散進行合金化，形成固熔體和化合物，其中包括間隙相、間隙化合物和中間化合物。由此使金屬和金剛石之間產(chǎn)生適當?shù)恼辰Y(jié)，粘結(jié)強度取決與金屬和合金高溫下與金剛石附著功大小和碳化物形成反應發(fā)生的多少。附著功和碳化物的生成量決定胎體合金對金剛石的粘結(jié)強度。除此之外，胎體的燒結(jié)壓制密度也對金剛石在胎體中的固結(jié)強度起很大的作用，密度越大固結(jié)強度越大。
　　表1給出胎體中主要元素的性能參數(shù)。
　　表1胎體中主要元素的性能參數(shù)
　　元素 原子量 密度（g/cm3）熔點（℃）比電阻（µΩ/cm） 線脹系數(shù)（×10-6℃） 晶體結(jié)構(gòu)
　　Fe 55.85 7.87 1535 9.71(20℃) 11.7 bcc
　　Cu 63.54 8.96 1083 1.673 16.6 fcc
　　Ni 58.69 8.90 1455 6.84 12.8 fcc
　　Co 58.93 8.90 1495 6.24 12.5 hcp
　　Mn 54.93 7.43 1245 18.5 23.0 金屬型立方
　　Al 26.98 2.70 660.2 2.65 23.1 fcc
　　Sn 18.69 7.30 231.9 11.5 23.0 bcc
　　Zn 65.38 7.13 419.46 5.92 33.0 hcp
　　Pb 207.2 11.34 327.4 20.65 29.1 fcc
　　W 183.85 19.30 3300 5.5 4.3 bcc
　　Ti 47.9 4.567 1668 4.2 9.0 hcp bcc
　　Cr 52.01 7.19 1890 13.0 6.2 bcc
　　Si 28.09 2.33 1430 105 4.2 金剛石立方
　　La 139.92 6.16 920.55 αhcp βfcc
　　Ce 140.13 6.77 804 同上
　　B 10.82 2.34 2300 8.0 正方斜方晶
　　
　　2 常用元素作用概說
　　
　　2．1 Fe
　　(1)優(yōu)點 鐵是極廉價的元素，在金剛石工具中的用量日漸增多，鐵用在金剛石工具中有如下優(yōu)點：
　　1）價格低廉；
　　2）鐵和金剛石有較好的潤濕性，接觸角為500，優(yōu)于鈷和鎳；
　　3）液相時鐵和金剛石的附著功為3.4×10-7（J/cm2），也優(yōu)于鈷和鎳；
　　4）可以形成多種碳化物，如滲碳體型（Fe3C）和ε型碳化物（Fe2C），有硼參與可形成Fe23（CB）6和Fe3（CB），有W、Mo參與時，形成M6C型碳化物（Fe3W3）C和（Fe3Mo3）C；
　　5）與骨架材料相容性很好，液相時與WC的接觸角接近于0，對TiC的接觸角也很低；
　　6）Fe具有比Cu、Ni、Co低的線脹系數(shù)，其值為11.7×10-6/℃，更接近金剛石的線脹系數(shù)，對防止冷卻裂紋的出現(xiàn)有一定的作用；
　　7）燒結(jié)時鐵對金剛石的輕度刻蝕并不損失金剛石的強度，反而會提高金剛石在胎體中的把持力；
　　8）對于鐵基合金的性能是否能接近或達到鈷基合金的性能，近期工作和有關文獻的報道表明，是完全可能的。
　?。?）鐵在金剛石工具中有如下不足：
　　1）鐵基胎體的變形性大于鈷基胎體；
　　2）鐵基胎體的耐磨性高于鈷基胎體；
　　3）鐵基胎體中的低熔點金屬容易發(fā)生流失；
　　4）鐵基胎體的工具不夠鋒利。
　?。?）為了正確地認識鐵在金剛石工具中的作用，作如下幾點說明：
　　高溫下鐵對金剛石的蝕刻率遠比鎳、鈷都高，但是實驗表明，1000℃以下燒結(jié)，金剛石只被輕度蝕刻，并不影響金剛石的強度；金剛石表面被蝕刻的碳并不以石墨形態(tài)分布在金剛石表面，而是擴散到金剛石表面的含鐵金屬膜中，按一定的規(guī)律分布。
　　使鐵（鋼）在高速狀態(tài)下與金剛石對磨，金剛石會被嚴重磨蝕加工。利用這一特性，可以加工天然鉆石。
　　鐵基金剛石工具不鋒利的原因是鐵比鈷耐磨，比鈷變形大。
　　鐵基結(jié)合劑工具燒結(jié)流失是由于鐵與銅基合金中低熔點金屬的溶解度過低造成的，適量加一些互溶性好的元素即可減少流失。
　　2．2 Cu
　　（2）銅在結(jié)合劑中有如下優(yōu)點：
　　1）電解銅粉成型性好，廣泛用于冷壓成型后燒結(jié)，壓坯不易脫落；
　　2）某些元素的微量加入可以使銅對碳材料從不潤濕變成潤濕；
　　3）純銅對碳化物和骨架材料 相容性很好，如W 、WC等；
　　4）純銅的耐磨性優(yōu)于青銅，可燒結(jié)性好；
　　5）銅可與Sn、 Zn、 Mn 、Ni、Ti等制成性能優(yōu)異的合金，例如Cu-Sn-Ti、Cu- Ni –Mn、Cu- Ni –Zn及6-6-3青銅等。
　　（1）銅的缺點如下：
　　1） 純銅的變形性大，不宜制成高質(zhì)量的工具，銅基合金會有某種程度上的改觀；
　　2） 銅、鐵間的互溶性不好，彼此溶解度很低，這將對鐵基結(jié)合劑的應用和推廣帶來一定的麻煩；
　　3） 由于銅的強度低，對碳材料的潤濕性差，所以對金剛石的把持力和粘結(jié)力都不高；
　　4） 銅與錫、鈦在大氣中的可燒結(jié)性不好，氧化嚴重，必須在真空或保護氣氛下燒結(jié)，使工具成本增加。
　　2．3 Co
　?。?）優(yōu)點
　　1）鈷的抗彎強度高，鈷也可提高銅基胎體和鐵基胎體的抗彎強度；
　　2）鈷具有易磨損性，或者說鈷具有適度的磨損性能，使綜合切割性能大幅度的提高；
　　3）鈷對碳材料和骨架材料都具有較低的接觸角和較大的附著功，略次于鐵和鎳，即和金剛石有較大的親和力；
　　4）鈷和鎳相比，鈷的存在有利于碳化鎢（WC）的生成，鈷、鎢也可與金剛石生成M6C型碳化物；
　　5）鈷和鈷基胎體的變形性?。〒隙刃。?，提高切磨加工質(zhì)量；
　　6）還原鈷粉的可燒結(jié)性、成型性好，適于激光焊接片；
　　7）由于鈷具有易磨損性能和小的變形性，純鈷和鈷基工具更具有廣譜性。
　?。?）不足 價格昂貴，松比太小必須制粒。
　　2．4 Ni
　?。?）優(yōu)點
　　1）適于制作重載荷和沖擊載荷作用下的工具，鎳和鎳基胎體具有一定的耐磨性和韌性；
　　2）鎳和鈷、鐵適量搭配可以得到令人滿意的綜合性能，如小的變形性和適度的耐磨性，接近或達到鈷基胎體的性能；
　　3）鎳可以減少鐵銅基含錫鋅胎體的燒結(jié)流失；
　　4）鎳可以改善Cu-Sn-Ti結(jié)合劑砂輪的磨削性能。
　　（2）不足 成本高、變形性大、鋒利度差。
　　2．5 Sn
　?。?）優(yōu)點
　　1）有力地改善可燒結(jié)性；
　　2）易形成金屬間化合物，可以改善磨損性能和降低變形性（降低撓度）；
　　3）適于添加到冷壓成型胎體中，靠液相在固體粉末中的虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生的毛細管力使胎體收縮；
　　4）降低液態(tài)合金的表面張力，降低內(nèi)界面張力，降低接觸角；
　　5）改善鐵基胎體的磨損性能和變形性，這是因為錫在鐵基胎體中可以形成Fe3Sn和Fe70Sn15C15金屬間化合物和復式碳化物。
　?。?）不足
　　1）加入量控制不當容易流失；
　　2）不利于激光焊接，工具非工作層必須單獨設計（不含錫）；
　　3）與鈦、銅一起組成的胎體，在大氣中可燒結(jié)性極差，必須采用無氧或隔氧燒結(jié)。
　　2．6 Zn
　?。?）優(yōu)點
　　1）降低銅合金熔點，有利于工具的燒結(jié)和浸漬；
　　2）易形成金屬間化合物，可以改善變形性和磨損性能，例如鐵可以生成Fe3Sn21、FeSn9、FeSn3等，其他元素也有類似的情況，如Cu- Zn、 Mn- Zn 、Ni- Zn、 Co- Zn適量的加入都有利于胎體性能的改善。
　　（2）不足
　　1）含量控制不當，燒結(jié)時易發(fā)生流失；
　　2）鋅的蒸汽壓高，燒結(jié)溫度高時易發(fā)生汽化，對環(huán)境有害；
　　3）無化合態(tài)的鋅高于900℃燒結(jié)會汽化，影響胎體合金質(zhì)量。
　　2．7 Al
　?。?）優(yōu)點
　　1）鋁對碳材料的潤濕性好，800℃時鋁對金剛石的潤濕角為750，附著功為110×10-7J/cm²。
　　2）鋁在1227℃以上可以和碳反應生成Al4C3。
　　3）鋁在含鈦金剛石胎體中發(fā)生鋁熱反應，在金剛石表面有助于碳化物生成，如Ti3AlC；鋁的氧化物生成自由能極低，遠遠低于鈦，所以奪氧能力極強，確保鈦的無氧化狀態(tài)，和金剛石形成碳化鈦。
　　4）鋁基合金燒結(jié)溫度低，節(jié)能，容易生成金屬間化合物。
　?。?）不足
　　1）鋁基胎體的強度低，機械包鑲能力不高；
　　2）鋁對金剛石的附著功也低；
　　3）鋁和鎳適當搭配對胎體有強化作用，可以生成鎳、鋁金屬間化合物，如AlNi、AlNi3、Al3Ni2等。
　　2．8 Mn
　?。?）優(yōu)點
　　1）有明顯的脫氧作用，特別是與硅、鋁同時存在時，脫氧能力急劇增強；
　　2）與銅的相容性很好，含錳35wt%合金熔點為868℃，凝固后為單一奧氏體相；
　　3）高溫下與鐵有很好的相容性；
　　4）高錳合金的耐磨性提高，適于重負荷、沖擊負荷下工作的工具。
　　5）不足 粉料氧化無法還原；高溫時，使金剛石嚴重石墨化。
　　2．9 Cr
　　（1）優(yōu)點
　　1）極少量的鉻就可以大大改善銅對金剛石的潤濕；
　　2）提高胎體的抗彎強度，加入量在1wt%時，提高幅度最大；
　　3）在正常燒結(jié)溫度下，鉻可以和金剛石反應，生成Cr7C3、Cr3C2型碳化物；
　　4）能提高結(jié)合劑和金剛石的粘結(jié)強度；
　　5）由于鉻的激活能較高，使鋼鐵有極好的消音作用，適于在鋸片中加入，大量加入可以降低變形性。
　?。?）不足 價格高。
　　2．10 W
　?。?）優(yōu)點
　　1）與鐵、銅、鈷、鎳等都有較好的相容性；
　　2）鎢在金剛石表面可以和金剛石發(fā)生碳化物生成反應，發(fā)生反應的熱力學條件并不苛刻，750℃以上就有碳化物生成；
　　3）在金剛石表面生成的WC，用酸是煮不掉的，金剛石表面不發(fā)生石墨化；
　　4）增加胎體耐磨性，減少變形性。
　　(2)不足
　　1）燒結(jié)坯的空隙度大；
　　2）要達到設計的密度必須加大能耗，即提高溫度和壓力。
　　2．11 Ti
　?。?）優(yōu)點
　　1）鈦鋁合金化的胎體合金的抗彎強度，含金剛石胎體高于不含金剛石的胎體，這是在以往的工作中沒有發(fā)現(xiàn)過的；
　　2）降低接觸角，改善胎體與金剛石的粘結(jié)強度；
　　3）適量加入提高胎體的耐磨性。
　?。?）不足
　　1）高含量時可燒結(jié)性變差，須真空或保護氣氛下燒結(jié)；
　　2）與氧親和力大，粉末氧化無法用氫氣還原；
　　3）含量高時模具消耗大。
　　2．12 Si
　?。?）優(yōu)點
　　1）與金剛石接近的膨脹系數(shù)，冷熱變化時體積效應小，保證尺寸，防止裂紋；
　　2）與金剛石的結(jié)構(gòu)相同，相容性好；
　　3）明顯降低合金熔點，如Fe-Si共晶溫度為1235℃，Cu-Si共晶溫度為802℃；
　　4）在高溫冷卻發(fā)生相變時，呈負畸變特性即相變伴隨著體積收縮；
　　5）有較強的脫氧能力；
　　6）不可替代的磁學性能。
　?。?）不足 脫碳傾向明顯。
　　2．13 B
　?。?）優(yōu)點
　　1）微量加入作用明顯，提高鋼鐵的淬透性；
　　2）提高耐磨性、減小變形性，因為金屬硼化物的硬度高，分布彌散；
　　3）應用時以Fe-B粉加入，實用而經(jīng)濟；
　　4）提高復合材料的界面結(jié)合強度，在金剛石聚晶中已有成功的應用。
　?。?）不足 純硼粉價格高。
　　2．14 La、Ce稀土元素
　?。?）優(yōu)點
　　1）降低胎體的耐磨性，有利于切割性能的改善；
　　2）提高胎體的抗彎強度，對銅基胎體、鈷基胎體都有明顯的作用；
　　3）降低合金熔點；
　　4）具有脫氧、脫硫、脫氮、脫氫的作用，并防止其偏析；
　　5）對降低液相合金同石墨的接觸角有一定的作用；
　　6）凈化界面，細化晶粒。
　?。?）不足
　　1）易氧化，保存困難；
　　2）使用時必須選擇合適的載體，既防止氧化又方便加入。
　　3 結(jié)語
　　
　　本文對常用元素的評述只是粗淺的、定性的，詳盡的、定量的描述尚需一定量的重復實驗工作和更大的篇幅，目前還很難做到。