鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖
　　河南華晶超硬材料有限公司 呂華偉 馬濤 田麗
　　
　　1．引言
　　
　　金剛石工具絕大多數采用粉末冶金工藝制造。國外優質金剛石工具大多采用超細鈷粉作為金剛石顆粒的粘結劑（胎體）。在上世紀90年代中期，國外首次提出了金剛石工具中使用超細預合金粉末的新概念，并于1998年預合金粉末作為鈷基胎體的替代品真正應用在金剛石工具中。預合金粉末是由多于一種金屬元素，經過濕法冶金工藝制成的成分均勻的合金粉。粉末粒徑小于10μm，屬超細粉末。微小固體顆粒構成的集合體屬于微觀粒子與宏觀物體之間的過渡區域，具有一系列特殊的物理化學性能。
　　
　　目前，世界上大多數金剛石鋸片、取芯巖鉆頭和其他金剛石工具生產商除了用純鈷粉以外，都已經開始應用相當比例的預合金粉末。在最近幾年中，預合金粉末應用一直在增長，2001年約占用于金剛石工具工業中的鈷粉消耗量的15%。發展趨勢表明，超細預合金粉末會越來越廣泛地應用于金剛石工具行業。
　　
　　由于金剛石都是細小顆粒狀，一般都要使用胎體材料將其制成一定的形狀且具有一定機械力學性能的制品后才能得以使用。在制品中，作為最基本組分的金剛石是切削元件，但胎體是不可缺的組成部分，其對金剛石能否充分、有效地發揮作用起決定性的作用。
　　
　　2.金屬胎體五大特性與分析
　　
　　2.1．與被加工材料耐磨匹配性。胎體的耐磨性過高，金剛石顆粒不易外露，加工效率低下甚至不能加工；反之，胎體耐磨性過低，工具的使用壽命下降。這一特性是加工材料特性與被加工材料特性、磨損狀態、磨損參數等的復雜綜合函數；
　　2.2．胎體對金剛石的把持力。指金剛石與胎體的冶金結合力和胎體對金剛石的機械包鑲力。機械包鑲力浮源于冷卻收縮胎體的壓應力和冷卻有增容相變胎體的壓應力。這一包鑲力與胎體的彈性模量有關，提高胎體的彈性模量，有利于增強胎體對金剛石的機械包鑲力；
　　2.3．胎體的低溫燒結特性。低的燒結溫度對減輕金剛石的熱損失和節電、降低模具的損耗大大有利；
　　2.4．胎體粉末的工藝性。胎體粉用于冷壓成形時，加入少量粘結劑后應有良好的壓制性（包括壓縮性和成形性），此外，胎體粉兼作過渡層用粉，應有良好的可焊性；
　　2.5．胎體粉末價格便宜，制備胎體粉末，不污染或少污染環境是極其重要的，水霧法生產胎體粉末正是具有這一優勢。
　　
　　作為胎體，其功能主要有兩個：一是“包鑲”切削元件，二是與切削元件（金剛石）“匹配”磨損。制品質量在很大程度上取決于其胎體的性能，而胎體的性能主要取決于胎體材料。常見的胎體材料有樹脂、金屬和陶瓷三種，其中金屬胎體以良好的機械性能而得到廣泛的應用。金屬胎體的金剛石制品約占金剛石制品總量的80%。
　　
　　金屬胎體金剛石制品是采用粉末冶金方法，將金剛石顆粒與金屬粉末混合經壓制燒結而制得。由于金剛石存在：一、熱穩定性差；二、金剛石與金屬之間存在很高的界面能，金屬對金剛石的潤濕性差，金剛石與金屬之間很難形成化學冶金結合，導致很難獲得高的金剛石與金屬界面的結合強度；三、金剛石與金屬胎體的耐磨性很難匹配。這給金屬胎體材料的設計和選擇帶來困難。
　　
　　國內外對金屬胎體的研究很多，概括起來大致可分為：一，金剛石與金屬胎體的結合機理的有關研究；二，金屬胎體體系的研究；三，金屬胎體材料制備方法的研究；四，金屬胎體的性能表征及評價體系的研究。
　　
　　3．胎體結合機理的研究
　　
　　結合劑對金剛石的把持力不外乎有三種：機械鑲嵌力、物理吸附力和化學結合力。在這三種力中，物理吸附力很小，可以忽略不計；機械鑲嵌力的大小取決于胎體的燒結合金化程度、孔隙率及胎體的強度和硬度；化學結合力最強，但前提是金屬胎體與金剛石界面成化學冶金結合狀態。
　　
　　提高胎體對金剛石的把持力的關鍵在于改善胎體與金剛石的界面結合狀態，使胎體和金剛石之間形成強力鍵結合。改善界面結合狀態的措施概括起來主要有添加強碳化物形成元素和金剛石表面金屬化。金剛石表面金屬化就是采用物理氣相沉積、化學氣相沉積、甚至是化學鍍、電鍍的方法，預先在金剛石表面形成一層金屬膜或碳化物膜，然后與胎體材料混合來制作制品。
　　
　　目前金剛石表面金屬化方法還存在一些難點有待解決；表面金屬化過程中如何盡量降低金剛石強度損失；如何防止表面金屬化后形成的過渡層在制品制作過程中出現裂紋甚至分層現象。
　　
　　4．金屬胎體體系的研究
　　
　　金屬胎體包括粘結劑、添加劑及微量活性元素，其中粘結劑主要是指Cu、Sn、Zn等熔點低、硬度低的金屬。添加劑通常是指胎體中硬度高、熔點高的添加成分。它可以提高胎體的強度、硬度、耐磨性以及調節胎體的韌性。微量活性元素主要是改善金剛石與胎體界面的結合狀態，進而提高兩者的界面結合強度。
　　
　　直到現在常用的胎體體系有青銅基、鈷基、鐵基和WC-Co基。青銅基有較低的液相溫度，能在較低溫度下實現液相燒結，能較好地保護金剛石，降低金剛石的熱損失。主要用作金剛石砂輪、大理石鋸片。
　　
　　鈷基是目前高品質金剛石制品中應用最多的體系。鈷是所有金屬元素中對金剛石潤濕性相對較好的元素，而且有高于其它金屬所沒有的低溫粘卻特性，在比其熔點低得多的溫度下，高鈷基體就可獲得很好的合金化程度，使其對金剛石形成很高的機械鑲嵌力，同時鈷對金剛石的侵蝕作用小，能夠有效地保護金剛石。由于鈷的價格昂貴且資源匱乏，嚴重妨礙其大量推廣應用，目前主要限于高檔金剛石制品中使用。因此，許多研究者積極研究在胎體中取代鈷元素。
　　
　　由于鈷對金剛石具有優良的包鑲性能，所以在傳統的金剛石鋸片制造業中鈷一直作為刀頭胎體的重要材料。根據金剛石鋸片的不同用途，即鋸切不同的材料，胎體中還加入其它金屬來調適其硬度，或者說調適其磨耗性能。例如，切割大理石和石灰巖的金剛石鋸片，在刀頭的胎體中往往加入高比率的青銅；而鋸切花崗石等較硬石材的金剛石鋸片，在刀頭胎體中則加入低量青銅。有時為了提高金剛石鋸片的使用壽命，則在刀頭胎體中加大鈷的含量，其作用是提高胎體的硬度。
　　 眾所周知，葡萄牙是世界上笫九大裝飾石材生產國，也是歐洲笫三大石材生產國，僅次于意大利和西班牙，擁有豐富的石材資源，花崗石、大理石、石灰巖等品種繁多。為了降低石材生產成本，推廣使用了低鈷含量的胎體材料，所使用的低鈷含量材料為Co-Cu-Fe，可以降低金剛石鋸片鋸切時的切削力，而且胎體有較好的硬度和屈服強度，鋸切花崗石和石英巖等堅硬石材有較好的效果。
　　
　　德國Dr.Fritsch公司從事金剛石鋸片和刀頭生產設備制造的著名廠家，為了滿足國際上對無鈷或低鈷含量胎體材料之需求，于2005年初研制出新型胎體材料，用于制造鋸切花崗石鋸片，獲得了良好的效果。在新型胎體材料中，加入了青銅，由于其含錫比率很小，所以具有可延展性，從而增加了胎體的韌性。這對于制造大直徑金剛石鋸片的刀頭具有重要意義。
　　
　　鐵與鈷同處VIII副族，許多性能和鈷相近，鐵資源豐富且價格便宜，是十分經濟的胎體體系。因此，鐵基胎體是近年來胎體研究的熱點。經研究鐵基胎體已經在低品質金剛石制品中得到了應用[4~6]，尤其在我國石材切割用金剛石工具中大量使用，取得了較好的經濟效益。
　　
　　
　　注:標*者為引用文獻數據，其余為安泰科技股份有限公司測定的數據
　　
　　從表1可見，國外A，B粉末粒徑較小，松比低，氧含量較高，C粉末與本文制備的04、05、06粉末粒徑，松比，氧含量相當。水霧化的最大優點是粉末的合金化程度高、成分均勻、產能大、成本低。
　　
　　
　　
　　從表中可見，04、05、06粉末的硬度HRB正好形成從109到97的三個階梯。對切割鋼筋混凝土和花崗石以及砂巖的刀頭，有很好的適應性。必要時適量添加硬質或軟質相的其他粉末，即可制備出既有高的加工鋒利度又有長壽命的工具。
　　
　　近年來，高溫釬焊技術引入到金剛石制品業，時間雖然不長，但已顯示出了大幅度提高金剛石制品性能的可行性。釬焊與傳統方法（電鍍，燒結）相比，可把金剛石的最大允許出刃高度從0.3D提高到0.7D，這表明大幅度提高了胎體對金剛石的把持力。釬焊的作用是把金剛石(母材)加胎體材料（母材）與釬料（也屬胎體材料）焊接在一起，達到冶金化學結合的目的。對金剛石來說，要實現良好包鑲的先決條件，也是技術的關鍵點是粘結料成液相，并能很好地潤濕金剛石。而目前的釬焊材料（也可稱胎體材料）不是不能很好地潤濕金剛石，就是液相溫度太高，要想得到推廣應用還有必要進行深入研究，開發適合金剛石特性的釬焊材料。
　　
　　5.稀土在金屬胎體中
　　
　　將稀土在硬質合金中的應用經驗移植到金剛石工具(胎體)材料中，同時將金剛石工具(胎體)材料配方中的Co基全部用Fe基代替，成功地制出了稀土Fe基金剛石工具材料，經對其實際使用性能的測試，其抗彎強度、硬度、沖擊韌性均有較大幅度提高，孔隙率則有了明顯降低。以下引用幾組數據以佐證。
　　
　　
　　
　　由表4 中數據可知，加稀土的35%Fe基胎體材料杭彎強度比未添加稀土同類胎體材料的抗彎強度均值至少提高了10%(比較組號13和14)，最高則提高62%(比較組號13和17)，硬度也有一定的提高。比較組號17和18可知，加稀土的35%Fe基胎體抗彎強度和硬度已接近不加稀土的35%Co基胎體的抗彎強度和硬度。
　　
　　
　　
　　由表5可見，鍍膜金剛石材料比未鍍膜金剛石材料的抗彎強度普遍要高一些，這主要是由于鍍膜金屬層與胎體材料之間已部分形成了冶金包鑲，而未鍍膜金剛石與胎體材料之間完全是一種機械包鑲所致。
　　
　　由表5還可見，加稀土金剛石材料比未加稀土金剛石材料的抗彎強度提高了10%以上，硬度也略有提高。并且加稀土Fe基金剛石材料性能已十分接近，甚至超過了同類Co基(未加稀土)金剛石材料的性能。
　　
　　6．金屬胎體材料制備方法的研究
　　
　　到上世紀80年代一些研究者提出采用預合金方法制品胎體材料，預合金粉是由多于一種金屬元素，經過濕法冶金等方法制成十分均勻的合金粉，它具有：易于調節胎體性能，能降低燒結溫度，提高致密性和均勻化，改善金剛石胎體的磨損狀態，提高胎體對金剛石包鑲能力，并且抗沖擊性能好，能夠防止低熔點金屬的燒損或偏析，粉末不易氧化，適于大批量自動化生產，簡化制造工藝，能取得較好的經濟效益，因此，預合金粉很快就在金屬胎體中得到推廣應用。這一時期的預合金粉主要采用霧化法生產。霧化法生產的預合金粉末合金化程度高，流動性好，能有效調整胎體耐磨性，且生產效率高，成本亦較電解等生產方式低。
　　
　　到上個世紀90年代中期，國外首次提出了金剛石制品中使用超細預合金粉末新概念，并于1998年預合金粉作為鈷基胎體的替代品真正應用在金剛石工具中。超細預合金粉粒徑小于10μm，這些細小顆粒構成的集合體屬于微觀粒子與宏觀物體之間的過渡區域，具有一系列特殊的物理和化學性能。超細預合金粉末具有優良的燒結性能，是現在普遍采用的元素混合粉末甚至霧化預合金粉末所不具備的，在較低的燒結溫度就可以達到很高的致密度和燒結硬度。超細預合金生產方法通常有共沉淀法和金屬蒸氣合成法。
　　
　　采用預合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結劑，具有以下優點：
　　
　　（1）.能根鋸工作對象的性能選用不同的粘結劑，提高工具的使用的針對性；
　　（2）.采用預合金粉末制造的金剛石工具，提高了胎體的致密性和均勻性，從而改善胎體的磨損狀態；
　?。?）.采用預合金粉末制造的金剛石工具，可以提高胎體對其包鑲的能力，并且抗沖擊性能較好；
　?。?）.預合金粉末不易氧化，保存方便，并能簡化工具的制造工藝，取得較好的經濟效益。
　　
　　預合金粉末在胎體中充當粘結劑的作用，在設計預合金粉末的合金成分時，應考慮以下幾點：
　　
　?。?）.燒結溫度的高低主要取決于粘結金屬熔點的高低，為了避免高溫對金剛石造成的熱損傷，成分應該選擇低熔點金屬；
　　（2）.預合金粘結劑在一定燒結溫度下，能剛好潤濕胎體中骨架成分和金剛石，而在外壓力作用下又能產生流動；
　?。?）.在燒結過程中，預合金粘結劑與骨架成分若產生反應，則只能對胎體機械性能有利，只能對降低燒結溫度有利，而不允許形成性能低劣的合金，且使液相消失不能全面潤濕骨架成分和金剛石，同時也不能對金剛石造成損傷；
　?。?）.燒結后的冷卻過程，只能對胎體機械性能有利，以保證金剛石工具質量不受影響；
　?。?）.在正常工作溫度下，預合金粘結金屬應保證粘結物質層能承受胎體中硬質顆粒（骨架成分和金剛石）傳給它的應力而不產生變形或位移。
　　
　　7．胎體評價體系
　　
　　金剛石制品對胎體性能的核心要求有兩點：一是胎體能牢固地把持金剛石，在使用過程中不會過早脫落；二是在使用過程中胎體磨損和金剛石的磨損相匹配，既保持制品應有鋒利度，同時使制品的設計性能得到保證。目前金屬胎體的性能表征都還是采用抗彎強度、硬度和沖擊韌性等指標。而這些指標不能反映胎體對金剛石的把持力以及兩者磨損的匹配性，更不能和金剛石制品的最終使用性能建立直接對應關系。
　　
　　因此，研究者們在積極探討力學性能和胎體的應用性能的關系。胎體的磨損主要是巖粉與胎體的相互研磨作用，而在實際鋸切過程中，都是在高溫條件下巖粉同胎體的研磨，因此胎體高溫性能的好壞，與胎體的耐磨性能密切相關，胎體的高溫強度越高，胎體的高溫耐磨性能越好，相應胎體耐磨性也越好。由此可知，可用胎體的高溫軟化點表示胎體的耐磨性好壞。
　　
　　時至今天，金粉胎體性能的表征仍是國際性難點和熱點，性能表征方式沒有落實，就無法建立胎體性能評價體系，這是目前乃至今后幾年金剛石制品領域中的研究重點。
　　
　　8．胎體研究中的不足
　　
　　通過對金屬胎體國內外研究現狀的分析可知，從金剛石與金屬胎體結合機理到胎體性能表征都還存在明顯不足，具體表現是：
　　
　　8．1金剛石與金屬胎體的結合機理研究不夠深入，兩者之間的界面反應及過渡層形成機理不明了，所需條件不明確；
　　8．2金屬胎體材料的設計缺少理論計算，添加成分，活性元素以及表面金屬化元素的選擇缺乏理論依據，沒明確是哪些因素導致金剛石表面金屬化效果的差異；
　　8．3缺少對預合金化方法，粉末預處理以及使用工藝要求的研究，導致預合金粉末的優勢沒有完全發揮；
　　8．4沒有找到準確而又直接的胎體使用性能的表征方法，也沒有建立科學的性能評價體系。大量研究表明，胎體強度、硬度、沖擊韌性、耐磨性等機械力學性能指標只能作為胎體使用性能的輔助表征方法。
　　8．5迄今，鈷基胎體仍是綜合性能最優的胎體體系，還沒有找到完全替代材料，導致高品質的金剛石制品成本仍然居高不下。通過大量研究可以看出，單元素替代鈷的難度十分大，但采用多元合金粉末替代鈷的可能性很大。