粉末冶金Cu基金刚石工具的研究现状及进展.pdf
第 3 O卷第 2期 2 01 2年 4月 粉 末冶 金技 术 Po wde r M e t al l u r gy Te c h nol og y V0 1 . 3 O.No . 2 Ap r i l . 2 01 2 圆 粉末 冶金 C u基金刚石工具 的 研究 现状及进展 王 闯 张效芬 ’ 王长福 王振常 贾成厂 } 1 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 1 0 0 0 8 3 2 北京华特科园超硬材料 公司, 北京 1 0 2 2 0 0 摘要 以金刚石颗 粒为磨料 , 与金属胎体混合 , 经烧结制 取的金刚石工具 , 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。本文阐述 了 c u基金刚石工具的研究现状 , 主要 包括 c u基胎体 的分类 、 预合 金化技术 、 金刚石表面金属 化技术 、 稀土元素在 c u基金刚石工具 中的应 用等。研 发新 的合金体 系与新技术 , 提高 c u 基 金刚石工具 的综合性能 , 是今后的研 究方 向。 关键词 金刚石工具 ; C u基 ; 预合金 ; 稀土 Cu r r e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n a nd de v e l o p m e n t o f Cu- b a s e d d i a mo n d t o o l s ma d e b y p o wde r me t a l l ur g y W a ng Ch ua ng” ,Zh a n g Xi a o f e n , W a n g Ch a n g f u , W a n g Zh e n c h a n g , J i a Ch e n g c h a n g 1 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g, B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a 2 B e i j i n g Hu a t e r K e y u a n S u p e r h a r d Ma t e r i a l L i mi t e d C o mp a n y , B e i j i n g 1 0 2 2 0 0, Ch i n a Abs t r a c tDi a mo n d t o o l s p r o du c e d b y h o t p r e s s i ng o f d i a mo nd g r i t s a nd ma t r i x me t a l h a v e b e e n i r r e p l a c e a b l e n e w t o o l s i n p r o c e s s i n g ha r d b r i t t l e ma t e r i a l s s u c h a s g l a s s,s t o n e e t c .Th e r e s e a r c h pr o g r e s s o f Cu b a s e d d i a mo n d t o o l s, i nc l u di n g t h e s o r t o f Cu ma t r i x,t h e a pp l i c a t i o n o f p r e a l l o y i n g p o wd e r , c l a d d i n g o n d i a mo nd a nd t h e r a r e e a r t h e l e me nt i n Cu b a s e d d i a mo nd t o o l s we r e p r e s e nt e d . De v e l o pi ng ne w a l l o y s y s t e m a n d n e w t e c h n o l o g y,i mp r o v i ng c o mbi n a t i o n p r o pe r t y o f Cu b a s e d di a mo n d t o o l s wi l l b e t he r e s e a r c h d i r e c t i o n i n t h e f ut u r e . Ke y wo r d sd i a mo nd t o o l s;c o p p e r ba s e;p r e a l l o y;r a r e e a r t h 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 c u基胎体脆 而不粘 , 对金 刚石有 足 够 的 固结 力和 粘结 力 , 所 以 C u基 金 刚石 工 具锋 利 、 韧 性好 ; 另外 c u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 c o基 胎体 , c u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 。为 了克服 以上缺 点, 科研人 员将很多先进技术应用到 c u基金 刚石工具 中, 例 王 闯 1 9 8 6一, 男 , 硕 士 。E ma i l Ch u a n g z 订9 8 6 1 6 3 . c o m 通讯作 者 贾成厂 1 9 4 9一 , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导 师。E - m a i l j c c u s t b . e d u . c n 收稿 日期 2 0 1 1 0 81 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 2期 王 闯等 粉末冶金 c u 基金 刚石工具 的研 究现状及进展 1 4 1 如预合金化技术 、 稀 土元素等 的应用。本 文从 c u 基胎体的分类 、 金 刚石表面金属化技术在 c u基 金 刚石工具 中的应 用、 预合金化技术在 c u基金 刚石 工具 中 的应 用 、 稀 土 元 素 在 C u基 金 刚 石 工具 中 的 应用等方面, 综述 c u基金刚石工具 的研究现状。 1 C u基胎体的分类 众所周 知 , 纯 C u液 态对碳 是呈 惰性 的 , 在 C u - C 内界面上很难发生扩散。在 C u中添加少量的合 金 元素 , 目的是改善 c u对金刚石的润湿 , 即降低接触 角和提高 c u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 C u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 , c u基胎体可分为以下几类 1 青 铜基 胎体 青铜基胎体是在 C u中加 入强化元素 s n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 。 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。 C u S n T i 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 。 c u s n N i 合金, 是用 N i 取代 T i , 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 c u - s n - T i 合金相差很大 ; 由于 N i 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 。c u - s n N i 合金用作粗磨 、 精磨砂轮效果尚好 ] 。 2 白铜基胎体 白铜基胎体指 c u - N i 基合金 , 用的 比较多 的是 锰 白铜和锌 白铜。锰 白铜指 c u N i Mn合金, 锌 白铜 指 c u N i z n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 。 有时为了特殊 的需求, 也常在 C u基胎体金 刚 石工具中加入 F e 、 c r 、 T i 等其他改性元素 , 以提高工 具的性能。如陈苑等 指 出在 6 - 6 . 3青铜胎体中加 入含量比为 3 1的 F e N i 合金元素时,胎体强度提 高 2 4 % , 对 金 刚石 的把 持 力提 高 了 5 0 . 2 %。S u n L a n等人 使用 S i C晶须对 c u F e 基胎体进行强化 也收到了较好效果 , 加入 1 . 5 % 体 积分 数 的 S i C 晶须 可 以使 金 刚 石 锯 片 的 使 用 寿 命 提 高 3 0 % 。孙 毓超 指 出, c u基 胎体合 金 中 c r含量 在 0 . 1 0 % 原子分数 时, 胎体对金刚石的粘结强度最高达到 3 5 0 MP a ; T i 含量在 0 . 0 7 % 原子分数 时 , 粘结强度 出现 峰值 , 达 到 4 0 0 MP a以上 。 L u c i a n o等 还在金刚石工具 中加入微量 非金 属元素 , 如在 c u基胎体 中加入适量的 P和 s i 均能 降低 c u合金的熔点, 使 c u合金能在较低温度下浸 润金 刚石 。 2金 刚石表 面 金 属化 在 C u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 c u中加人少量强 碳化物形成元素 T i 、 c r 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 通 过 研 究 得 出 , 在 C u合 金 中添 加 强 碳 化 物形成元素, 在适 当的温度下发生液一 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 c u 合金对金 刚石的浸润转化为 c u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 C u中加入碳 化 物形 成元 素 T i , 会 发生 界 面 反 应从 而 实 现 对 金 刚 石 颗 粒 的 浸 润 和粘 结 J 。试 验测定得出, 在与金 刚石表 面浸润角为 1 4 5 。 的 c u 溶液中加入 1 0 %T i , 则 C u - 1 0 T i 合金对金刚石 的浸 润性能大大改善 , 浸润角降至 3 0 。 以下 ; 加 s n于 c u T i 合金 中, 能进一步改善合金对金 刚石 的浸 润性 , 并测得 C u 一 1 0 S n - 2 0 T i 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 1 0 0 MP a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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 粉末冶金技术 2 0 1 2年 4月 林增栋 m 用 c u . s n T i 、 C u C r 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 C u基 金 刚石 工具 中的 的应用 自从 U m i c r o e在 2 0世纪 9 0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 c o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 。 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 引用预合金 c u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 6 0 . 7 m, 平均时效为 2 . 6 m / h ; 而非预合金胎体制备 的钻头平均寿命 为 3 0 . 5 m, 平均时效为 1 . 8 m / h , 预 合金胎体 钻头 比非预合 金胎体钻头的寿命提高 了 9 9 % , 平均 时效提高 了 4 5 % ; 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 2 5 m, 平均时效为 1 . 6 m / h ; 而 使用预合金粉末胎体钻头 , 其平均寿命为 5 0 m, 平均 时效为 2 . 3 m / h , 分别提高了 1 0 0 %和 4 3 . 8 %。 向波等 采用共沉淀还原法制备 c u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 9 8 . 2 4 % , 抗 弯 强 度 达 到 1 0 1 4 . 6 3 ~ 1 1 2 7 . 4 5 MP a , 硬 度 达 到 9 7 . 7~1 0 0 . 4 HR B; 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 9 3 % ~ 9 5 % , 抗弯强度 为 8 1 0~9 2 0 MP a , 硬度 为 7 0~8 0 H R B 。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 8 0年 代 , 它对 材 料 的 性 能 有 许 多 特 殊 的影 响 。 已 经 证 明 , 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 将稀土元素 L a与金属 N i 制备成 预合金 粉 , 加 入 C u基金 刚石工 具 胎体 。 当 L a N i 预 合金 含 量 达 到 1 . 5 % 时, 胎 体 硬 度 达 到 最 高 值 9 2 . 0 HR B; 添加 L a - N i 为 1 . 0 %时 , 纯胎体材料 的抗 弯强度达到最大值 6 4 0 MP a , 远远高于未加 L a N i 合 金粉时纯胎体材料的抗弯强度 5 1 4 MP a ; 金刚石/ 金属基复合材料 的抗弯强度达到最大值 5 7 0 M P a , 比 不添加稀土的试样的抗弯强度值提高了 3 2 %。 宋月清等 把 L a - 5 N i 合金粉加入 6 - 6 . 3青铜 基胎体中, 发现 在 c u基胎体中添加 L a 一 5 N i 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 L a含量达 0 . 7 5 %时 , 纯 胎体的抗弯强度从 5 1 2 MP a提高到 8 2 3 MP a , 提高 了 6 0 % ; 含金刚石胎体 的抗弯强度从 4 8 0 M P a提高 到 6 7 1 MP a , 提高了 3 7 %; 磨损后金刚石在胎体中的出 露高度 由 9 5 t x m增加 到 1 2 0 lx m, 提高了 2 6 % ; 胎体 对 金刚石 的粘 结包镶 能力 提高 。 卢安军等 在 c u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 C o 基锯片的寿命提高了 1 7 % , 具有取代 c o基金 刚石 锯 片的应 用潜力 。 李长龙等 在切玻璃用锯片中加人稀 土化合 物 L a O 。研究得 出, 稀 土化合物 的加入能增大金 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 2期 王 闯等 粉末冶金 C u 基金 刚石工 具的研究现状及进展 1 4 3 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 3 8 . 7 5 % ; 相 比 切割速度较快的台湾某厂家 的锯片 , 切割效率提高 了 2 1 . 6 0 % 。 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 c u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 C u基 金 刚 石 工 具 的 综 合 性 能 , 将 成 为 以后 的研 究方 向 。 参考文献 [ 1 ]P o l i n i W,T u r c h e t t a S .E v a l u a t i o n o f t h e d i a mo n d t o o l w e a r .T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ad v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g Te c h n o l o g y,2 0 0 5, 2 6 9 9 5 99 6 4 [ 2 ]李伯民 , 李清 , 赵波 .磨料 、 磨具与磨削技术 .北京 化学工业 出版社 , 2 0 1 0 7 4 7 5 [ 3 ]孙毓超 , 刘一波 .金刚石工具 与金属学基 础 .北京 中国建材 工 业出版社 , 1 9 9 9 7 8 8 2 [ 4 ]陈 ,吕海波 ,王四清,等 .石材切 割锯片结 合剂铁含 量对金 刚石把持力的影响 .金 刚石与磨料磨具工 程, 1 9 9 7 2 l 3 1 6 [ 5]S u n L a n,P a n J i n g s h e n g ,L i n C h a n g j i a n .A n e w a p p r o a c h t o i mp r o v e t h e pe r f o r ma n c e o f d i a mo n d s a w b l a d e s . 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