摘要　金屬基金剛石工具結(jié)合劑中添加少量稀土元素可以細(xì)化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)。本研究通過在不同類別金剛石節(jié)塊中添加或不添加稀土元素，觀察其力學(xué)性能的變化，并進(jìn)行比較分析，探討稀土元素對(duì)不同類別金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明稀土元素對(duì)不同類別金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的影響較為顯著，同時(shí)，在銅基中加入稀土元素，可以加強(qiáng)金剛石與周圍胎體的結(jié)合狀況，提高胎體對(duì)金剛石的把持力。研究成果將有利于促進(jìn)和推廣稀土在金剛石工具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞　　稀土；金剛石節(jié)塊；力學(xué)性能

　　金剛石由于其極高的硬度被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和脆硬材料的切割、磨削及拋光等領(lǐng)域。金屬結(jié)合劑金剛石工具在石材、混凝土切割中有著廣泛的應(yīng)用。金屬結(jié)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(jié)金剛石磨粒，并使之有適當(dāng)?shù)某鋈小?shí)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(jié)構(gòu)^[1]。因此不少學(xué)者都致力于改進(jìn)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(jié)合劑中添加少量稀土元素可以細(xì)化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)。孫毓超研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)合力、胎體的機(jī)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(duì)工具的耐磨性影響不大^[2]。宋月清等學(xué)者在研究稀土元素鑭對(duì)金剛石工具胎體作用的影響機(jī)理過程中發(fā)現(xiàn)添加稀土LaNi₅合金粉末，可顯著提高胎體的抗彎強(qiáng)度和金剛石出刃高度。當(dāng)La含量達(dá)0.75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，金剛石胎體的抗彎強(qiáng)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(xué)者在鐵基胎體中加入0.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的La 和Nd，金剛石切塊的抗彎強(qiáng)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(jié)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(jié)塊中添加或不添加稀土元素，觀察其力學(xué)性能的變化，并進(jìn)行比較分析，探討稀土元素對(duì)不同類別金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響機(jī)制，以促進(jìn)和推廣稀土在金剛石工具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1         實(shí)驗(yàn)方法

1.1       實(shí)驗(yàn)材料及其制備

　　實(shí)驗(yàn)所用的節(jié)塊是在SJJ-H型自動(dòng)熱壓機(jī)上壓制燒結(jié)而成的，尺寸均為55mm×10mm×10mm，金剛石濃度為35%，燒結(jié)壓力均為80KN，燒結(jié)時(shí)間為3.5min，保溫時(shí)間為2.5min。節(jié)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(diào)整各組分的含量，結(jié)合不同粒度的金剛石磨料來配制實(shí)驗(yàn)所需的金剛石節(jié)塊。金屬胎體的配方及燒結(jié)工藝如表1所示。

1.2      節(jié)塊性能分析

　　試樣制出后，將其毛刺去除干凈，上下兩個(gè)面打磨光整后，使用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)（HRS-150）在每一個(gè)試樣上測(cè)量不同位置的硬度，每個(gè)試樣測(cè)量四次，取每一個(gè)試樣的平均硬度值，最后求得每一種節(jié)塊的平均洛氏硬度值。在萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)Instron5569上做三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，測(cè)量節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)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(jié)塊橫斷面的顯微組織及表面形貌，并對(duì)個(gè)別微分區(qū)域進(jìn)行能譜分析，統(tǒng)計(jì)節(jié)塊彎曲斷裂后，橫斷面中完整、破碎和脫落金剛石的數(shù)目，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究結(jié)合劑成分對(duì)節(jié)塊力學(xué)性能的影響。

2         實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1      抗彎強(qiáng)度分析

　　選取代號(hào)為1、2、3、4、6、7的金剛石節(jié)塊作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象，分別對(duì)應(yīng)3類不同結(jié)合劑及分別加入稀土元素后的結(jié)合劑。抗彎強(qiáng)度和硬度值數(shù)據(jù)見表2。

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

2.2      節(jié)塊斷口形貌分析

　　胎體材料對(duì)金剛石的黏結(jié)（把持力）能力直接影響鋸片的切割速度和使用壽命。研究認(rèn)為，由于胎體和金剛石間的結(jié)合強(qiáng)度往往低于胎體材料間的結(jié)合強(qiáng)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(jié)塊斷口完整金剛石形貌，可見，6號(hào)節(jié)塊的金剛石與胎體結(jié)合緊密，而7號(hào)節(jié)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(hào)節(jié)塊斷口金剛石形貌。比較兩圖可以看出2號(hào)節(jié)塊金剛石與邊界胎體結(jié)合比1號(hào)節(jié)塊緊密。

　　綜上所述可知，在銅基中加入稀土元素，可以加強(qiáng)金剛石與周圍胎體的結(jié)合狀況，提高胎體對(duì)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(nèi)及胎體與金剛石界面的分布特征，對(duì)金屬本與金剛石結(jié)合面及其周圍區(qū)域進(jìn)行了能譜分析。結(jié)果表明，在全部含有稀土元素節(jié)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(fā)現(xiàn)有稀土元素的聚焦，也未發(fā)現(xiàn)有新的化合物發(fā)生。稀土質(zhì)點(diǎn)大多彌散分布于胎體組織中。圖5為含有稀土元素的5號(hào)節(jié)塊金剛石界面能譜分析情況。

　　分析圖5可大致驗(yàn)證，金剛石節(jié)塊中添加少量稀土元素可以細(xì)化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，改善金剛石結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，提高其抗彎強(qiáng)度。

3         結(jié)論

　　在不同胎體組織中，稀土對(duì)金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響力不同。在含有TiH2銅基節(jié)塊中添加稀土元素，有助于改善節(jié)塊胎體組織的致密度與韌性，可以提高節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度，在鐵基節(jié)塊中稀土作用則相反。另外稀土元素有助于加強(qiáng)銅基胎體材料對(duì)金剛石的把持力，使得在抗折實(shí)驗(yàn)后，斷面破碎金剛石百分比增加。而鐵基胎體材料則相反，會(huì)導(dǎo)致其對(duì)金剛石的把持力變?nèi)酰档凸?jié)塊斷面破碎金剛石的百分比。稀土添加劑不會(huì)在節(jié)塊斷面的脫落坑、金剛石與胎體接觸界面聚焦，也不會(huì)與其它元素生成新的化合物，稀土質(zhì)點(diǎn)大多彌散分布于胎體組織中。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]　孫毓超，宋月清.稀土在金剛石工具中應(yīng)用研究的新進(jìn)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(zhǎng)炎，等.稀土元素鑭在金剛石工具胎體中的作用影響機(jī)理研究[Ｊ].稀有金屬，1998（1）：39－42.

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

[5]　李長(zhǎng)龍，李國(guó)彬，吳玉會(huì).稀土對(duì)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(jiǎn)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。