冶金銅基金剛石工具研究進展

1、冶金銅基金剛石工具研究進展 金剛石具有極高的硬度、極強的耐磨性和優(yōu)良的物理機械性能。以金剛石顆粒為磨料，與金屬胎體經(jīng)過混合燒結(jié)工藝制取的金剛石工具，由于充分利用并有效發(fā)揮了金剛石本身超硬、超耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，成為加工玻璃、花崗巖、大理石等硬脆材料不可替代的新型工具。金剛石工具的工作層部分由金剛石磨料和胎體組成。金剛石顆粒需要胎體的鑲嵌把持才能發(fā)揮作用，金剛石工具的性能常常由胎體性能的質(zhì)量來決定，其工作性能的發(fā)揮與胎體的性能是密切相關(guān)的。由于燒結(jié) Cu 基胎體脆而不粘，對金剛石有足夠的固結(jié)力和粘結(jié)力，所以 Cu 基金剛石工具鋒利、韌性好; 另外 Cu 基金剛石工具具有燒結(jié)溫度

2、低、成形性能好等特點，得到廣泛應用。但相對于 Co 基胎體，Cu 基胎體也有其自身的一些弊端，如對金剛石潤濕性較差，造成金剛石工具強度、硬度低; 對金剛石的把持力較低，切削時會發(fā)生金剛石脫落，使實際參與切削的金剛石數(shù)量減少，導致宏觀破碎率增加，耐磨性降低1。為了克服以上缺點，科研人員將很多先進技術(shù)應用到 Cu 基金剛石工具中，例如預合金化技術(shù)、稀土元素等的應用。本文從 Cu基胎體的分類、金剛石表面金屬化技術(shù)在 Cu 基金剛石工具中的應用、預合金化技術(shù)在 Cu 基金剛石工具中的應用、稀土元素在 Cu 基金剛石工具中的應用等方面，綜述 Cu 基金剛石工具的研究現(xiàn)狀。1 Cu 基胎體的分類眾所周知，

3、純 Cu 液態(tài)對碳是呈惰性的，在 Cu-C內(nèi)界面上很難發(fā)生擴散。在 Cu 中添加少量的合金元素，目的是改善 Cu 對金剛石的潤濕，即降低接觸角和提高 Cu 合金對金剛石的粘結(jié)強度，以此來達到工具中金剛石不過早脫落，提高金剛石工具使用性能的目的。所以通常采用其它合金元素與 Cu 一起作為金剛石工具的胎體材料。根據(jù)合金元素種類的不同，Cu 基胎體可分為以下幾類:1) 青銅基胎體青銅基胎體是在 Cu 中加入強化元素 Sn 或再加入其它元素，青銅基胎體在金剛石工具中應用比較普遍。青銅粉的可燒結(jié)性和成形性很好，熔點低、燒結(jié)溫度也低。以下是幾種常見的青銅基胎體:錫青銅，是制造金剛石工具的主要結(jié)合劑，以錫青

4、銅為結(jié)合劑制造的超硬磨具，強度、硬度高，又有較高的脆性; 錫青銅收縮率小，易產(chǎn)生分散性縮孔，適合制造形狀復雜且要求有一定氣孔率的磨具; 錫青銅導熱性較好，有利于磨具磨削時降低磨削溫度和防止工件表面燒傷2。6-6-3 青銅合金，燒結(jié)溫度低，可燒結(jié)性和成形性均很好，綜合力學性能較好，多用于地質(zhì)鉆頭、鋸片刀頭的胎體，是普遍應用的金屬胎體。Cu-Sn-Ti 合金，是很好的金剛石磨具胎體。對金剛石具有出色的潤濕性，幾乎完全潤濕; 燒結(jié)后的合金，脆而不粘，對金剛石有足夠的固結(jié)力和粘結(jié)力。Cu-Sn-Ni 合金，是用 Ni 取代 Ti，合金力學性能有大幅度提高，但液態(tài)合金對金剛石的潤濕性比Cu-Sn-Ti

5、合金相差很大; 由于 Ni 能強化胎體，合金的液、固相線都有稍許提高，抑制了高溫下的燒結(jié)流失。Cu-Sn-Ni 合金用作粗磨、精磨砂輪效果尚好3。2) 白銅基胎體白銅基胎體指 Cu-Ni 基合金，用的比較多的是錳白銅和鋅白銅。錳白銅指 Cu-Ni-Mn 合金，鋅白銅指 Cu-Ni-Zn 合金。白銅的力學性能高于青銅基合金，熔點也比青銅合金高; 有較高的強度和韌性，常用在有沖擊重載荷的工具上，如石油鉆頭和地質(zhì)鉆頭3。有時為了特殊的需求，也常在 Cu 基胎體金剛石工具中加入 Fe、Cr、Ti 等其他改性元素，以提高工具的性能。如陳芃等4指出在 6-6-3 青銅胎體中加入含量比為 3 1 的 Fe-

6、Ni 合金元素時，胎體強度提高 24%，對金剛石的把持力提高了 50. 2%。SunLan 等人5使用 SiC 晶須對 Cu-Fe 基胎體進行強化也收到了較好效果，加入 1. 5% ( 體積分數(shù)) 的 SiC晶須可以使金剛石鋸片的使用壽命提高 30%。孫毓超6指出，Cu 基胎體合金中 Cr 含量在 0. 10%( 原子分數(shù)) 時，胎體對金剛石的粘結(jié)強度最高達到350MPa; Ti 含量在 0. 07% ( 原子分數(shù)) 時，粘結(jié)強度出現(xiàn)峰值，達到 400 MPa 以上。Luciano 等7還在金剛石工具中加入微量非金屬元素，如在 Cu 基胎體中加入適量的 P 和 Si 均能降低 Cu 合金的熔點

7、，使 Cu 合金能在較低溫度下浸潤金剛石。2 金剛石表面金屬化在 Cu 基金剛石工具中的應用由于金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能，致使金剛石不能為一般合金所浸潤。試驗表明，在對金剛石呈惰性的金屬 Cu 中加入少量強碳化物形成元素( Ti、Cr 等) 可以改變金剛石的表面狀態(tài)，從而大大改善溶液對金剛石表面的浸潤性。林增棟8通過研究得出，在 Cu 合金中添加強碳化物形成元素，在適當?shù)臏囟认掳l(fā)生液-固兩相界面反應，在金剛石和合金溶液間生成碳化物界面，使 Cu合金對金剛石的浸潤轉(zhuǎn)化為 Cu 合金對碳化物界面的浸潤，從而提高了金剛石與合金之間的粘結(jié)力。例如，在 Cu 中加入碳化物形成元素 Ti

8、，會發(fā)生界面反應從而實現(xiàn)對金剛石顆粒的浸潤和粘結(jié)9。試驗測定得出，在與金剛石表面浸潤角為 145的 Cu溶液中加入 10% Ti，則 Cu-10Ti 合金對金剛石的浸潤性能大大改善，浸潤角降至 30以下; 加 Sn 于 Cu-Ti 合金中，能進一步改善合金對金剛石的浸潤性，并測得 Cu-10Sn-20Ti 合金與金剛石的浸潤角幾乎趨于 0，這種合金材料對金剛石的焊接結(jié)合力可達100 MPa 以上，增強了金屬基體對金剛石的粘結(jié)力，提高了金剛石工具的性能水平。林增棟10用 Cu-Sn-Ti、Cu-Cr 合金粉與金剛石顆粒燒結(jié)制備的金剛石砂輪中金剛石顆粒出刃非常突出，高達金剛石顆粒的 2/3，并被牢

9、固釬焊住。金剛石出刃鋒利度、壽命均大大提高。3 預合金化技術(shù)在 Cu 基金剛石工具中的的應用自從 Umicroe 在 20 世紀 90 年代首先提出預合金粉概念以來，預合金粉在金剛石工具制造業(yè)及粉末冶金業(yè)的應用越來越廣泛。目前，大多數(shù)金剛石鋸片、磨輪、取芯鉆頭及其它天然石材和建材加工工具的制造商在產(chǎn)品制造過程中，除了純 Co 外，均使用相當比例的預合金粉。預合金粉末由于每個粉末顆粒都包含組成合金的各種金屬元素，因此預合金粉成分均勻性相當好。同時，預合金粉共熔點比合金中單元素的熔點要低得多，燒結(jié)過程中，只要溫度達到預合金粉末的液相線以上，整個粘結(jié)金屬成分的粉末熔化11。因此，使用預合金粉末有以下

10、顯著特點:1) 預合金粉刀頭比機械混合粉刀頭的元素分布均勻，從根本上避免了成分偏析;2) 預合金粉合金化充分，組織均勻，大大提高了燒結(jié)制品的抗壓、抗彎強度，易于滿足金剛石制品的胎體性能要求;3) 由于預合金化大大降低了燒結(jié)過程中金屬原子擴散所需的激活能，降低了燒結(jié)溫度，縮短了燒結(jié)時間，有利于避免金剛石高溫損傷;4) 預合金粉抗氧化能力強，燒結(jié)性能好;5) 預合金粉胎體具有高硬度和高沖擊強度;6) 預合金粉可提高對金剛石的把持力，提高金剛石工具的鋒利度，延長工具的使用壽命。張紹和等12用預合金 Cu 制備金剛石鉆頭，在華東某單位用在鉆進流紋巖中，鉆頭平均壽命為60. 7m，平均時效為 2. 6m

11、 / h; 而非預合金胎體制備的鉆頭平均壽命為 30. 5m，平均時效為 1. 8m/h，預合金胎體鉆頭比非預合金胎體鉆頭的壽命提高了99% ，平均時效提高了 45% ; 在成都某水電院鉆進砂卵石層的使用試驗中，使用非預合金粉末胎體鉆頭鉆進的平均壽命為 25m，平均時效為 1. 6m/h; 而使用預合金粉末胎體鉆頭，其平均壽命為 50m，平均時效為 2. 3m/h，分別提高了 100%和 43. 8%。向波等13采用共沉淀還原法制備 Cu 基預合金粉，所制得的胎體材料晶粒細小、分布均勻，純胎體的相對密度達到 98. 24%，抗彎強度達到 1 014. 63 1 127. 45MPa，硬度達到

12、97. 7 100. 4HRB; 而相同條件下用傳統(tǒng)機械混合法制備的純胎體的相對密度為 93% 95%，抗彎強度為 810 920MPa，硬度為 70 80HRB。由此可見采用共沉淀法制備的預合金粉的性能也是遠遠高于機械混合法的。4 稀土元素在 Cu 基金剛石工具中的應用稀土元素對胎體的強化研究始于上世紀 80 年代，它對材料的性能有許多特殊的影響。已經(jīng)證明14 17，稀土元素具有細化晶粒、凈化材料表面和界面、吸附有害雜質(zhì) O、S、P 等并與之反應生成相應的化合物等作用，能夠顯著提高材料的綜合性能，因而稀土元素在材料的科學研究和制備過程中獲得了廣泛的應用。吳玉會等18將稀土元素 La 與金屬

13、Ni 制備成預合金粉，加入 Cu 基金剛石工具胎體。當 La-Ni 預合金含量達到 1. 5% 時，胎體硬度達到最高值92. 0HRB; 添加 La-Ni 為 1. 0% 時，純胎體材料的抗彎強度達到最大值640 MPa，遠遠高于未加 La-Ni 合金粉時純胎體材料的抗彎強度( 514MPa) ; 金剛石/金屬基復合材料的抗彎強度達到最大值 570MPa，比不添加稀土的試樣的抗彎強度值提高了 32%。宋月清等19把 La-5Ni 合金粉加入 6-6-3 青銅基胎體中，發(fā)現(xiàn): 在 Cu 基胎體中添加 La-5Ni 合金粉末，可顯著提高胎體的綜合力學性能，特別是胎體的抗彎強度提高幅度很大，當 La

14、 含量達 0. 75% 時，純胎體的抗彎強度從 512MPa 提高到 823MPa，提高了60% ; 含金剛石胎體的抗彎強度從 480MPa 提高到671MPa，提高了 37% ; 磨損后金剛石在胎體中的出露高度由 95m 增加到 120m，提高了 26%; 胎體對金剛石的粘結(jié)包鑲能力提高。盧安軍等20在 Cu 基金剛石鋸片中加入稀土Y，不僅有效提高了胎體的硬度，而且增強了胎體對金剛石的包鑲能力，實現(xiàn)胎體與金剛石在切割過程中的匹配磨損，提高鋸片的切削性能。在保證鋒利度基本不變的情況下，含 Y 鋸片的壽命甚至比 Co基鋸片的壽命提高了 17%，具有取代 Co 基金剛石鋸片的應用潛力。李長龍等21在切玻璃用鋸片中加入稀土化合物 La2O3。研究得出，稀土化合物的加入能增大金剛石的出刃高度，增加刀頭的脆性，使金剛石的出刃更加容易，而且還不會降低金剛石的利用率。用含稀土氧化物的鋸片對玻璃酒瓶做切割試驗，相比國內(nèi)其它廠家的鋸片