摘要　金屬基金剛石工具結合劑中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結合劑與金剛石的界面結合狀態。本研究通過在不同類別金剛石節塊中添加或不添加稀土元素，觀察其力學性能的變化，并進行比較分析，探討稀土元素對不同類別金剛石節塊力學性能的影響機制。實驗結果表明稀土元素對不同類別金剛石節塊抗彎強度的影響較為顯著，同時，在銅基中加入稀土元素，可以加強金剛石與周圍胎體的結合狀況，提高胎體對金剛石的把持力。研究成果將有利于促進和推廣稀土在金剛石工具制造領域中的應用。

       關鍵詞　　稀土；金剛石節塊；力學性能

　　金剛石由于其極高的硬度被廣泛應用于地質勘探和脆硬材料的切割、磨削及拋光等領域。金屬結合劑金剛石工具在石材、混凝土切割中有著廣泛的應用。金屬結合劑金剛石工具包括磨粒及金屬胎體兩部分，金屬胎體用來固結金剛石磨粒，并使之有適當的出刃。實際加工中，要求金剛石工具胎體既要能牢固把持金剛石又要與其“匹配”磨損。而胎體的性能主要取決于胎體材料的成分及其微觀結構^[1]。因此不少學者都致力于改進胎體的性能，添加少量稀土元素就是其中一種依法。在金屬結合劑中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結合劑與金剛石的界面結合狀態。孫毓超研究發現，在銅基胎體中加入稀土元素La、Ce可以提高金剛石和胎體的結合力、胎體的機械性能、金剛石的出刃高度以及改善金剛石工具的自銳性等作用，且對工具的耐磨性影響不大^[2]。宋月清等學者在研究稀土元素鑭對金剛石工具胎體作用的影響機理過程中發現添加稀土LaNi₅合金粉末，可顯著提高胎體的抗彎強度和金剛石出刃高度。當La含量達0.75%（質量分數）時，金剛石胎體的抗彎強度提高39.8%，磨損后金剛石在胎體中的出露高度提高30%^[3]。吳貽琨等學者在鐵基胎體中加入0.8%（質量分數）的La 和Nd，金剛石切塊的抗彎強度和沖擊韌性分別提高了19.7%和23%^[4]。

　　從上述研究成果中可見，金屬結合劑的種類不同以及稀土元素的加入形式不同，其效果有明顯的差別。本文將通過在不同類別金剛石節塊中添加或不添加稀土元素，觀察其力學性能的變化，并進行比較分析，探討稀土元素對不同類別金剛石節塊力學性能的影響機制，以促進和推廣稀土在金剛石工具制造領域中的應用。

       1         實驗方法

       1.1       實驗材料及其制備

　　實驗所用的節塊是在SJJ-H型自動熱壓機上壓制燒結而成的，尺寸均為55mm×10mm×10mm，金剛石濃度為35%，燒結壓力均為80KN，燒結時間為3.5min，保溫時間為2.5min。節塊的金屬胎體主要由銅、錫、鎳、鐵、稀土等金屬粉末組成，通過調整各組分的含量，結合不同粒度的金剛石磨料來配制實驗所需的金剛石節塊。金屬胎體的配方及燒結工藝如表1所示。

       1.2      節塊性能分析

　　試樣制出后，將其毛刺去除干凈，上下兩個面打磨光整后，使用數顯洛氏硬度計（HRS-150）在每一個試樣上測量不同位置的硬度，每個試樣測量四次，取每一個試樣的平均硬度值，最后求得每一種節塊的平均洛氏硬度值。在萬能材料實驗機Instron5569上做三點抗彎試驗，測量節塊的抗彎強度。實驗最大載荷為50kN，室溫為23℃，試樣跨距為35mm。

       1.3      斷面特征分析

　　采用S-3500N型掃描電子顯微鏡，7021型X射線能譜儀，觀察不同各類節塊橫斷面的顯微組織及表面形貌，并對個別微分區域進行能譜分析，統計節塊彎曲斷裂后，橫斷面中完整、破碎和脫落金剛石的數目，根據實驗結果分析研究結合劑成分對節塊力學性能的影響。

       2         實驗結果分析

       2.1      抗彎強度分析

　　選取代號為1、2、3、4、6、7的金剛石節塊作為數據分析對象，分別對應3類不同結合劑及分別加入稀土元素后的結合劑。抗彎強度和硬度值數據見表2。

　　從圖1和圖2分析可知，在同等實驗條件下，對含有TiH2的銅基節塊（1號和2號）添加稀土元素后，抗彎強度從381.02Mpa 增加至392.40Mpa，硬度值從74.125HRB增加78.475HRB，節塊抗彎強度和硬度值均得到一定程度的提升。在3號、4號、6號、7號四種鐵基節塊中，添加稀土元素反而降低了節塊的抗彎強度，但對他們硬度值的影響甚微。不難發現，稀土元素對不同類別金剛石節塊力學性能存在一定影響，尤其是對抗彎強度的影響較為顯著，但其主要力學性能還是由結合劑本身的成份所決定。

       2.2      節塊斷口形貌分析

　　胎體材料對金剛石的黏結（把持力）能力直接影響鋸片的切割速度和使用壽命。研究認為，由于胎體和金剛石間的結合強度往往低于胎體材料間的結合強度，所以金剛石和胎體間的界面往往成為斷裂源[5]。圖3為鐵基節塊斷口完整金剛石形貌，可見，6號節塊的金剛石與胎體結合緊密，而7號節塊的金剛石與周圍所接觸胎體之間存在明顯縫隙。

       圖4為銅基中1、2號節塊斷口金剛石形貌。比較兩圖可以看出2號節塊金剛石與邊界胎體結合比1號節塊緊密。

　　綜上所述可知，在銅基中加入稀土元素，可以加強金剛石與周圍胎體的結合狀況，提高胎體對金剛石的把持力，而在鐵基中加入稀土元素則作用相反。

        2.3      稀土元素分布情況

　　為了解稀土元素在胎體組織內及胎體與金剛石界面的分布特征，對金屬本與金剛石結合面及其周圍區域進行了能譜分析。結果表明，在全部含有稀土元素節塊的斷口的金剛石胎落坑以及金剛石與胎體接觸界面中，均未發現有稀土元素的聚焦，也未發現有新的化合物發生。稀土質點大多彌散分布于胎體組織中。圖5為含有稀土元素的5號節塊金剛石界面能譜分析情況。

　　分析圖5可大致驗證，金剛石節塊中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，改善金剛石結合劑與金剛石的界面結合狀態，提高其抗彎強度。

       3         結論

　　在不同胎體組織中，稀土對金剛石節塊力學性能的影響力不同。在含有TiH2銅基節塊中添加稀土元素，有助于改善節塊胎體組織的致密度與韌性，可以提高節塊的抗彎強度，在鐵基節塊中稀土作用則相反。另外稀土元素有助于加強銅基胎體材料對金剛石的把持力，使得在抗折實驗后，斷面破碎金剛石百分比增加。而鐵基胎體材料則相反，會導致其對金剛石的把持力變弱，降低節塊斷面破碎金剛石的百分比。稀土添加劑不會在節塊斷面的脫落坑、金剛石與胎體接觸界面聚焦，也不會與其它元素生成新的化合物，稀土質點大多彌散分布于胎體組織中。

參考文獻：

[1]　司衛征，袁慧，張鳳林，等.金屬基金剛石工具結合劑中添加合金元素的研究進展[Ｄ].上海：中科院上海冶金研究所材料物理與化學（專業）博士論文，2000.

[2]　孫毓超，宋月清.稀土在金剛石工具中應用研究的新進展[J].金剛石與磨料磨具工程，2003（2）：41－44.

[3]　宋月清，夏志華，甘長炎，等.稀土元素鑭在金剛石工具胎體中的作用影響機理研究[Ｊ].稀有金屬，1998（1）：39－42.

[4]　吳貽琨.稀土元素強化金剛石工具材料性能的研究[Ｊ].粉末冶金技術，1999（4）：253－256.

[5]　李長龍，李國彬，吳玉會.稀土對切玻璃金剛石鋸片切削性能的影響[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2003（6）：48－50. 

作者簡介

鐵曉銳，女，1982年生，碩士研究生在讀。研究方向：脆性材料加工。