冶金铜基金刚石工具研究进展

金刚石具有极高的硬度、极强的耐磨性和优良的物理机械性能。以金刚石颗粒为磨料，与金属胎体经过混合烧结工艺制取的金刚石工具，由于充分利用并有效发挥了金刚石本身超硬、超耐磨、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，成为加工玻璃、花岗岩、大理石等硬脆材料不可替代的新型工具。金刚石工具的工作层部分由金刚石磨料和胎体组成。金刚石颗粒需要胎体的镶嵌把持才能发挥作用，金刚石工具的性能常常由胎体性能的质量来决定，其工作性能的发挥与胎体的性能是密切相关的。由于烧结 Cu 基胎体脆而不粘，对金刚石有足够的固结力和粘结力，所以 Cu 基金刚石工具锋利、韧性好; 另外 Cu 基金刚石工具具有烧结温度低、成形性能好等特点，得到广泛应用。但相对于 Co 基胎体，Cu 基胎体也有其自身的一些弊端，如对金刚石润湿性较差，造成金刚石工具强度、硬度低; 对金刚石的把持力较低，切削时会发生金刚石脱落，使实际参与切削的金刚石数量减少，导致宏观破碎率增加，耐磨性降低［1］。为了克服以上缺点，科研人员将很多先进技术应用到 Cu 基金刚石工具中，例如预合金化技术、稀土元素等的应用。本文从 Cu基胎体的分类、金刚石表面金属化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、预合金化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、稀土元素在 Cu 基金刚石工具中的应用等方面，综述 Cu 基金刚石工具的研究现状。

1 Cu 基胎体的分类

众所周知，纯 Cu 液态对碳是呈惰性的，在 Cu-C内界面上很难发生扩散。在 Cu 中添加少量的合金元素，目的是改善 Cu 对金刚石的润湿，即降低接触角和提高 Cu 合金对金刚石的粘结强度，以此来达到工具中金刚石不过早脱落，提高金刚石工具使用性能的目的。所以通常采用其它合金元素与 Cu 一起作为金刚石工具的胎体材料。根据合金元素种类的不同，Cu 基胎体可分为以下几类:

1) 青铜基胎体

青铜基胎体是在 Cu 中加入强化元素 Sn 或再加入其它元素，青铜基胎体在金刚石工具中应用比较普遍。青铜粉的可烧结性和成形性很好，熔点低、烧结温度也低。以下是几种常见的青铜基胎体:锡青铜，是制造金刚石工具的主要结合剂，以锡青铜为结合剂制造的超硬磨具，强度、硬度高，又有较高的脆性; 锡青铜收缩率小，易产生分散性缩孔，适合制造形状复杂且要求有一定气孔率的磨具; 锡青铜导热性较好，有利于磨具磨削时降低磨削温度和防止工件表面烧伤［2］。6-6-3 青铜合金，烧结温度低，可烧结性和成形性均很好，综合力学性能较好，多用于地质钻头、锯片刀头的胎体，是普遍应用的金属胎体。Cu-Sn-Ti 合金，是很好的金刚石磨具胎体。对金刚石具有出色的润湿性，几乎完全润湿; 烧结后的合金，脆而不粘，对金刚石有足够的固结力和粘结力。Cu-Sn-Ni 合金，是用 Ni 取代 Ti，合金力学性能有大幅度提高，但液态合金对金刚石的润湿性比Cu-Sn-Ti 合金相差很大; 由于 Ni 能强化胎体，合金的液、固相线都有稍许提高，抑制了高温下的烧结流失。Cu-Sn-Ni 合金用作粗磨、精磨砂轮效果尚好［3］。

2) 白铜基胎体

白铜基胎体指 Cu-Ni 基合金，用的比较多的是锰白铜和锌白铜。锰白铜指 Cu-Ni-Mn 合金，锌白铜指 Cu-Ni-Zn 合金。白铜的力学性能高于青铜基合金，熔点也比青铜合金高; 有较高的强度和韧性，常用在有冲击重载荷的工具上，如石油钻头和地质钻头［3］。有时为了特殊的需求，也常在 Cu 基胎体金刚石工具中加入 Fe、Cr、Ti 等其他改性元素，以提高工具的性能。如陈芃等［4］指出在 6-6-3 青铜胎体中加入含量比为 3∶ 1 的 Fe-Ni 合金元素时，胎体强度提高 24%，对金刚石的把持力提高了 50. 2%。SunLan 等人［5］使用 SiC 晶须对 Cu-Fe 基胎体进行强化也收到了较好效果，加入 1. 5% ( 体积分数) 的 SiC晶须可以使金刚石锯片的使用寿命提高 30%。孙毓超［6］指出，Cu 基胎体合金中 Cr 含量在 0. 10%( 原子分数) 时，胎体对金刚石的粘结强度最高达到350MPa; Ti 含量在 0. 07% ( 原子分数) 时，粘结强度出现峰值，达到 400 MPa 以上。Luciano 等［7］还在金刚石工具中加入微量非金属元素，如在 Cu 基胎体中加入适量的 P 和 Si 均能降低 Cu 合金的熔点，使 Cu 合金能在较低温度下浸润金刚石。

2 金刚石表面金属化在 Cu 基金刚石工具中的应用

由于金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面能，致使金刚石不能为一般合金所浸润。试验表明，在对金刚石呈惰性的金属 Cu 中加入少量强碳化物形成元素( Ti、Cr 等) 可以改变金刚石的表面状态，从而大大改善溶液对金刚石表面的浸润性。林增栋［8］通过研究得出，在 Cu 合金中添加强碳化物形成元素，在适当的温度下发生液-固两相界面反应，在金刚石和合金溶液间生成碳化物界面，使 Cu合金对金刚石的浸润转化为 Cu 合金对碳化物界面的浸润，从而提高了金刚石与合金之间的粘结力。例如，在 Cu 中加入碳化物形成元素 Ti，会发生界面反应从而实现对金刚石颗粒的浸润和粘结［9］。试验测定得出，在与金刚石表面浸润角为 145°的 Cu溶液中加入 10% Ti，则 Cu-10Ti 合金对金刚石的浸润性能大大改善，浸润角降至 30°以下; 加 Sn 于 Cu-Ti 合金中，能进一步改善合金对金刚石的浸润性，并测得 Cu-10Sn-20Ti 合金与金刚石的浸润角几乎趋于 0°，这种合金材料对金刚石的焊接结合力可达100 MPa 以上，增强了金属基体对金刚石的粘结力，提高了金刚石工具的性能水平。林增栋［10］用 Cu-Sn-Ti、Cu-Cr 合金粉与金刚石颗粒烧结制备的金刚石砂轮中金刚石颗粒出刃非常突出，高达金刚石颗粒的 2/3，并被牢固钎焊住。金刚石出刃锋利度、寿命均大大提高。

3 预合金化技术在 Cu 基金刚石工具中的的应用

自从 Umicroe 在 20 世纪 90 年代首先提出预合金粉概念以来，预合金粉在金刚石工具制造业及粉末冶金业的应用越来越广泛。目前，大多数金刚石锯片、磨轮、取芯钻头及其它天然石材和建材加工工具的制造商在产品制造过程中，除了纯 Co 外，均使用相当比例的预合金粉。预合金粉末由于每个粉末颗粒都包含组成合金的各种金属元素，因此预合金粉成分均匀性相当好。同时，预合金粉共熔点比合金中单元素的熔点要低得多，烧结过程中，只要温度达到预合金粉末的液相线以上，整个粘结金属成分的粉末熔化［11］。因此，使用预合金粉末有以下显著特点:1) 预合金粉刀头比机械混合粉刀头的元素分布均匀，从根本上避免了成分偏析;2) 预合金粉合金化充分，组织均匀，大大提高了烧结制品的抗压、抗弯强度，易于满足金刚石制品的胎体性能要求;3) 由于预合金化大大降低了烧结过程中金属原子扩散所需的激活能，降低了烧结温度，缩短了烧结时间，有利于避免金刚石高温损伤;4) 预合金粉抗氧化能力强，烧结性能好;5) 预合金粉胎体具有高硬度和高冲击强度;6) 预合金粉可提高对金刚石的把持力，提高金刚石工具的锋利度，延长工具的使用寿命。张绍和等［12］用预合金 Cu 制备金刚石钻头，在华东某单位用在钻进流纹岩中，钻头平均寿命为60. 7m，平均时效为 2. 6m / h; 而非预合金胎体制备的钻头平均寿命为 30. 5m，平均时效为 1. 8m/h，预合金胎体钻头比非预合金胎体钻头的寿命提高了99% ，平均时效提高了 45% ; 在成都某水电院钻进砂卵石层的使用试验中，使用非预合金粉末胎体钻头钻进的平均寿命为 25m，平均时效为 1. 6m/h; 而使用预合金粉末胎体钻头，其平均寿命为 50m，平均时效为 2. 3m/h，分别提高了 100%和 43. 8%。向波等［13］采用共沉淀还原法制备 Cu 基预合金粉，所制得的胎体材料晶粒细小、分布均匀，纯胎体的相对密度达到 98. 24%，抗弯强度达到 1 014. 63～ 1 127. 45MPa，硬度达到 97. 7 ～ 100. 4HRB; 而相同条件下用传统机械混合法制备的纯胎体的相对密度为 93% ～ 95%，抗弯强度为 810 ～ 920MPa，硬度为 70 ～ 80HRB。由此可见采用共沉淀法制备的预合金粉的性能也是远远高于机械混合法的。

4 稀土元素在 Cu 基金刚石工具中的应用

稀土元素对胎体的强化研究始于上世纪 80 年代，它对材料的性能有许多特殊的影响。已经证明［14 －17］，稀土元素具有细化晶粒、净化材料表面和界面、吸附有害杂质 O、S、P 等并与之反应生成相应的化合物等作用，能够显著提高材料的综合性能，因而稀土元素在材料的科学研究和制备过程中获得了广泛的应用。吴玉会等［18］将稀土元素 La 与金属 Ni 制备成预合金粉，加入 Cu 基金刚石工具胎体。当 La-Ni 预合金含量达到 1. 5% 时，胎体硬度达到最高值92. 0HRB; 添加 La-Ni 为 1. 0% 时，纯胎体材料的抗弯强度达到最大值640 MPa，远远高于未加 La-Ni 合金粉时纯胎体材料的抗弯强度( 514MPa) ; 金刚石/金属基复合材料的抗弯强度达到最大值 570MPa，比不添加稀土的试样的抗弯强度值提高了 32%。宋月清等［19］把 La-5Ni 合金粉加入 6-6-3 青铜基胎体中，发现: 在 Cu 基胎体中添加 La-5Ni 合金粉末，可显著提高胎体的综合力学性能，特别是胎体的抗弯强度提高幅度很大，当 La 含量达 0. 75% 时，纯胎体的抗弯强度从 512MPa 提高到 823MPa，提高了60% ; 含金刚石胎体的抗弯强度从 480MPa 提高到671MPa，提高了 37% ; 磨损后金刚石在胎体中的出露高度由 95μm 增加到 120μm，提高了 26%; 胎体对金刚石的粘结包镶能力提高。卢安军等［20］在 Cu 基金刚石锯片中加入稀土Y，不仅有效提高了胎体的硬度，而且增强了胎体对金刚石的包镶能力，实现胎体与金刚石在切割过程中的匹配磨损，提高锯片的切削性能。在保证锋利度基本不变的情况下，含 Y 锯片的寿命甚至比 Co基锯片的寿命提高了 17%，具有取代 Co 基金刚石锯片的应用潜力。李长龙等［21］在切玻璃用锯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刚石的出刃高度，增加刀头的脆性，使金刚石的出刃更加容易，而且还不会降低金刚石的利用率。用含稀土氧化物的锯片对玻璃酒瓶做切割试验，相比国内其它厂家的锯片，切割效率提高了 38. 75%; 相比切割速度较快的台湾某厂家的锯片，切割效率提高了 21. 60%。

5 结束语

金刚石工具的应用日益广泛，对其应用指标和性能要求也越来越高。尽管 Cu 基金刚石工具锋利、烧结温度低、成形性能好，但它在对金刚石把持力低、寿命短这一点上还有待进一步研究，因此在强化胎体材料的基础上研究高性能的预合金粉，并添加适量的稀土元素，使金刚石与胎体由机械镶嵌变为化学冶金结合，提高 Cu 基金刚石工具的综合性能，将成为以后的研究方向。