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　　1 前言
　　
　　烧结金属结合剂金刚石制品中常用元素主要有：Fe、Ni、Cu、Mn、Sn、Zn、Al、Co、Cr、W、Ti、Ce、La、Si等。
　　在烧结过程中，胎体中的合金元素通过扩散进行合金化，形成固熔体和化合物，其中包括间隙相、间隙化合物和中间化合物。由此使金属和金刚石之间产生适当的粘结，粘结强度取决与金属和合金高温下与金刚石附着功大小和碳化物形成反应发生的多少。附着功和碳化物的生成量决定胎体合金对金刚石的粘结强度。除此之外，胎体的烧结压制密度也对金刚石在胎体中的固结强度起很大的作用，密度越大固结强度越大。
　　表1给出胎体中主要元素的性能参数。
　　表1胎体中主要元素的性能参数
　　元素 原子量 密度（g/cm3）熔点（℃）比电阻（µΩ/cm） 线胀系数（×10-6℃） 晶体结构
　　Fe 55.85 7.87 1535 9.71(20℃) 11.7 bcc
　　Cu 63.54 8.96 1083 1.673 16.6 fcc
　　Ni 58.69 8.90 1455 6.84 12.8 fcc
　　Co 58.93 8.90 1495 6.24 12.5 hcp
　　Mn 54.93 7.43 1245 18.5 23.0 金属型立方
　　Al 26.98 2.70 660.2 2.65 23.1 fcc
　　Sn 18.69 7.30 231.9 11.5 23.0 bcc
　　Zn 65.38 7.13 419.46 5.92 33.0 hcp
　　Pb 207.2 11.34 327.4 20.65 29.1 fcc
　　W 183.85 19.30 3300 5.5 4.3 bcc
　　Ti 47.9 4.567 1668 4.2 9.0 hcp bcc
　　Cr 52.01 7.19 1890 13.0 6.2 bcc
　　Si 28.09 2.33 1430 105 4.2 金刚石立方
　　La 139.92 6.16 920.55 αhcp βfcc
　　Ce 140.13 6.77 804 同上
　　B 10.82 2.34 2300 8.0 正方斜方晶
　　
　　2 常用元素作用概说
　　
　　2．1 Fe
　　(1)优点 铁是极廉价的元素，在金刚石工具中的用量日渐增多，铁用在金刚石工具中有如下优点：
　　1）价格低廉；
　　2）铁和金刚石有较好的润湿性，接触角为500，优于钴和镍；
　　3）液相时铁和金刚石的附着功为3.4×10-7（J/cm2），也优于钴和镍；
　　4）可以形成多种碳化物，如渗碳体型（Fe3C）和ε型碳化物（Fe2C），有硼参与可形成Fe23（CB）6和Fe3（CB），有W、Mo参与时，形成M6C型碳化物（Fe3W3）C和（Fe3Mo3）C；
　　5）与骨架材料相容性很好，液相时与WC的接触角接近于0，对TiC的接触角也很低；
　　6）Fe具有比Cu、Ni、Co低的线胀系数，其值为11.7×10-6/℃，更接近金刚石的线胀系数，对防止冷却裂纹的出现有一定的作用；
　　7）烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度，反而会提高金刚石在胎体中的把持力；
　　8）对于铁基合金的性能是否能接近或达到钴基合金的性能，近期工作和有关文献的报道表明，是完全可能的。
　　（2）铁在金刚石工具中有如下不足：
　　1）铁基胎体的变形性大于钴基胎体；
　　2）铁基胎体的耐磨性高于钴基胎体；
　　3）铁基胎体中的低熔点金属容易发生流失；
　　4）铁基胎体的工具不够锋利。
　　（3）为了正确地认识铁在金刚石工具中的作用，作如下几点说明：
　　高温下铁对金刚石的蚀刻率远比镍、钴都高，但是实验表明，1000℃以下烧结，金刚石只被轻度蚀刻，并不影响金刚石的强度；金刚石表面被蚀刻的碳并不以石墨形态分布在金刚石表面，而是扩散到金刚石表面的含铁金属膜中，按一定的规律分布。
　　使铁（钢）在高速状态下与金刚石对磨，金刚石会被严重磨蚀加工。利用这一特性，可以加工天然钻石。
　　铁基金刚石工具不锋利的原因是铁比钴耐磨，比钴变形大。
　　铁基结合剂工具烧结流失是由于铁与铜基合金中低熔点金属的溶解度过低造成的，适量加一些互溶性好的元素即可减少流失。
　　2．2 Cu
　　（2）铜在结合剂中有如下优点：
　　1）电解铜粉成型性好，广泛用于冷压成型后烧结，压坯不易脱落；
　　2）某些元素的微量加入可以使铜对碳材料从不润湿变成润湿；
　　3）纯铜对碳化物和骨架材料 相容性很好，如W 、WC等；
　　4）纯铜的耐磨性优于青铜，可烧结性好；
　　5）铜可与Sn、 Zn、 Mn 、Ni、Ti等制成性能优异的合金，例如Cu-Sn-Ti、Cu- Ni –Mn、Cu- Ni –Zn及6-6-3青铜等。
　　（1）铜的缺点如下：
　　1） 纯铜的变形性大，不宜制成高质量的工具，铜基合金会有某种程度上的改观；
　　2） 铜、铁间的互溶性不好，彼此溶解度很低，这将对铁基结合剂的应用和推广带来一定的麻烦；
　　3） 由于铜的强度低，对碳材料的润湿性差，所以对金刚石的把持力和粘结力都不高；
　　4） 铜与锡、钛在大气中的可烧结性不好，氧化严重，必须在真空或保护气氛下烧结，使工具成本增加。
　　2．3 Co
　　（1）优点
　　1）钴的抗弯强度高，钴也可提高铜基胎体和铁基胎体的抗弯强度；
　　2）钴具有易磨损性，或者说钴具有适度的磨损性能，使综合切割性能大幅度的提高；
　　3）钴对碳材料和骨架材料都具有较低的接触角和较大的附着功，略次于铁和镍，即和金刚石有较大的亲和力；
　　4）钴和镍相比，钴的存在有利于碳化钨（WC）的生成，钴、钨也可与金刚石生成M6C型碳化物；
　　5）钴和钴基胎体的变形性小（挠度小），提高切磨加工质量；
　　6）还原钴粉的可烧结性、成型性好，适于激光焊接片；
　　7）由于钴具有易磨损性能和小的变形性，纯钴和钴基工具更具有广谱性。
　　（2）不足 价格昂贵，松比太小必须制粒。
　　2．4 Ni
　　（1）优点
　　1）适于制作重载荷和冲击载荷作用下的工具，镍和镍基胎体具有一定的耐磨性和韧性；
　　2）镍和钴、铁适量搭配可以得到令人满意的综合性能，如小的变形性和适度的耐磨性，接近或达到钴基胎体的性能；
　　3）镍可以减少铁铜基含锡锌胎体的烧结流失；
　　4）镍可以改善Cu-Sn-Ti结合剂砂轮的磨削性能。
　　（2）不足 成本高、变形性大、锋利度差。
　　2．5 Sn
　　（1）优点
　　1）有力地改善可烧结性；
　　2）易形成金属间化合物，可以改善磨损性能和降低变形性（降低挠度）；
　　3）适于添加到冷压成型胎体中，靠液相在固体粉末中的虹吸现象产生的毛细管力使胎体收缩；
　　4）降低液态合金的表面张力，降低内界面张力，降低接触角；
　　5）改善铁基胎体的磨损性能和变形性，这是因为锡在铁基胎体中可以形成Fe3Sn和Fe70Sn15C15金属间化合物和复式碳化物。
　　（2）不足
　　1）加入量控制不当容易流失；
　　2）不利于激光焊接，工具非工作层必须单独设计（不含锡）；
　　3）与钛、铜一起组成的胎体，在大气中可烧结性极差，必须采用无氧或隔氧烧结。
　　2．6 Zn
　　（1）优点
　　1）降低铜合金熔点，有利于工具的烧结和浸渍；
　　2）易形成金属间化合物，可以改善变形性和磨损性能，例如铁可以生成Fe3Sn21、FeSn9、FeSn3等，其他元素也有类似的情况，如Cu- Zn、 Mn- Zn 、Ni- Zn、 Co- Zn适量的加入都有利于胎体性能的改善。
　　（2）不足
　　1）含量控制不当，烧结时易发生流失；
　　2）锌的蒸汽压高，烧结温度高时易发生汽化，对环境有害；
　　3）无化合态的锌高于900℃烧结会汽化，影响胎体合金质量。
　　2．7 Al
　　（1）优点
　　1）铝对碳材料的润湿性好，800℃时铝对金刚石的润湿角为750，附着功为110×10-7J/cm²。
　　2）铝在1227℃以上可以和碳反应生成Al4C3。
　　3）铝在含钛金刚石胎体中发生铝热反应，在金刚石表面有助于碳化物生成，如Ti3AlC；铝的氧化物生成自由能极低，远远低于钛，所以夺氧能力极强，确保钛的无氧化状态，和金刚石形成碳化钛。
　　4）铝基合金烧结温度低，节能，容易生成金属间化合物。
　　（2）不足
　　1）铝基胎体的强度低，机械包镶能力不高；
　　2）铝对金刚石的附着功也低；
　　3）铝和镍适当搭配对胎体有强化作用，可以生成镍、铝金属间化合物，如AlNi、AlNi3、Al3Ni2等。
　　2．8 Mn
　　（1）优点
　　1）有明显的脱氧作用，特别是与硅、铝同时存在时，脱氧能力急剧增强；
　　2）与铜的相容性很好，含锰35wt%合金熔点为868℃，凝固后为单一奥氏体相；
　　3）高温下与铁有很好的相容性；
　　4）高锰合金的耐磨性提高，适于重负荷、冲击负荷下工作的工具。
　　5）不足 粉料氧化无法还原；高温时，使金刚石严重石墨化。
　　2．9 Cr
　　（1）优点
　　1）极少量的铬就可以大大改善铜对金刚石的润湿；
　　2）提高胎体的抗弯强度，加入量在1wt%时，提高幅度最大；
　　3）在正常烧结温度下，铬可以和金刚石反应，生成Cr7C3、Cr3C2型碳化物；
　　4）能提高结合剂和金刚石的粘结强度；
　　5）由于铬的激活能较高，使钢铁有极好的消音作用，适于在锯片中加入，大量加入可以降低变形性。
　　（2）不足 价格高。
　　2．10 W
　　（1）优点
　　1）与铁、铜、钴、镍等都有较好的相容性；
　　2）钨在金刚石表面可以和金刚石发生碳化物生成反应，发生反应的热力学条件并不苛刻，750℃以上就有碳化物生成；
　　3）在金刚石表面生成的WC，用酸是煮不掉的，金刚石表面不发生石墨化；
　　4）增加胎体耐磨性，减少变形性。
　　(2)不足
　　1）烧结坯的空隙度大；
　　2）要达到设计的密度必须加大能耗，即提高温度和压力。
　　2．11 Ti
　　（1）优点
　　1）钛铝合金化的胎体合金的抗弯强度，含金刚石胎体高于不含金刚石的胎体，这是在以往的工作中没有发现过的；
　　2）降低接触角，改善胎体与金刚石的粘结强度；
　　3）适量加入提高胎体的耐磨性。
　　（2）不足
　　1）高含量时可烧结性变差，须真空或保护气氛下烧结；
　　2）与氧亲和力大，粉末氧化无法用氢气还原；
　　3）含量高时模具消耗大。
　　2．12 Si
　　（1）优点
　　1）与金刚石接近的膨胀系数，冷热变化时体积效应小，保证尺寸，防止裂纹；
　　2）与金刚石的结构相同，相容性好；
　　3）明显降低合金熔点，如Fe-Si共晶温度为1235℃，Cu-Si共晶温度为802℃；
　　4）在高温冷却发生相变时，呈负畸变特性即相变伴随着体积收缩；
　　5）有较强的脱氧能力；
　　6）不可替代的磁学性能。
　　（2）不足 脱碳倾向明显。
　　2．13 B
　　（1）优点
　　1）微量加入作用明显，提高钢铁的淬透性；
　　2）提高耐磨性、减小变形性，因为金属硼化物的硬度高，分布弥散；
　　3）应用时以Fe-B粉加入，实用而经济；
　　4）提高复合材料的界面结合强度，在金刚石聚晶中已有成功的应用。
　　（2）不足 纯硼粉价格高。
　　2．14 La、Ce稀土元素
　　（1）优点
　　1）降低胎体的耐磨性，有利于切割性能的改善；
　　2）提高胎体的抗弯强度，对铜基胎体、钴基胎体都有明显的作用；
　　3）降低合金熔点；
　　4）具有脱氧、脱硫、脱氮、脱氢的作用，并防止其偏析；
　　5）对降低液相合金同石墨的接触角有一定的作用；
　　6）净化界面，细化晶粒。
　　（2）不足
　　1）易氧化，保存困难；
　　2）使用时必须选择合适的载体，既防止氧化又方便加入。
　　3 结语
　　
　　本文对常用元素的评述只是粗浅的、定性的，详尽的、定量的描述尚需一定量的重复实验工作和更大的篇幅，目前还很难做到。