（材料学专业论文）高铁基金刚石工具胎体性能的研究.pdf

钢铁研究总院硕士学位论文 摘要 自2 0 世纪3 0 年代开始开发铁基胎体以来，铁基胎体以其在切割石材方面的某些 优点尤其是成本低廉的特点获得了较为广泛的应用。在当前对金刚石工具行业高效 率、高品质、低成本的要求下，深入研究开发铁基胎体有重要的现实意义和经济价值。 以往研究的都是以含铁量为4 0 6 0 9 6 的铁基胎体，因此本文在前人研究铁基胎体的基 础上，主要针对含铁量大于6 5 的高铁基胎体进行研究。采用元素混合法和完全的高 铁含量的预合金粉两种方法制备胎体试样。通过正交试验法找出并优化以元素混合法 制作铁基胎体的工艺，以高铁含量预合金粉末胎体作为参比系统，采用多种力学性能 测试仪器、扫描电镜( s e m ) 以及x 射线衍射仪分析对比高铁基胎体的性能特点以 及元素在铁基胎体中的合金化作用机制。通过在元素混合法制备的胎体中添加磷铁和 碳元素改进胎体性能，最后以切割试验综合分析高铁基胎体的耐磨性、与金刚石配合 磨损、金刚石的把持力等性能。全文主要结论如下： 1 、粉末粒度对胎体的力学性能有较大影响，随着铁粉粒度的细化，高铁基胎体 的硬度、抗弯强度提高，但并不是粉末越细越好，在实验采用的三种粒度铁粉中，使 用6 0 0 目铁粉的胎体具有较好的综合性能，而使用。1 0 0 0 目和3 0 0 目铁粉的胎体性能 稍低，但能满足实际的力学性能和切割性能要求。 2 、无论在硬度、抗弯强度等力学方面还是在密度、孔隙率等物理性能方面，高 铁含量预合金胎体都要优于元素混合法制备的胎体。两种方法制备的胎体中，元素的 合金化机制有明显不同，高铁含量预合金胎体中主要是f e 和s n 反应或固溶、c u 和 c o 固溶，且有晶格畸变的富铜相生成，对提高胎体的强韧性有益：而元素混合法制 备的胎体中主要是f e 和c o 固溶、c u 和s n 反应或固溶。 3 、高铁含量预合金胎体有较好耐磨性和把持金刚石的能力，而元素混合法制备 的高铁基胎体可以获得与预合金胎体相当的切害q 速度，但是耐磨性能较低；通过添加 适量的磷铁或碳粉，可以改善高铁基胎体的磨损性能和把持金刚石的能力，使其性能 部分达到或接近高铁含量预合金胎体的性能。 关键词：高铁基胎体，预合金粉末，胎体性能，合金化 钢铁研究总院硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 8 0 s o ft h e2 0 t hc e n t u r y , f e r r o u s b a s e dm a t r i xh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e f i e l do fs t o n ec u t t i n gb e c a u s eo fi t sc e r t a i nm e r i t se s p e c i a l l yi t sb a r g a i np r i c e i no r d e rt o m e e tt h er e q u e s t so fh i g he 佑c i e i l c y ，h i 曲q u a l i t yw h i l el o wc o s t ，i tw a sr e a l i s t i ca n d e c o n o m i ct oe x p l o r ef e r r o u s - b a s e dm a t r i xd e e p l y m a n yp r e v i o u sr e s e a r c h e sr o o t e di nt h e m a t r i xw i t ht h ep r o p o r t i o no ff eb e t w e e n4 0 6 0 b u tt h i sr e s e a r c hw o r ke m p h a s i z e d o nt h ei r o n - m a r xw i t hf el a r g e rt h a n6 5 t w om e t h o dw e r eu s e dt op r e p a r et h es a m p l e s o n ew a se l e m e n tb l e n d i n g ，t h eo t h e rw a sp r e a l l o y e dp o w d e r sr i c hi nf e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n tw a su s e dt of i n do u tt h eb e s ts p e c i f i c a t i o nt of a b r i c a t et h em a t r i xu s i n ge l e m e n t b l e n d i n g i r o n - r i c hp r e - a l l o y e dp o w d e rw a sr e g a r da sr e f e r e n c es a m p l e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ed e t e c t o r s ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s e o p y ( s e m ) a n dx - r a yd i f f r a e t i o n ( x r d ) w e r eu s e dt oa n a l y s i st h ef e a t u r e so ft h ei r o n r i c hm a t r i xa sw e l la st h em e c h a n i co f a l l o y i n go ft h ee l e m e n t si nt h em a t r i x a d d i t i o nf e r r o p h o s p h o ra n dp o w d e m dc a r b o nw e r e u s e dt oi r e p r o v et h es e r v i c e a b i l i t yo fi r o n r i c hm a t r i x a tl a s t s e v e r a lp e r f o r m a n c eo ft h e i r o n r i c hm a t r i xs u c ha sw e a r - r e s i s t a n c ep r o p e r t y , w e a rc o o r d i n a t i o nb e t w e e nm a t r i xa n d d i a m o n d r e t e n t i o no ft h eb o n d sw e r ei n t e g r a t e da n a l y z e dt h r o u g hf i e l dt e s t s g e n e r a l c o n c l u s i o n sw e r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) p o w d e rs i z eh a sam a j o re f f e c t i v e n e s so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fb o n d 。t h e s m a l l e ro ft h ep o w d e rs i z eo ff e ，t h eh a r d e ro ft h em a t r i xr i c hi nf e ，a n ds t r o n g e ro ft h e t r a n s v e r s er u p t u r es t r e n g t h ( t r s ) o f t h em a t r i xa sw e l l r e g a r dt ot h ep o w d e rs i z eo f f eh a d b e e nu s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h eb o n du s e d 一6 0 0m e s hf ep o w d e rh a sb e t t e rc o m b i n a t i o n p r o p e r t yt h a nt h a tu s e d 10 0 0m e s ha n d 3 0 0m e s hf ep o w d e r 2 1n l eb o n dm a d eb yi r o n r i c hp r e a l l o y e dp o w d e rh a sb e t t e rm e c h a n i c a la n dp h y s i c a l p r o p e r t i e ss u c ha sh a r d n e s s ，t r s ，d e n s i t ya n dp o r o s i t yt h a nt h a to ft h em a t r i x m a n u f a c t u r e db yw a yo fe l e m e n tb l e n d i n g a l l o y i n gm e c h a n i c so ft h eb o n dm a d eb yt h e t w om e t h o d sa r ed i f f e r e n t i nt h em a t r i xw i t hi r o n r i c hp r e a l l o y e dp o w d e r , t h ep r o c e s so f a l l o y i n gw a ss ns o l u t i o n i z i n gi nf em o s t l yw h i l ec oc h i e f l ys o l u t i o n i z i n gi nf e t h e a l l o y i n gp r o c e d u r eo f t h eb o n df a b r i c a t e db ye l e m e n tb l e n d i n gw a sc os o l u t i o n i z i n gi nf e w h i l es nm a i n l yr e a c t e dw i t hc u 3 1n l eb o n dm a d eb yi r o n r i c hp r e a l l o y e dp o w d e rh a db e t t e rw e a r - r e s i s t a n c ea n d d i a m o n dr e t e n t i o nc o m p a r et ot h eb o n df a b r i c a t e db yn l ew a yo fe l e m e mb l e n d i n gw h i c h c o u l do b t a i na l m o s tt h es a m ec u t t i n gs p e e do ft h ef o r m e r t h r o u g ha d d i n gp r o p e rq u a n t i t i e s o ff e r r o p h o s p h o ro rp o w d e r e dc a r b o ni nt h em a t r i xb ye l e m e n tb l e n d i n gc o u l di r e p r o v e t h ew e a rp e r f o r m a n c ea n dt h er e t e n t i o n k e y w o r d s ：i r o n - r i c hm a t r i x ，p r e - a l l o y e dp o w d e r ，p r o p e r t i e so ft h eb o n d ，a l l o y i n g 钢铁研究总院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 前言 金刚石是目前自然界中所发现的硬度最高的物质，在未实现人工合成之前就已于 工业中获得不少的应用，而在实现大规模人工合成之后，人造金刚石更是被广泛应用 于地质钻探以及硬脆材料的切割、磨削及钻孔等加工中，如珠宝、玻璃、石材、陶瓷、 钢筋混凝土、半导体材料、磁性材料等领域【l - 4 1 。由于人造金刚石通常是细小颗粒状， 因此用粉末冶金的方法将金刚石与一定成分配比的金属粉末混合、烧结制成一定形状 且具有一定力学性能的节块后才能发挥金刚石的切削作用。在这个所谓的节块中，除 去金刚石之后的部分我们称之为胎体。因此在金刚石制品中，虽然金刚石是作为最基 本组分的切削元件，但金刚石制品的胎体却是不可缺的组成部分，它对金刚石能否充 分、有效地发挥作用起着至关重要的作用。 金刚石工具胎体的作用主要有两个；一是“包镶”金刚石，二是具有与加工对象 相匹配的耐磨性。金刚石制品质量在很大程度上取决于其胎体的性能，而胎体的性能 主要取决于胎体的材料以及相应的生产工艺。总体而言金刚石工具对胎体性能的基本 要求主要是以下几点【5 t 6 ，7 】：( 1 ) 与被加工材料的耐磨匹配性，如果匹配性不好通常会 出现如下不利情况，一是胎体耐磨性过高，金刚石颗粒不容易外露，加工效率低下甚 至不能加工；二是胎体磨损性过低，工具的使用寿命下降；( 2 ) 胎体对金刚石的良好 的把持能力，使金刚石能够充分利用；( 3 ) 在保证胎体质量的前提下，烧结温度尽量 低，以减少高温对金刚石强度的损伤；( 4 ) 胎体与基体能够牢固焊接，具有足够的强 度和抗冲击性能，满足安全作业的要求等。 从2 0 世纪3 0 年代粉末冶金技术开始进入金刚石工具制造业以来，金属胎体金刚石 制品应用获得了极大的发展；随着社会经济技术的发展，金刚石工具作为切割脆硬材 料的有效手段除了要考虑上述对胎体的一些基本要求外，人们对工具的加工成本也提 出更高的要求，这实际上与金刚石工具的切割效率、寿命以及工具的成本相关，而这 三者又归结为制造工具的原材料选择和制作工艺的问题。正是在工具性能提高、成本 不断降低的要求驱动下，多年来国内外许多研究者开展了大量关于金属胎体的研究。 钢铁研究总院硕士学位论文 1 2 国内外金刚石工具金属胎体的研究现状 1 2 1 常用的金属胎体类型 金刚石工具加工对象非常复杂，针对不向硬度、研磨特性的加工材料国内外诸多 学者进行了大量的研究工作，所研发设计的金属胎体配方有上百种之多。尽管胎体的 配方多种多样，但依据胎体中主要成分的不同可归纳为c o 基、c u 基、f e 基、w c 基等几大类，常用的类型表见表1 1 1 引。 表i - i 金刚石工具常用胎体合金类型 t a m ei - 1 时p 髓o f m e t a lm a t r i xo f d i a m o n dt o o l s c u 基 c u - s n ，c u s n f e ，c u s n t i ，c u s n - c o ，c u - s n - n i c u - n i f e m n c u - s n - z n w c w 基 将w c a v 加入c u 系，c o 系中或f e 系而构成，如w c w - c o f e - n 胎体一般由如下几部分元素或合金组成：粘结金属元素、碳化物形成元素、骨架 材料及合金、强化成分等。骨架金属是高熔点、高硬度的难熔金属化合物，主要采用 w c ，它的作用是在高温烧结时保持固相，保证金刚石不会错动，而且使胎体金属具 有一定的硬度和耐磨性。在c u 基、c o 基、f e 基等非钨基结合剂中，w 、w c 、w 2 c 就是 骨架金属，通常在胎体中的添加量较少。粘结金属主要是指c u 、s n 、z n 等熔点低、 硬度低的金属。这些金属在烧结过程中较早熔融，成为液相，使结合剂具有液相烧结的 特征，在较低的温度下发生原子的位移、扩散、致密化、合金化等一系列烧结过程中 的物理化学变化。获得所设计的烧结体。因而，粘结金属起着必不可少的重要作用。通 常s n 、z n ，虽用量很少，但作用不可忽视，其成份和用量即使只有2 5 的变化，也会 对烧结工艺条件( 温度、压力、时间) 和烧结体性能( 密度、硬度、韧度) 产生显著的 影响。少量碳化物形成元素如c r 、z r 、w 、v 、t i 的加入是为了增强胎体对金刚石的 把持力。强化成分是指只要少量添加即可显著提高合金强度的那些金属元素，通常为 m o 、b e 以及c e 等稀土元素。 上述常用的胎体体系铜基、钴基、铁基以及w c 基的特点及适用范围概述 如下嗍： ， 钢铁研究总院硕士学位论文 铜基胎体：有较低烧结温度，能在较低温度下实现液相烧结，因而能降低金刚石在 烧结过程中的热损伤。由于铜基胎体的强度及耐磨性都较低，通常为保证金刚石完全 充分盼发挥作用，常常在胎体中加入其它提高强度和耐磨性的成份，如镍。钴、碳化物 等物质，使铜基胎体的硬度，强度与金刚石结合强度得到一定的改善，另外铜基胎体的 一个优势是成本低廉。 。 钴基胎体：钴基曾是高品级金刚石制品中应用最多的体系，这与钴自身许多优异 特性有关。钴对金刚石具有相对较好润湿性，而且具有其它金属所没有的低温粘结特 性，在比其熔点低得多的温度下，高钴基体就可获得很好合金化程度，使其对金刚石形 成很高的机械镶嵌力，许多研究显示钴对金刚石的侵蚀作用小，能够有效的减少金刚 石的热损伤，是钴基金刚石工具获得良好切割性能的重要保证。此外钴具有良好的磨 损性能且易与其它金属进行合金化从而设计出与金刚石磨损匹配性较好的配方，从而 保证金刚石较充分地发挥作用。另外较好的高温性能是钴基胎体的一大特点。由于金 刚石制品在工作过程中与切割对象的摩擦作用通常会出现局部温度过高的现象，此时 钻基胎体红硬性好的优势避免了金刚石制品出现瞬间磨损过快而寿命严重降低，同时 也防止由于胎体强度硬度下降而无法支撑金刚石、造成切割效率下降的局面。然而钴 基胎体一个愈发突显的不足是由于钴资源匮乏致使其价格昂贵且波动很大，对金刚石 工具的成本控制非常不利( 1o 】，国内目前主要在高档金刚石制品中使用。通常钴基胎体 与中等品级以及高品级的金刚石相配合，广泛用于各种花岗石、大理石以及钢筋混凝 土的锯切加工。 铁基胎体以铁为主要成份，与适当数量的铜、镍配合使用，还常常添加少量的s n 、 z n 、c o 等成份。铁基胎体的机械性能如硬度、强度与钴基胎体相近，但韧性和自锐 性比钻稍差，在烧结温度较高的情况下容易侵蚀金刚石，损伤金刚石的强度。有研究 显示铁基胎体性能随着合金配方和烧结温度等工艺条件的变化而会发生大的变化，性 能不够稳定【i “。但铁基胎体的一大特点是价格最相当低廉，不足钴的1 5 0 ，同时它的 适用范围与钴基结合剂基本相同，在国内用于替代钴。某些情况下铁基结合剂锯片在 加工红色硬花岗石时可能比钴基更为耐用。适当配方的铁基锯片，在锯切黑色花岗石 时也表现出不亚于钴基的优良性能，而如果锯片配方或烧结工艺不当，在加工软质石 材时会表现出不够锋利的缺点。 碳化钨基胎体以w c 、w 2 c 或w 粉的形式使用。加入适当数量的c u 、s n 、z n 、 f e 、c o 、n i 等成份。这类钨基胎体的硬度很高，具有很强的耐磨性，但缺点是自 钢铁研究总院硕士学位论文 锐性最差。由于w 、w c 含量高，因而烧结温度也很高，容易造成金刚石热损伤，因 此要求高耐热性金刚石与之配合使用。该体系胎体适于加工高硬度、高密度、高石英 含量的难加工的红色花岗石，尤其是骨料含量高的混凝土路面、钢筋混凝土之类的难 锯切材料以及研磨性强的沥青路面等。 金刚石工具胎体的配方体系一个发展特点是各类型胎体的分界在逐渐模糊化，也 就是说胎体中的各种元素的加入量以两种或三种为主，加入元素无论在量上还是起的 作用都不可或缺；另一个趋势是胎体中加入元素的种类不断增多，胎体的成份复杂多 样，这一方面是为了适应切割对象及其性能多样化的需要，另一个方面也是降低成本 的要求，但是胎体中元素增多的一个不利之处就是对工具制作过程的工艺控制难度加 大了，无疑会影响工具性能的稳定性。 1 2 2 金属胎体与金刚石结合机理的研究 金刚石与金属胎体的结合机理研究主要着眼于金属胎体与金刚石界面结合状态。 深入了解金刚石与金属胎体的结合机理可以为金属胎体材料的设计提供依据。普遍认 为胎体对金刚石的把持力有三种：机械镶嵌力、物理吸附力和冶金结合力。在这三种 力中，物理吸附力很小，可以忽略不计；机械镶嵌力的大小取决于胎体的烧结合金化 程度、弹性模量、7 l 隙率等性能：冶金结合力最强，但前提是金属胎体与金刚石界面 形成化学冶金结合状态。国内外研究者们经过研究发现，具有共价键的金刚石和金属 之间有很高的界面能，一般金属胎体与金刚石之间较难形成化学冶金结合，因而以机 械镶嵌作用为主【1 2 u l 。普遍认为胎体对金刚石的机械镶嵌没有足够的把持力，使用过 程中金刚石磨粒较易脱落，而造成金刚石提前失效，影响了金刚石工具的使用寿命和 加工效率。而文献【1 4 】认为机械包镶力来源于冷却收缩胎体的压应力和冷却有增容相变 胎体的压应力，单纯冷却收缩产生的机械包镶力是相当可观的，并给出了相应的计算 方法，同时指出这一包镶力与胎体的弹性模量有关，提高胎体的弹性模量，有利于增 强胎体对金刚石的机械包镶力。不过对于胎体把持金刚石的机理多数还是从以下两个 方面进行阐释，即在胎体中添加强碳化物形成元素和金刚石表面金属化技术。 1 2 2 1 胎体中强碳化物形成元素的应用及其作用机理 在胎体中常用的强碳化物形成元素有t i 、c r 、霄、m o 等，烧结时这些元素会向金 刚石表面富集且与金刚石反应生成碳化物，从而提高金刚石与胎体的界面结合强度1 1 5 ， 4 钢铁研究总院硕士学位论文 6 1 。当低熔点金属中加入易形成碳化物的元素，在合金溶液和金刚石之间不是简单的 接触界面，而是形成了中间碳化物【l ”，所测的合金对金刚石的浸润角，实际上转化为 合金溶液对其中活化金属的碳化物的浸润角。因为活化元素加入低熔点金属液体时， 即与金刚石表面作用。形成一薄层碳化物附着在金刚石的界面上。d a m o r t i m o r 观 察到金刚石与合金界面上生成物膜有四种不同的形态：a 型连续膜；b 断续 膜：c 一鱼鳞状膜；d 一弥散状膜，认为形成连续膜是最理想的。文献 1 8 通过研 究c u - s n - t i 合金与金刚石的接触界面，发现在金刚石界面上形成一层1 0 0 1 5 0 纳米 厚的t i c 薄膜，坚固地附着在金刚石面上。在界面之外，形成了t i 与c u 的中间化合 物为主富t i 带，厚约0 3 o 4 微米，这个带中几乎不含s n 。合金材料正是通过坚 固地附着在金刚石表面上的碳化物薄膜，而使金属能强有力的粘结住金刚石。 文献【1 9 】在c o ，c u 系胎体材料中比较了添j j l c r 、t i h 2 、t i + a 1 对胎体性能的影响， 结果表明它们对胎体材料和复合材料性能的影响有较大的差别，它们的作用效果由高 到底的顺序依次为t i + a l 、c r 、t i h 2 。文献( 2 0 】指出：在c o 基结合剂中加入一定量的 钛或铬，可使胎体材料的抗弯强度分别提高3 5 或2 0 ；加入金刚石后，其抗弯强度的 下降率由原来的2 8 分别减少至1 0 或1 3 。虽然不同的研究者采用不同的基本配方 和实验条件，所劂得的实验数据有所差异，但是实验所得出的结论基本一致，o p c r 、 t i 及其合金能使c o 基结合剂胎体材料和金刚石复合材料的抗弯强度提高。但是，在 纯c o 基中加入5 的w ，金刚石复合材料的抗弯强度和耐磨性能却大大降低【2 1 1 。说明 碳化物形成元素c r 、t i 、w 及其合金在c o 基胎体和金刚石复合材料中的作用存在较 大差异。在c u 基、f c 基的研究中也出现类似的结果1 2 2 - 2 3 1 。研究结果表明：不同的碳 化物形成元素及其不同的含量对同一种胎体材料性能的影响是不一样的。同样地，同 一种碳化物形成元素对不同胎体材料性能的影响也有很大的差异。 在胎体中添加强碳化物形成元素的方法也有其不足之处；一是通常碳化物形成元 素的反应温度较高，因而使得胎体的烧结温度升高，从而使金刚石热损伤较大，易出 现金刚石与胎体的结合强度提高，但金刚石本身的强度明显下降，从而影响工具的性 能的不利情况；二是这些元素与金刚石反应通常并不能在金刚石与胎体界面生成连续 完整的过渡层，导致结合强度的提高有限【1 7 s j ；三是某些强碳化物元素通常也是强氧 化物元素，在生产过程中常出现在碳化之前已被氧化的现象，也就起不到强碳化物形 成元素的作用，失去了添加的意义。 钢铁研究总院硕士学位论文 1 2 。2 2 金刚石表面金属化技术及胎体界面的作用机理 金刚石表面金属化就是通过物理或化学的方法镀覆某些强碳化物形成元素如w 、 t i 、c r 、m o 、v 等过渡族金属或合金，使金属在或合金在一定条件下与金刚石表面碳 原子发生界面反应，生成稳定的金属碳化物1 2 4 棚，碳化物一方面与金刚石表面存在较 好的化学键河，另一方方面又具有防护作用，隔绝金刚石与氧的直接接触而在高温下 被氧化。金刚石表面金属化的晶体模型如下图1 1 【2 6 】所示。金属化表面由三层材料叠 合而成，从里到外分别是碳化物层，合金化层和金属层。碳化物层的厚度一般在几十 至几百纳米，牢固地附着在金刚石表面，是实现金刚石金属化的关键；第二层合金层 要求对所生成的碳化物层具有良好的粘结性，这样才能保证金刚石在烧结过程中不会 与胎体间产生裂隙，合金化层的形成是金刚石呈现金属特性的关键；而第三层金属层 的形成主要是考虑金刚石工具中胎体合金与金刚石线膨胀系数相差较大，热压后金刚 石在冷却中会产生很大的内应力，金属层的出现会使内应力得到一定的缓和。 图1 1 金刚石表面金属化的晶体模型 f i g , 1 - 1 c r 了s m l m o d e l o f m e t a l l i z 4 t i o n o f d i a m o n d s s u r f a c e 常用的金刚石表面金属化技术有化学镀和电镀、真空物理气相沉积、真空化学气 相沉积以及盐浴镀等。化学镀是在无外加电流的条件下，通过自催化作用过程的氧化 还原反应在金刚石表面沉积金属，通常是在金刚石表面镀n i 、n i - w b 、n i - p - c u 、c u 等。但是通常表面化学镀n i ，c u 、c o 的金刚石不适用于金属胎体工具，原因是n i 、 c o 为石墨化元素，不能起冶金结合作用。其它方法中又只有真空物理气相沉积实现 了一定规模的工业化应用【姗，即在真空条件下，将金属气化成原子、分子或离子直接 沉积到金刚石表面上。国外最早于2 0 世纪7 0 年代开发此技术，发展至今已较为成熟， 由于成本原因，国内目前只在小范围工具制品内获得应用。金刚石表面常见的镀层是 t i 、c r 、w 、m o 。国内在上世纪8 0 年代也开展了该项研究工作，至今虽然取得了一些 成效 2 7 3 3 1 ，但使用效果还远没有达到国外的水平，制品的工作效率和使用寿命均比 6 钢铁研究总院硕士学位论文 国外产品要低。从现有的研究结果看来，大多数镀膜金刚石与结合剂烧结后，其抗弯 强度的下降比未镀膜金刚石的下降大大减小了。说明表面金属化金刚石和结合剂的结 合强度大大增强j 但是，也有研究指出，镀膜金刚石与结合剂烧结后，其抗弯强度的 下降幅度却比未镀膜金剐石的下降幅度增大了。如文献【3 3 】研究显示，镀m o 金刚石与 f e 基，n i 基，c u 基复合材料的抗弯强度均比未镀覆金刚石复合材料的低，而在c o 基 中的情况则相反。金刚石表面镀t i n 后，也存在类似的情况【3 2 1 。可见，镀膜金刚石与 结合剂之间存在着适应性问题。只有合适的结合剂与工艺与之匹配才能使镀膜金刚石 复合材料达到最佳的物理力学性能。 1 2 3 金刚石工具胎体用原材料粉末特性的研究 为保证胎体中加入的金刚石在烧结过程中不会受到严重的热损伤导致金刚石失 去切割性能，金属胎体金刚石工具所采用粉末冶金方法是有别于传统粉末冶金方法 的，在胎体合金显微组织上体现为通常所获得的胎体多数合金为假合金【3 4 】，在工艺上 主要体现在低的烧结温度和短的保温时间，以保证金刚石不会受到过度的热损伤。因 此，诸多研究从制备胎体用的原材料粉末特性着手，在降低烧结温度的同时使胎体仍 具有良好的力学性能，且避免胎体合金对金刚石过多的侵蚀。 原材料粉末的特性主要包括粉末的粒度及粒度分布、粉末形貌、粉末的表面积、 松装密度、夹杂等。对于采用元素混合法制作的金刚石工具胎体，常用的方法是添加 活化剂以降低烧结温度；细化粉末粒度也是获得低的烧结温度的方法之一，胡映宁等 脚j 通过在铁基胎体中加入一定比例的细粒度铁粉，使胎体的压制成型性、粘结性得到 改善，有利于胎体与金刚石的接触反应，使胎体对金刚石的把持力增大，从而使刀头 获得良好的锋利性和耐磨性。郭桦等【3 6 】采用了几种不同粒度的c o 粉研究粉末粒度对 c o 基绳锯串珠胎体性能的影响，结果表明胎体的致密度、抗弯强度和硬度均随c o 粉粒度的减小而增大，并且随粉末的细化，胎体对金刚石的包镶力也随致密化的提高 而增大。郑汉书等【37 】等通过在金刚石锯片刀头中加入超细w c ，研究了超细w c 粉末 的特性对刀头显微结构的影响，试验表明超细w c 的加入明显改善了s n - n i c o c u 系金刚石锯片刀头的显微结构，随其含量的增加，有利于胎体材料晶粒的细化和强度 的提高。孙金峰等【3 8 】在一定的成本效率前提下采用高能球磨的方法使c u f e 复合粉末 实现一定程度的机械合金化，使金属粉末积聚较高的畸变能量，从而达到降低烧结温 度的目的。 钢铁研究总院硕士学位论文 上述是针对元素混合粉法进行的粉末特性的研究。而自2 0 世纪7 0 年代起，已有 人提出在金刚石工具中采用预合金粉末来提高金刚石工具胎体的性能，而预合金粉末 真正在金刚石工具中实现商品化应用始于2 0 世纪9 0 年代末国外著名粉末生产商 e u r o t u n g s t e n e 公司推出的n e x t 系列粉末1 3 9 , 柏1 ，之后国内外对预合金粉末的研究相 继展开。一系列的研究 4 1 4 2 都显示预合金粉末的优异性能： ( 1 ) 合金熔点比单元素熔点低，可使一些高强度金属通过合金化后降低熔点。以 达到烧结金刚石制品的要求； ( 2 ) 合金和单元素金属相比，具有较高的物理机械性能，易于满足金刚石制品胎 体性能要求； ( 3 ) 预合金粉末比机械混合粉末均匀，对金刚石的浸润性好； ( 4 ) 合金粉末的烧结过程通常为超固相液相烧结，这可以大大避免机械混合粉末 胎体烧结中最常出现的成分偏析和低熔点金属先熔化并富集以及易氧化、挥发等缺陷， 从而可保证金刚石制品的质量，制品的机械性能也大有提高。 目前，国内外主要致力于预合金粉成分配比、烧结性能、物理机械性能、粒度细 化、激光焊接性等方面的研究，以获得低成本、高性能的预合金粉。预合金粉末粒度 超细化是进一步提高预合金粉及金刚石工具性能的有效途径。超细预合金粉末具有优 良的烧结性能，是现在普遍采用的元素混合粉末所不具备的，不仅可以降低烧结温度， 在宽的温度范围内胎体的烧结硬度非常高，减少金刚石的热损伤，提高工具胎体把持 金刚石力，最终提高工具寿命和效率 4 3 】。但是就目前而言，性能优异的国外预合金粉 末成本仍然非常高，同时由于预合金粉末的成分已定，对于工具的切割适应性是不利 的，因此，预合金粉末将与元素混合法并存，是工具制造的两种主要方法，各有其特 点。工具的加工对象、寿命、效率、成本的综合考虑是决定采用何种方法的关键。 1 3 铁基胎体的应用研究趋势 金属钴或钻合金所制作的金刚石工具具有高温强度高、韧性适中、综合性能好等 优点，因而国外的金刚石工具用金属结合剂大多为纯钴基、高钴基( 含7 0 8 0 ) 、 中钴基( 含钴3 5 5 0 ) 1 4 6 1 。但由于钻是十分重要的战略物质，加之我国资源贫乏、 价格昂贵，在金刚石工具刀头中使用高钴、中钴含量会大大地影响到工具的成本，因 此，选用合适的材料或采用合理的工艺方法实现金刚石工具金属胎体中少含钴或不含 钻一直是研究的热点。2 0 世纪7 0 年代曾在铜基、青铜基胎体中加入1 5 w t 2 5 w t 8 钢铁研究总院硕士学位论文 的f e - p 共晶合金，用于地质钻头，收到一定的效果。至8 0 年代，石材切割锯片中开 始开发铁基胎体，由于铁基胎体材料有着资源上的优势和显著的经济效益，因而占据 着很重要的地位。c h a l k l e y h 7 i 针对铁基材料的耐磨性能作了系统的研究，认为工艺条 件适当，可以充分发挥铁基胎体材料的耐磨性。k o n s t a n t y 4 8 j 也认为铁基胎体材料在 严格控制烧结温度时可以获得较佳的耐磨性能j 在铁基配方中加入适量n i 来提高粘结金属的流动性和胎体强度是一个有效的 方法，但由于铁、镍会在高温常压下使金刚石发生石墨化，从而降低金刚石工具的锯 切性能，所以铁基配方中的铁镍含量应控制在一定的范围内。文献【1 6 】对胎体中铁含 量对金刚石的把持力进行了试验研究。其实验结果表明在刀头结合剂中以适量的铁来 取代钻，并将铁镍比例配比为3 ：l ，获得了与高钻结合剂相当的基体强度和优于高 钴结合剂的把持力，并且制作的石材切割片获得了较好的切割性能；陈霞和李晨辉【4 9 1 利用抗弯强度试验和扫描电镜对f e 基结合剂的力学性能和显微组织进行了较为详细 的研究，发现当胎体含f e 大于4 0 时结合剂对烧结温度很敏感，极易过度侵蚀金刚 石。汪国香等人1 6 j 的研究也表明对传统c o 胎体配方进行调整，去掉高价的c o 粉，添 加廉价的f e 粉，并施以恰当的烧结工艺，能够获得与c o 胎体相同的性能指标。而 文献【5 0 】的研究结果之一是烧结温度对铁基胎体的硬度和抗弯强度有较大的影响。 应该特别指出的是，钻和铁的晶体结构不同，与其它金属合金化的能力不同，合 金化后的性能也不同。尤其是高温性能，钴具有良好高温硬性、热强性、抗高温氧化 腐蚀力。因此，以它们常温下的性能来判别铁代钴时胎体的性能是不完全的。大量实 践证明，合金化不当的铁基胎体存在着如下几方面的问题： ( 1 ) 烧结温度高、可控工艺范围窄、对烧结温度的要求严格； ( 2 ) 铁在熟压烧结时很容易浸蚀金刚石，使胎体与金刚石表面形成一层疏松的 石墨层，削弱胎体对金刚石的把持力，导致金刚石提前脱落造成工具切削效率下降和 使用寿命降低： ( 3 ) 铁粉活性很大，特别是细铁粉更容易氧化，含氧量高的铁粉会严重影响烧 结质量； 然而不同的铁含量以及不同金属或合金的加入对于胎体与金刚石的作用不同，因 此许多学者围绕着解决高温下铁对金刚石的热浸蚀、提高结合剂与金刚石的结合强 度，以及工具的自锐性等方面进行了大量研究。 9 钢铁研究总院硕士学位论文 1 3 1 铁基胎体对金刚石的侵蚀 。郭西缅【5 l 】研究7 9 5 0 ( 2 下保温6 m i n 时铁对金刚石的蚀刻反应，用俄歇能谱( a e s ) 微区成分分析给出了金剐石晶格中碳原子自金刚石与铁的相界面溶入铁中的分布，并 通过a e s 碳的k l l 谱确认了碳的存在状态是石墨，无碳化物相得形成。通过研究铁蚀 刻金刚石过程中石墨析出机制，导出了石墨析出速率的理论公式。认为合理设置烧结 温度、保温时间以及通过添加元素改变扩散系数的方法，可以控制铁与金刚石反应时 石墨的析出量。王岚【5 2 】的研究显示f e 刻蚀金刚石的过程中温度起重要作用。由于铁在 高温下容易使金刚石发生石墨化作用，从而降低金刚石的强度，影响工具的切削性能， 因此许多研究都重点放在如何防止铁基胎体中金刚石的热损伤。通过添加低熔点合金 来降低烧结温度是常用方法之一，即在铁基胎体中添j h c u 、s n 或6 6 3 青铜的金属或合 金获得液相烧结从而使烧结温度降低，但通常低熔点金属在铁中的固溶度不大，在低 的烧结温度下它们在铁中的扩散迁移较慢，同样不利于获得性能优异的胎体；加入细 粒度的铁粉也是有效的方法之一，通常加入羰基铁粉，但由于羰基铁粉的成本较高， 并且羰基铁粉为球状。不利于刀头成型烧结，影响了它的应用。因此从降低烧结温度 的角度来避免铁基胎体对金刚石的热蚀有一定的局限性。而采用镀覆金刚石则有效地 保护了金刚石。陈霞【4 9 】在研究铁基胎体的过程中发现在9 0 0 c 温度下虽然不含胎体的 试样具有最高的抗弯强度，但是含有金刚石的试样的抗弯强度却最低，电镜检测发现 金刚石就已经受到较严重的侵蚀，从而影响了金刚石与胎体间的结合。而采用化学镀 覆n i q 2 0 w p 的金刚石后，含金刚石胎体的抗弯强度则获得了一定的改善。研究显示 镀覆金刚石能很好地被胎体金属浸润，从而获得良好的把持力，而在铁基胎体中镀覆 层的最大作用是可以有效地阻止铁族元素与金刚石发生石墨化反应。防止或减轻铁基 胎体对金刚石的热蚀的另一方法是采用采用铸铁基结合剂。由于铸铁粉饱和着碳，使 高温烧结时金刚石所扩散的碳原子极少，从而抑制着金刚石的劣化。通常的成分是灰 口铸铁切屑粉碎粉加一定量的羰基铁粉在一定的温度和压力和保护气氛条件下烧结 成型制成金刚石工具。由于铸铁粉中含硅，通过烧结处理后使石墨球状化，而提高了 结合剂的强度。羰基铁粉可降低铸铁含碳量和烧结后的脆性，提高铸铁粉的烧结性和 对金刚石的粘结力。 1 3 2 多元合金化铁基结合剂 一般而言，铁基胎体指的是含铁量在4 0 6 0 的胎体，余下比例中加入多种金属 1 0 钢铁研究总院硕士学位论文 元素达到提高铁基胎体性能的目的通常是非常有效的，其合金化的主要原则可归结如 下： ( 1 ) 加入一定量的低熔点元素或合金作粘结相，使胎体发生液相烧结，从而在较低的温 度下粉体发生位移、扩散、致密化、合金化等一系列烧结过程中的物理化学变化，获 得理想的致密烧结体，通常加入的低熔点元素及合金是铜、锌、锡、磷铁共晶合金等。 ( 2 ) 添加少量的高硬度、高熔点的骨架成分，如钨、碳化钨、金属氧化物等，以提高 结合剂的硬度和耐磨性，并通过调节这些成分来调整性能和适用范围，但骨架成分的 加入量必需保证胎体的最低机械性能要求。 ( 3 ) 胎体强化成分的加入。胎体强化成分因粘结相不同而异。镍可以固溶强化铁基体， 但由于镍在铁中扩散速度很慢，作用不明显。而加入少量的碳、硅元素，形成f e 3 c 与f e 3 s i 也可以强化铁基胎体。磷则主要通过加入磷的合金通常是磷铁来，提高铁基 体和粘结相铜的硬度与耐磨性并减缓铁对金刚石的热浸蚀作用等。 ( 4 ) 添加适量的亲和元素来增强铁基胎体对金刚石的化学亲和力，如加入3 左右的钴 可大幅度提高铁基结合剂对金刚石的把持力。加入适当的碳化物形成元素，使之能够 在高温下生成稳定的化合物，改善胎体对金刚石溶剂化作用。 多元合金化不论对于铁基结合剂还是其他类型结合剂都是一条非常适用的原则， 在具体设计某一结合剂时，应当根据切削加工对象对工具性能的要求，适当地增减某 些合金元素。 1 3 3 部分预合金化铁基胎体 采用元素混合粉来配制胎体合金粉末，尽管便于调整胎体成分配比以适应复杂切 割对象，不过一个明显的不足是在较低温度烧结条件下，得到的胎体多为假合金，即 胎体中大多数高熔点金属粉末仍以单质形式存在，因而胎体的力学性能不高，对金刚 石的把持力也较低：而烧结温度偏高时，一方面容易造成金刚石强度的降低，另外胎 体中部分低熔点金属易被烧损或流失，严重影响胎体的性能。因此，为了进一步提高 金刚石制品胎体的物理机械性能，而同时又能够方便调整胎体的成份配比适应切割对 象，部分预合金化胎体的研究相继出现。 应用已较为普遍的铁基胎体部分预合金化是采用6 6 3 合金、c u s n l o 、c u p 、f e - p 等合金作粘结成分来降低合金的烧结温度，文献【5 3 】在铁铜基胎体合金中，j d a 较高比 例含磷合金，使铁基制品的烧结温度降低到8 4 0 8 0 0 ，扩宽了热压烧结工艺范围； 钢铁研究总院硕士学位论文 通过磷对铁、铜基体的强化作用来保证胎体有足够的硬度、强韧性和耐磨性，又能使 胎体工具具有良好的自锐性，保证金刚石工具在使用过程中的出刃高度i 文献指出含 磷合金铁基胎体除上述优点外，还较好地克服了铁对金刚石的热侵蚀作用。修稚萌等 卅以铁磷及铁铜预合金粉末的形式加入铁基胎体中，目的是通过预合金粉末对烧结的 促进作用和合金强化作用，提高金属基体以及金刚石，金属复合材料的强度，提高基体 铁基材料对金刚石的把持力和耐磨性。结果显示以f e p 和f e c u 预合金粉为基础粉末 试样的相对密度均由9 7 9 增加到9 9 6 ，三点抗弯强度分别由1 1 8 2 m p a 增加到 1 5 6 7 m p a 和1 3 2 0 m p a ，分别增加t 3 2 6 和11 5 。基体抗弯强度的增加，除了原始 铁粉粒度较细的影响之外，主要是由于合金元素的作用。朱永伟等f 5 5 1 则对部分预合金 化的烧结机理做了比较透彻的分析，虽然研究对象为铜基胎体，但完全可以用在在铁 基胎体的研究中。 1 4 问题的提出及研究思路 1 4 1 问题的提出 铁基胎体通过添加不同成分实现性能可调，然而相较于其它类型胎体，最显著的 优点是它的成本低廉。随着近几年金刚石工具粉末原材料如c o 、n i 、w 等价格的持 续飙升，给工具制造商的经营成本造成极大的压力，铁基胎体的成本优势则愈发凸显。 从2 0 世纪9 0 年代末在金刚石工具行业中开始应用的超细预合金粉末也由于价格因素 以及性能不易调整等不足丽未能获得大规模应用，因此，采用元素混合法制作金刚石 工具仍是主要方法。同时由于近几年国内金刚石单晶合成技术取得重大突破，打破了 国外垄断高档金刚石单晶的局面，使国内中高档金刚石单晶价格不升反降，这对于金 刚石工具胎体的研