摘 要: 本文簡述了人造金剛石在石材加工工具中的應(yīng)用情況，指出工具使用中大量的金剛石并非磨損失效，而是以脫落形式流失，分析了金剛石流失原因是金剛石把持力不夠?qū)е铝私饎偸缙诿撀?。研究結(jié)果表明：預(yù)合金粉末法可以實(shí)現(xiàn)胎體與金剛石的擴(kuò)散連接，繼而闡明了采用預(yù)合金粉末法實(shí)現(xiàn)對金剛石的擴(kuò)散釬焊連接是改進(jìn)金剛石工具使用性能的有效途徑；在預(yù)合金粉末的制取中離心氣水聯(lián)合霧化是較佳的制取技術(shù)；預(yù)合金粉末的成分和熱壓燒結(jié)工藝決定了對金剛石的擴(kuò)散連接的效果。
　　
　　關(guān)鍵詞： 擴(kuò)散連接 預(yù)合金粉末 潤濕性 離心霧化 碳化物形成
　　
　　前 言
　　
　　從1954年人造金剛石誕生起始，金剛石鋸片在石材加工方面得到了大量應(yīng)用，近年來，用于石材加工業(yè)需求的人造金剛石的數(shù)量不斷上升，其耗用量約占全國人造金剛石總產(chǎn)量的90％左右。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料估計(jì)，目前世界上工業(yè)金剛石70％左右用于制造石材加工工具，其中占絕大多數(shù)的是金剛石圓鋸片。
　　在金剛石圓鋸片的使用過程中，金剛石的利用率比較低，這是因?yàn)榈额^中的金剛石并非磨損失效，而是以脫落形式大量流失。傳統(tǒng)的金剛石刀頭制造是靠胎體對金剛石的把持作用固定金剛石，當(dāng)胎體被磨損到金剛石露出高度較高時，金剛石會自行脫落。提高胎體與金剛石的結(jié)合力是避免金剛石早期脫落最有效的技術(shù)措施。
　　采用預(yù)合金粉末法實(shí)現(xiàn)對金剛石的擴(kuò)散釬焊連接是提高金剛石與胎體的結(jié)合力的有效途徑。在預(yù)合金粉末中添加鉻、鈦、釩、鋯、鎳、錳等金屬一方面可以提高合金對金剛石的浸潤性，增加金剛石的出刃高度，提高金剛石的利用率；另一方面工作，預(yù)合金粉末的化學(xué)成分穩(wěn)定，克服了機(jī)械混合粉末的比重偏析、低熔點(diǎn)金屬先熔與富集、易氧化及易揮發(fā)的金屬在燒結(jié)過程中被燒損等影響胎體性能的因素，保證了金剛石刀頭的穩(wěn)定性和一致性。
　　
　　1 預(yù)合金粉末的主要特性
　　
　　人造金剛石刀頭的胎體一般由骨架成分和粘結(jié)劑兩組分構(gòu)成，一般采用一組低熔點(diǎn)金屬用作粘結(jié)劑，如果將多種金屬預(yù)先熔煉成低熔點(diǎn)合金后再噴制成預(yù)合金粉末，預(yù)合金粉末是性能優(yōu)良的粘結(jié)劑。
　　
　　使用預(yù)合金粉末做為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑，易于調(diào)整胎體性能，使之更適宜于加工對象，同時由于預(yù)合金是預(yù)先熔煉成合金，然后才制成粉末的，所以每顆粉末中都包含了組成合金的各種金屬元素，這就比機(jī)械混合多種單一金屬粉末要均勻得多。在燒結(jié)成金剛石刀頭過程中，只要溫度升到預(yù)合金粉末的熔化溫度，整個粘結(jié)成分的粉末就熔化，而不會出現(xiàn)無法兼顧粘結(jié)劑中不同組分熔化溫度差距大難以制訂合理燒結(jié)溫度的難題。
　　采用預(yù)合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾條。
　　采用預(yù)合金粉末制造的金剛石工具，可以提高胎體對金剛石的包鑲能力，并且抗沖擊等性能較好，提高金剛石的利用率。
　　預(yù)合金粉末中不含易揮發(fā)易氧化單質(zhì)元素，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，從而改善了胎體的磨損狀態(tài)。
　　能根據(jù)工作對象性能的差異有針對性的選用不同性質(zhì)的預(yù)合金粉末，簡化了胎體配料工作。
　　刀頭燒結(jié)溫度的高低主要取決于粘結(jié)金屬中高熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)的高低，預(yù)合金粉末的熔化溫度較低，熱壓溫度低，能避免燒結(jié)高溫對金剛石造成的熱損傷。
　　預(yù)合金粉末熔化區(qū)間窄，在一定燒結(jié)溫度下應(yīng)能剛好潤濕金剛石，而在壓力作用下又能流動。
　　在熱壓過程中，預(yù)合金粉末與骨架成分反應(yīng)，有利于增強(qiáng)胎體機(jī)械性能，又不會形成低熔脆性相。
　　在金剛石工具正常的工作溫度下，預(yù)合金粉末不會重熔或形變，保證了粘結(jié)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)生變形或松動。
　　
　　2 預(yù)合金粉末與金剛石的擴(kuò)散連接
　　
　　試驗(yàn)中選用多種金屬熔煉成低熔點(diǎn)合金后再霧化成粉形成預(yù)合金粉末，預(yù)合金粉末對金剛石的潤濕擴(kuò)散主要取決于形成碳化物的傾向和合金液態(tài)狀態(tài)下的界面張力。
　　銅合金對金剛石等潤濕性能的改善，主要取決于加入的合金元素能夠使內(nèi)界面張力急劇下降。合金元素在內(nèi)界面上的吸附，可以降低液態(tài)合金的內(nèi)界面張力，內(nèi)界面碳化物生成反應(yīng)可以更大的降低內(nèi)界面張力。
　　在燒結(jié)成金剛石工具胎體過程中，只要溫度升到預(yù)合金粉末的熔化溫度，整個粘結(jié)成分的粉末就開始浸潤金剛石，并向金剛石擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)釬焊連接。
　　
　　分析釬焊潤濕角計(jì)算公式
　　
　　可知，內(nèi)界面張力降低導(dǎo)致潤濕角θ減小。在Cu基合金中加入碳化物形成元素是改善Cu基合金潤濕性的有效措施。
　　表1給出部分合金元素對表面張力和內(nèi)界面張力的影響排序。
　　
　　表1 部分元素對界面張力和表面張力的影響
　　
　　
　　Mn、Pb、Ni這類元素，當(dāng)含量低時，銅合金不能很好地潤濕碳材料，分析原因是由于Cu-Mn、Cu-Pb、Cu-Ni合金中有連續(xù)固溶體存在，使液態(tài)合金的表面張力提高。當(dāng)合金元素的濃度高時，會向好的方向轉(zhuǎn)化。如Cu-Ni合金中Ni增加到一定濃度，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在金剛石表面有Cu-Ni合金膜生成并擴(kuò)展。
　　
　　Sn、Si等元素的銅合金，尚未發(fā)現(xiàn)在碳材料表面形成附著膜，盡管一些元素可以降低液態(tài)合金的表面張力，但是表面張力的降低對接觸角的影響與內(nèi)界面張力降低的影響比較起來作用較小。
　　TiC的生成自由能比Cr、Mo、V、Mn、Fe等碳化物的生成自由能要低，1000℃時TiC的生成自由能約為4000卡/克.摩爾。從降低液態(tài)合金內(nèi)界面張力的能力上看，Ti只能排在M、Cr、Fe、V、Ta、Nb、Mn、Co、Ni之后，降低表面張力作用也不如上面提到的任何一種金屬，Ti在合金內(nèi)界面上的原子百分?jǐn)?shù)最小。所以在合金中加入1at.%左右的Ti,對降低接觸角看不出有什么作用，只有加入5at.%以上時，作用才比較明顯，達(dá)到 10at.%時效果最好，可使?jié)櫇窠?theta;降低至20℃以下。
　　
　　3 預(yù)合金粉末的制備
　　
　　預(yù)合金粉末的獲取是通過熔煉和氣水聯(lián)合霧化實(shí)現(xiàn)的。預(yù)合金粉末的熔煉要求較高，熔煉時即有強(qiáng)烈的吸氣現(xiàn)象，又有嚴(yán)重的氧化、蒸發(fā)傾向。熔煉時只能采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，而不能用真空冶煉。
　　有害雜質(zhì)鋁、鉛、鉍、氧、硫、磷等如果單獨(dú)分布在晶界上，可引起強(qiáng)度下降現(xiàn)象，熔煉時必須嚴(yán)格控制和去除。一般加入硅鈣合金來提高流動性，并靠鈣形成高熔點(diǎn)化合物CaP、Ca2Pb、BiCa來消除有害雜質(zhì)鉛和鉍。
　　為了保證熔體的化學(xué)成分及含氣量少，減少金屬的熔煉損失，提高合金粉成分的準(zhǔn)確性，必需采用合理的裝料及熔化順序，首先將爐料中數(shù)量最多的銅裝入熔化，同時將熔點(diǎn)較高的元素預(yù)先制成中間合金裝于在銅料中間，靠銅液熔解的辦法加速在微氧化性情況下的熔化，加速熔化速度。
　　高溫的熔融合金液體，倒入漏缽之后，在噴射氣體的負(fù)壓抽吸下，不斷地從底孔中漏出。隨著噴射氣體的方向飛濺到急冷體上，同時在噴射水流的作用下，保證粉末不會自重熔。
　　粉末受到急冷體沖擊及淬火，其性能要比同種氣霧化或水霧化合金狀態(tài)性能要好，其優(yōu)點(diǎn)主要有含氧量低、松散密度大等等。
　　預(yù)合金粉末的性能，除合金成分外，與制粉過程及制粉工藝有很大的相關(guān)度。主要工藝關(guān)鍵有以下幾點(diǎn)。
　　
　　中間包材料：主要有石墨和硅砂兩類，若采用石墨漏包，則熔體易吸收碳而使粉末的含碳量增高，損害合金成分；若采用硅砂則熔體易氧化。
　　漏包底孔直徑：根據(jù)合金熔體成分的不同，熔體的流動性也有所不同，流動性差的要求漏缽底孔直徑大，流動性好的要求漏缽底孔直徑可小些。同時，漏包底孔直徑與噴射的壓力、流動性、噴嘴前的負(fù)壓抽吸力大小等有關(guān)，若氣體的壓力、流量、抽吸力大，則漏缽底孔直徑可小些，反之，則漏缽底孔直徑要求大些。
　　噴射氣體：高溫熔融狀態(tài)下的合金液體，噴成很細(xì)的粉末時，比表面積非常大，極容易被氧化或污染，若用氬氣成本較高，故可采用氮?dú)庾鳛閲娚錃怏w。
　　 噴射氣體壓力：壓力大可噴制細(xì)粉末，但是耗氣量也大。經(jīng)驗(yàn)表明，根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)，可用0.8～1.5Mpa的壓力。
　　急冷速度：該速度愈低，則粉末在液態(tài)的時間愈長，也愈容易被氧化或污染，所以根據(jù)粉末性能的要求，要適當(dāng)提高此速度。
　　
　　4 擴(kuò)散連接的條件
　　
　　預(yù)合金粉末對金剛石的擴(kuò)散連接是靠在金剛石表面形成碳化物或釬焊金剛石的鍍覆層實(shí)現(xiàn)的，但是碳化物的形成需要一定的氣氛、溫度、壓力和時間，為了實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)散，金剛石刀頭制造中一般采用真空或氣體保護(hù)熱壓燒結(jié)工藝。金剛石刀頭熱壓時，預(yù)合金粉末中的碳化物形成元素（鉻、鈦、釩、鉬等）與金剛石界面形成極薄的碳化物，實(shí)現(xiàn)金剛石與金屬胎體的擴(kuò)散連接。
　　
　　表2 預(yù)合金粉末對金剛石的作用比較
　　
　　由于鉻、鈦、釩在空氣中容易氧化燒損失去作用，結(jié)合劑中的鐵、鈷、鎳元素容易引發(fā)金剛石石墨化，所以必須采用真空熱壓或氣保護(hù)熱壓。
　　 金剛石刀頭熱壓燒結(jié)的氣氛、溫度和時間是關(guān)鍵的技術(shù)工藝參數(shù)。表2是幾種預(yù)合金粉末熱壓金剛石刀頭的應(yīng)用效果，數(shù)字5表示效果最佳，數(shù)字1表示效果最差。
　　分析表2可以看出：低溫長時間熱壓的刀頭的使用壽命長于高溫快速熱壓；含鉻、鈦、釩和含鉻、鋯的預(yù)合金粉末對金剛石的潤濕性較好；熱壓燒結(jié)溫度較高時損傷金剛石導(dǎo)致金剛石性能弱化。
　　
　　5 結(jié) 論
　　
　?。?）粉末中添加少量強(qiáng)碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其對金剛石的潤濕性與親和力較好，燒結(jié)時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物，實(shí)現(xiàn)對金剛石的擴(kuò)散連接，有利于把持力的加強(qiáng)與提高。
　?。?）用預(yù)合金化粉末，可防止低熔點(diǎn)金屬過早流失與偏析，有利于提高燒結(jié)制品的彈性極限和屈服強(qiáng)度，增加對金剛石的把持力，還可降低燒結(jié)溫度與保溫時間。
　?。?）預(yù)合金粉末的成分、熔煉工藝、制取方式?jīng)Q定了粉末性能，離心式氣水聯(lián)合霧化制取的粉末更符合金剛石刀頭熱壓燒結(jié)的要求。
　?。?）真空熱壓燒結(jié)更能充分發(fā)揮預(yù)合金粉末的作用，實(shí)現(xiàn)金剛石與胎體的擴(kuò)散連接。