夏树铭
佛山市光大磨具材料有限公司
摘要：金刚石的硬度极高，被广泛用作磨料来加工硬质材料，如混凝土、硬质合金或天然石材等。随着新型陶瓷混凝土等加工对象的不断出现和变化，要求金刚石工具要持续改进，以提高其切削效率、减少自身磨损、同时降低其制造和使用成本。本文综述了人造金刚石颗粒的性能、不同类型金属结合剂的成分组成和基本性能、金刚石与金属结合剂的界面结合强度的措施，并对金属结合剂金刚石工具的发展作了进一步探讨。
关键词：金属结合剂；金刚石；界面结合强度
引言
本文将分类对前人的研究结果进行综述，归纳人造金刚石颗粒的特性，对比不同金属结合剂的成分组成和材料性能，总结金刚石／结合剂的界面行为，展望金属结合金刚石工具的发展方向。
1金刚石磨粒的特性
金刚石磨粒承担去除材料的作用，不仅要能经受住高速下的冲击力，而且要具有自锐性，即当磨粒磨损钝化后，能破裂生成新的切削刃。金刚石的品级、粒度、含量等基本性能，以及其同结合剂的匹配均影响工具的切削效果。
国际上具有代表性的金刚石制造商有元素六和ge公司，其制造的用于切割和钻探的高品级金刚石晶形规则、棱角饱满、对称度高、抗冲击强度和热稳定好。我国的金刚石生产企业有中南钻石、黄河旋风、郑州华晶等，它们生产的金刚石品种齐全，虽然某些产品性能上与国外产品有差异，但价格上有优势。我国已占据世界金刚石合成量的90%以上，是名副其实的生产大国，现正向质量强国迈进。
2金属结合剂特点种类
金刚石磨具用结合剂主要有树脂、金属、陶瓷等3类。金属结合剂按主要成分可以分为：钴基、铜基（常为青铜、黄铜）、铁基、钨基、镍基、铝基结合剂等。金属结合剂通常由黏结金属、骨架材料和添加剂组成。黏结金属应具有较低的熔融温度，使其具有液相烧结的特性，填充于骨架金属之间及骨架金属与金刚石之间，牢固地黏结骨架金属和金刚石，使工具具有较高的强度和抗冲击性。黏结金属通常是几种金属的合金，如Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ等金属及其合金。骨架金属以碳化物为主，如ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＴｉＣ等，也可用难熔金属Ｗ、Ｍｏ代替ＷＣ等使用，其作用是在高温烧结时保持固相状态，固定金刚石，同时提高基体韧性和耐磨性。
ＯＬＩＶＥＩＲＡ等通过在Ｆｅ-Ｃｕ-ＳｉＣ合金中添加质量分数１％的ＳｉＣ来提高结合剂的硬度和耐磨性，发现１１５０℃下真空烧结２５ｍｉｎ制备得到的Ｆｅ-２０％Ｃｕ-１％ＳｉＣ结合剂的硬度相对于Ｆｅ-Ｃｕ体系（３２ＨＢ）增加了１４％，加入金刚石后的磨损质量损失（０．５％）约为其他组成质量损失（１％）的一半，且耐磨性改善、工具寿命延长。
3金刚石与金属结合剂的界面结合
金刚石工具在使用过程中，由于金刚石很难与大多数金属及其合金反应形成冶金结合，使金刚石与结合剂结合强度不高，容易出现金刚石非正常脱落或金刚石磨粒未磨钝的情况下过早脱落的现象，工具的工作效能降低，严重降低了工具的加工效率和使用寿命，导致材料的加工成本居高不下。
为了提高结合剂对金刚石磨粒的把持力，目前主要采纳以下几种措施：（１）对金刚石磨粒进行处理，有金刚石表面金属化、表面粗化、表面活性技术处理等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆例如在磨粒表面镀覆碳纳米添加剂、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等活性金属及其合金镀层（如ＴｉＮ、Ｎｉ-Ｐ等），不仅可以避免金刚石被过度氧化，同时还能够通过镀覆金属元素使金刚石和金属结合剂发生反应，进而形成化学冶金结合，提高含金刚石节块的抗弯强度σＤ，进而减小ｑ，提高把持力系数Ｆ；（２）在烧结前将能形成强碳化物的合金元素直接添加到原料中，如Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、稀土等活性元素，在热压条件下可使金刚石表面金属化，在其界面上生成碳化物，大大降低内界面张力，使σＤ增大，ｑ减小，Ｆ增大，从而改善结合剂对金刚石的润湿和黏结，使两者间的黏结强度提高。
4金属结合剂金刚石工具
传统的金属结合剂金刚石磨具多采用粉末冶金法制备得到，结合剂组织致密，孔隙率较低，磨具在工作过程中自锐性较差，磨屑易堵塞气孔或黏附在金刚石和基体表面，导致磨削力增加，磨削温度升高，最后烧伤工件，且对磨具进行修整修锐比较困难，在一定程度上限制了其应用。为改善磨具的自锐性，常在金属结合剂中添加陶瓷、造孔剂等对金属结合剂进行改性，进而提高其使用性能。
4.1金属-陶瓷复合结合剂
金属陶瓷复合结合剂通常是在金属结合剂的基础上添加不同粒度、不同含量的颗粒起到颗粒增强和弥散强化的作用。其性能取决于两者间的组分及性质：金属为主体，陶瓷材料作为增强相时，可改善纯金属结合剂的不良性能，如改善脆性、增强耐磨性、提高自锐性及气孔率等，以利于磨具的修整修锐；陶瓷为主体，金属单质或合金为增强相时，金属颗粒增韧陶瓷结合剂，可改善陶瓷结合剂的组织结构、热膨胀系数及耐火度等性能。
4.2多孔金属结合剂
相比于金属陶瓷复合结合剂，广大学者更加致力于多孔金属结合剂的研究。主要原因在于材料中气孔的大小和多少与磨具的容屑排屑能力密切相关，气孔的存在可有效地避免磨屑堵塞，而且开口气孔可为冷却液提供通道，对磨削区冷却降温，降低工件烧伤概率。ＴＡＮＡＫＡ将多孔陶瓷结合剂中的孔隙结构引入金属结合剂，开发了多孔金属结合剂金刚石砂轮，经磨削试验发现该类砂轮具有磨削锋利、磨削力孝砂轮易于修整等特性。
ＭＡ等使用真空烧结法制备了多孔Ｃｕ-Ｓｎ-Ｔｉ合金ＣＢＮ磨削工具，造孔剂使用直径不同的氧化铝空心球，可有效地控制所形成闭孔的尺寸和均匀性，新型砂轮的磨削力（８４Ｎ）远低于陶瓷结合剂砂轮（１７０Ｎ），显示出多孔磨削工具的显著优势。
结语
目前的研究主要停留在工艺参数和组分配比的调控优化上，未能真正地建立复合材料的材料性能与使用要求之间的定量关系，如硬度、强度等力学指标与磨损性能之间未能形成一定的对应关系。金属结合剂金刚石工具的研究重点应主要集中在：（１）根据被加工对象选择合适的金属结合剂；（２）金刚石与金属结合剂发生高强度界面结合的条件和机理；（３）建立复合材料的材料性能与使用要求之间的定性或定量关系。通过开发多样化的结合剂来实现加工过程中金刚石与金属结合剂的匹配磨损，使金刚石工具的使用性能提高。
参考文献
［1］段隆臣，潘秉锁，方小红．金刚石工具的设计与制造［Ｍ］．武汉：中国地质大学出版社，2013．
［2］戴秋莲．稀土添加剂对铁基金刚石复合材料性能影响的研究［Ｄ］．泉州：华侨大学，2003．
［3］侯明，郭胜惠，高冀芸，等．金刚石与磨料磨具工程，2017(5)，35．
［4］吴玉会，李国彬，吕建伟．金刚石与磨料磨具工程，2006(2)，23．
［5］陈章文．适合金川矿区的特种孕镶金刚石钻头研制．硕士学位论文，中南大学，2008．
［6］姜荣超,冲击钻进用金刚石强化柱齿钻具的研制与进展[J].工程爆破文集(深圳),1997,11:887～891
［7］武志斌,徐鸿钧,肖冰等.真空条件下钎焊单层金刚石砂轮的研究[J].东南大学学报,2001,31(2):47～49
［8］黄辉,朱火明,徐西鹏.Ni-Cr合金钎焊单层金刚石磨料的试验研究[J].超硬材料与宝石,2002(4):6～8
［9］董洪峰．烧结温度对Ｃｕ基合金胎体性能的影响［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，2011．
［10］徐国平、梁红原,锥球形金刚石强化柱齿的研制[J],金刚石与磨料磨具工程,2002,4:21～24.
论文作者:夏树铭
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
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