元素Cu对Co基配方的性能影响①

杨理清，张延军，罗文来

（桂林特邦新材料有限公司，广西桂林 541004）

元素Cu对Co基配方的性能影响①

杨理清，张延军，罗文来

（桂林特邦新材料有限公司，广西桂林 541004）

主要研究不同Cu含量对Co基配方的烧结性能、力学性能及粉料内部结构的影响，通过比较不同Cu含量样品的硬度、抗弯强度、断裂挠度、磨耗比，并结合扫描电子显微镜（SEM）分析，结果表明添加不同含量的Cu元素对Co基配方的力学性能影响较大，样品的断面形貌分析也显示了配方内部结构变化趋势，通过对比分析，可以利用添加Cu元素的性能变化趋势，开发合理的配方体系。

超硬材料工具；Co基配方；Cu元素；性能

1 实验内容

以常规高Co基胎体配方作为标准，通过Cu取代部分Co，其他元素保持不变（含量为20%）来进行研究配方设计［2］。本次实验测试的Co、Cu配比配方设计如表1所示：

表1 几种配方的Co、Cu的质量分数Table 1 Percentage of Co，Cu in different samples

每种配方的试样样品各6个，选用国产金刚石，质量分数为1.8%，粒度为50～60目，实验采用直接装粉热压烧结法，标准样品尺寸为：30mm×12mm×6mm。

烧结好的样品，通过去除毛刺，磨平样品的表层氧化层，称量各试样块的重量，通过电子数显卡尺测量并计算样品的尺寸、相对致密度，保证每个样品的相对致密度都在96%～100%之间，性能测试有以下几项：

（1）实验配方胎体的硬度（HRB）值，每个试样各取六点，正、反面各取三点，然后取平均值；

（2）三点抗弯强度测试，包括不含金刚石试样与含金刚石试样，并计算抗弯强度的下降率，以表征配方胎体对金刚石的包镶能力［3］：

式中Tσ为样品的抗弯强度下降率；σ空为样品空白粉的抗弯强度值，MPa；σ金为样品含金刚石抗弯强度值，MPa。

（3）相对耐磨性测试，磨损前将样品称重，然后将其用专用夹具夹紧，并固定在耐磨试验机的进给轴上，限定砂轮与试样的摩擦时间为1min，测量磨损后试样的质量并计算相对耐磨性［3］，计算公式为：

式中K为各试样的相对磨损量；M1为试样磨损前的重量，g；M2为试样相对磨损后的重量，g；M3为试样的理论设计重量，g。

（4）试样的断裂挠度，通过测量含金刚石试样断裂时的变形量与抗弯强度值的比值百分比来表征样品的刚性度，其计算公式为：

式中N为断裂挠度，mm／MPa；ΔL为试样的断裂位移量，mm；σ金为试样含金刚石的断裂强度值，MPa。

（5）用扫描电镜观测试样胎体的断面胎体形貌、金刚石表面形貌及金刚石与胎体间的缝隙情况，了解各试样配方的内部结构及变化趋势情况。

2 实验结果与分析

2.1 烧结性能分析

图1为试样样品的烧结致密度图谱。从图1可以看出，测试试样的烧结致密度在96.5%以上，试样在烧结过程中没有出现过烧或欠烧的情况，符合测试要求，该试样块所测数据具有研究对比性，从以上的烧结数据可以看出，Cu元素的添入对烧结性能可以产生作用，有改善Co基配方的烧结性能的优势。

图1 样品的烧结致密度图谱Fig.1 Sintered density of samples

2.2 硬度对比分析

图2为样品的硬度图谱。从图2可以看出，样品的硬度随着Cu含量的增加，硬度值呈现先增加后下降的趋势，当Cu含量在为10%时，样品的硬度数据有一个峰值98.9HRB，分析原因是由于Co元素的硬度值本身比Cu元素的硬度值高，当在Co基配方中添加少量的Cu元素后，配方总体还是以Co为主，Cu元素引入后对Co基配方能起细化晶粒，降低空隙的作用，因此当加入少量的Cu（10%）时，配方2的硬度有所上升，并在已测数据中达到峰值，当继续增加Cu的含量，Cu在Co基配方中的比例不断增加，对Co基配方本身的硬度值产生作用也在增大，因此配方3、配方4、配方5中的硬度值呈现逐步降低变化趋势。

图2 样品的硬度图谱Fig.2 The hardness of samples

3.3 抗弯强度对比分析

表2为各配方样品的抗弯强度数值及其抗弯强度下降率。从表2的数据可以看出，Co基配方中添加Cu元素后，其抗弯强度都有明显的增加，并随着Cu含量增加，其抗弯强度数值出现不断下降的趋势，引起的主要原因是，在低温烧结条件下，Cu元素有较好的烧结性能，Cu可以在低熔点液相条件下与其他金属形成固溶体，强化各晶粒间的化学连接，因此在一定程度上强化了配方胎体的强度，但Cu元素本身的抗弯强度远不如Co，因此随着Cu含量的不断增加，配方的抗弯强度在不断的下降；从各配方试样块的抗弯强度下降率数值来说，在没有添加Cu的Co基配方中，配方1对金刚石的包镶能力最好，其抗弯强度下降率为26.3%，低于其他添加Cu的Co基配方，侧面也说明Co元素对金刚石浸润能力高于Cu元素，加上Cu元素的线膨胀系数不如Co元素与金刚石线膨胀系数接近，因此Cu对金刚石的包镶能力低于Co，继续增加Cu的含量，试样的抗弯强度下降率呈现出先增后降的趋势，分析可能的原因是，当Cu刚开始增加时，Cu对金刚石的包镶能力较弱，因此配方试样的抗弯强度下降率不断上升，当继续增加Cu达到20%含量后，Cu在配方开始大量与其他金属形成固溶体或其他化合物，增加对金刚石的浸润能力，因此配方的抗弯强度下降率数值又有所下降。

表2 样品的抗弯强度下降率Table 2 Decrease of bending strength

3.4 扰度比性能分析

图3为样品的挠度数据图谱。从图中的数据可以看出，Cu元素的加入，对Co基配方的断裂挠度性能影响是比较明显的，总体的趋势是随着Cu含量的增加，配方的断裂挠度呈现上升的趋势，说明Co基配方中的Cu含量是可以改变配方的断裂挠度，即，影响配方的刚度性能，另外同时表明，Cu在配方中是对胎体起韧性作用的，因此在进行配方开发设计时，可以根据我们的需要，控制Cu在配方中的含量值，以便调整配方的刚韧性，针对不同的切割对象，选择不同的配方体系。

图3 样品的挠度数据图谱Fig.3 The deflection data of samples

3.5 等磨耗对比性能分析

图4为样品相对磨损量数据图。从图中的数据可以发现，配方2的相对磨损量为最低，说明适当的添加Cu可以有效的降低磨损量（一般低于10%Cu），这主要是少量的Cu含量，不仅改善了配方的烧结性能，也细化、均匀了配方内部的组织结构，同时保持着Co的耐磨性，因此该含量的配方设计可以增加绳锯的使用寿命；随着Cu含量的继续增加，Cu元素的易磨损性特点开始显现，并随着Cu含量的增加胎体的磨损量越大，这一性能变化趋势，为我们设计出易磨损，出刃快的配方体系提供参考数据，因此，对于切割硬度高、晶粒较细、研磨性弱岩石，利用在Co基配方体系中添加Cu元素是一条可行的配方设计思路，Cu的市场价格远低于Co，因此在成本上，Cu元素也是一大重要优势。从趋势上看，如果继续增加Cu含量可能会引起配方胎体韧性过大，切割岩石过粘而金刚石无法换层的情况，因此建议Co基配方中的Cu含量不宜超过40%为好。

图4 样品相对磨损量数据图Fig.4 The wear resistance of samples

图5 样品的断面形貌图a）、b）、c）、d）、e）Fig.5 SEM photos of fracture surface of samples a），b），c），d），e）

3.6 结构分析

从图5的扫描电镜图可以看出，图5a）中没有添加Cu元素，从断面的形貌图可以看出，样品的烧结晶粒粗大，分布不均匀，并且在晶粒表面及晶粒间存在大量的残余气孔，直接影响样品的烧结性能，使样品难以烧结致密。图5b）和图5c）是添加Cu元素后的断面形貌图，从断面图中可以看出，添加Cu元素后，样品的晶粒开始细化、均布，空隙度明显下降，连接更为紧密，在宏观上表现为样品的抗弯强度有所提高，这与实验的结果是吻合的；由于Cu元素本身质地较软，烧结强度低（相对Co粉而言），当添加过多量Cu后，必然引起样品整体的硬度值、抗弯强度值的下降，因此在添加10%的Cu元素后样品的晶粒细化、均布、致密度提高，促进样品的硬度值上升，添加20%的Cu元素后，尽管晶粒进一步细化，孔隙度进一步下降，但Cu元素在样品中的比例明显增大，引起配方胎体的硬度值基抗弯强度值的下降；当继续增加Cu元素含量时，从图5d）和图5e）可以看出，晶粒不断的细化，孔隙基本消失了，开始出现断裂韧窝，说明样品已开始出现韧性特征，尤其是图5e）的断面图中，断裂面的韧窝开始明显地增多、增大，并出现局部液相形成区，这是Cu元素大量增加的结果。

从图6的金刚石断面图可以看出胎体对金刚石的包镶能力的情况，图6b）－图6e，金刚石表面较为光滑、完整，没有明显的刻蚀、反应的迹象，金刚石与胎体的界面清晰，裂纹较大，各图的包镶能力差距不大，图6a）为无Cu元素的包镶金刚石样品的断面图，图中金刚石有被明显刻蚀的情况，分析可能是温度过高引起，另外在金刚石的表面有部分反应迹象，可能是Co对金刚石的浸润、腐蚀反应作用，说明Co元素对金刚石浸润能力高于Cu；并从各配方胎体对金刚石的包镶情况看，图6a）中胎体与金刚石的间隙相对较小，其他图中的金刚石与胎体的间隙线区分不明显，当都有较清晰的界面时，这主要是Cu对金刚石的浸润能力较弱并线膨胀系数与金刚石相差较大造成的，因此Co基配方中添加Cu元素后，胎体对金刚石的包镶能力下降，是我们进行产品开发时需要考虑，并利用的特征。

图6 包镶金刚石样品的断面形貌图a）、b）、c）、d）、e）Fig.6 SEM photos of diamond surfaces a），b），c），d），e）

4 结论

1）在Co基配方中添加一定量的Cu可以细化晶粒、均匀组织，降低内部的残余气孔，有效改善配方的烧结性能；

2）在一定的Cu含量范围内，可以通过控制Cu元素的含量调整配方的硬度值；

3）因Cu含量的增加会引起抗弯强度的下降，胎体韧性增加，因此建议Cu含量不应超过40%；

4）在Co基配方中加入Cu，由于Cu本身的特点，胎体对金刚石的包镶能力降出现下降。

鸣谢：本文得到基金项目“金刚石绳锯组锯绳的开发”桂工信投资［2012］（297）号的资助。

［1］ 孙毓超，宋月清.金刚石工具与金属学基础［M］.北京：中国建材工业出版社，1999.

［2］ 张建森.铁基锯片结合剂中钴的含量对金刚石的把持力及胎体机械性能的影响［J］.超硬材料与工程，2001（4）：22－24.

［3］ 郭桦，苏钰，陈剑章，张延军，陈峰，徐西鹏.Co基金刚石串珠胎体中W添加剂的作用［J］.中国工程机械学报，2007.

Influence of element Cu on the performances of Co－based formulation

YANG Li－qing，ZHANG Yan－jun，LUO Wen－lai
（Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China）

In the paper，it has studied the influences of different Cu contents on sintering property，mechanical property and powder internal structure of Co－based formula.Through comparing the hardness，bending strength，fracture deflection，grinding ratio of samples with different Cu content and combined with scanning electron microscopy（SEM）analysis，the results show that it has bigger impact on mechanical properties of Co－based formula when adding different content of Cu elements.The section morphology analysis of samples also showed the change trend of formula internal structure.Through comparative analysis，it can be utilized to develop the reasonable formula system.

superhard abrasive tool；Co－based formula；element Cu；performance

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0009－05

随着绳锯产品的应用越来越广泛，性能要求也越来越高，但制备技术的门槛明显地降低，使得企业间的竞争加剧，产品价格的竞争开始出现白热化，绳锯的制备成本，尤其是金属配方粉料的成本成了企业主要关注的环节，另外，绳锯在进行岩石切割的过程中，往往会遇到岩石的硬度高、晶粒细、研磨性弱的情况，这种情况下，绳锯就会出现切割速度缓慢、串珠胎体抛光、金刚石磨平而无法实现正常出刃的现象，给绳锯的正常使用带来了难题，而Cu元素以其优异的综合性能引起了各超硬材料工具企业的关注，其有相对超硬材料制备来说理想的烧结温度、优异的冷压成形性及可烧结性，并与其他元素有很好的相容性，与其他的金属形成化合物后，具有较高的抗弯强度、理想的硬度范围［1］，更重要的是，Cu具有相对较低的价格，因此，通过引入Cu元素可以较好地改变配方的性能，并达到降低成本的目的，以下就是利用在Co基配方中添加Cu元素，进而研究不同Cu含量在Co基配方中的硬度数值、抗弯强度数值、断裂挠度数值、相对磨耗量数值的影响［2－3］，从而确定Co－Cu基配方的性能变化情况及配方开发设计思路。

2012－06－26

杨理清（1984－），男，学士。所学专业：材料科学与工程，主要从事超硬材料工具制品的研究与开发工作。