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ResearchadvancesofaddingalloyingelementsinthebondofmetalmatrixdiamondtoolsSiWeizhengYuanHuiZhangFenglinWangChengyong(FacultyofMechanical&ElectronicEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)Abstract：Inthispapertheadvancesofseveralkindsofalloyingelementsaddedinthebondofmetalmatrixdiamondtoolsaresummarized.Theeffectandworkingmechanismofskeletonmaterial,carbide-formingelements,rare-earthandnon-metallicelementsinthebondarediscussed.Keywords:diamondtools,metalbond,alloyingelements1.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...