镀钛对金属结合剂金刚石节块把持力的影响

肖长江*，栗晓龙，李娟，栗正新

（河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001）



镀钛对金属结合剂金刚石节块把持力的影响

肖长江*，栗晓龙，李娟，栗正新

（河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001）

以铁基和铜基为结合剂，分别加入表面未修饰金刚石和真空蒸发镀钛金刚石，在不同的烧结温度下热压烧结得到铁基和铜基结合剂金刚石节块。用扫描电镜观测了节块的断面形貌，用三点弯曲法测试了节块的抗弯强度。结果表明：与表面未镀金刚石节块相比，表面镀钛金刚石的铁基和铜基结合剂节块的抗弯强度和把持力系数都有所提高。表面镀钛层能加强金刚石与金属基体间的结合，从而提高把持力。

金属基金刚石复合物；真空蒸发镀钛；铁；铜；热压；烧结温度；把持力

First-author's address: Department of Material Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China

金属结合剂金刚石工具因其结合强度高、容易成型、使用寿命长等优良特性而在实际中得到了广泛应用，成为当今公认的、能加工硬脆非金属材料的唯一有效工具。金属结合剂基体主要有钴基、铁基、铜基、镍基、铝基等［1-3］。在这些结合剂中，钴基结合剂抗弯强度高，对碳材料和碳化物的润湿性和粘结性好，钴基金刚石磨具性能最好，但钴属于战略物质且价格较高，不适合大规模的工业化使用。铁与钴属于同族元素，性质比较相似，价格低廉且来源广泛。铜基结合剂有满意的综合性能、低的烧结温度、好的成型性和可烧结性以及与其他元素的相容性。铁基和铜基结合剂正因为分别具有以上的优点，所以实际应用最多。此外，为了提高金刚石工具的性能，对金刚石表面金属化，即通过化学或物理的方法在金刚石表面镀上其他金属，能增强金刚石与金属胎体间的键合，增加金属胎体对金刚石的把持力，延长金刚石工具的使用寿命［4］。

本文以最常用的铁基和铜基结合剂为基体，分别加入表面未镀和镀钛金刚石，然后在不同的烧结温度下热压烧结分别得到铁基和铜基结合剂胎体以及铁基和铜基结合剂金刚石节块，通过测试节块的抗弯强度和观测节块断面的微观形貌来研究金刚石表面镀钛对金属结合剂金刚石节块把持力的影响。

1　实验

1. 1 原材料

试验用到的金属粉末主要有铜粉、铁粉、镍粉、锡粉和锌粉，均为300目；铁基结合剂中加入了WC颗粒。

各种组分所占的比例如表1所示。金刚石为SCD30系列40/50，浓度为40%。表面镀钛金刚石由河南博锐科技发展有限公司提供，金刚石同上，真空微蒸发镀钛，处理温度720 °C，真空度6 ～ 7 Pa，保温60 min，镀钛金刚石的增重率为30.1%，镀层厚度为13.7 µm。

表1　2种金属结合剂的组成Table 1 Compositions of two metal matrices

1. 2 试样制备

将金属粉末按比例倒入SFM-2型行星式混料机中混合均匀。在制备含金刚石节块时，为避免金刚石和金属粉的分层，加入金刚石质量3%的聚乙烯醇（PVA）作为润湿剂与金属粉末一起进行混合。混合好的金属粉末装入石墨模具中，在RYJ-2000K型真空烧结压机上进行烧结，烧结压力为25 MPa，铁基结合剂的烧结温度分别设为700、730、760和790 °C，铜基结合剂的烧结温度分别设为690、720、750和780 °C，升温速率均为90 °C/min［5-6］，保温时间3 min。节块尺寸为32 mm × 4.5 mm × 3 mm。

1. 3 试样检测

金属结合剂金刚石节块抗弯强度的测试在INSTRON-5569型万能材料试验机上完成，加载速率为1 mm/min，跨距20 mm。同一条件下抗弯强度测试的样品为5个，其抗弯强度的平均值即为该条件下样品的最终抗弯强度。抗弯强度测试后保护好断裂试样的断面，用扫描电子显微镜（SEM）观察其形貌。

对金属结合剂金刚石工具而言，一般都用把持力系数（F）来反映胎体对金刚石的把持力［7］：

式中，Bσ为不含金刚石时结合剂胎体的抗弯强度，MPa；Dσ为含金刚石时金属结合剂节块的抗弯强度，MPa；q为胎体中加入金刚石后抗弯强度下降的相对百分数，该值越小，F值越大，表明胎体对金刚石的把持越牢固。

2　结果与讨论

2. 1 金刚石表面形貌观测

图1为表面未镀和镀钛金刚石的SEM照片。对比可知：未镀钛金刚石表面光滑，能反射光；金刚石表面镀钛层比较完整，镀层已将金刚石颗粒完全包裹，表面粗糙度有所提高。

图1 金刚石表面的SEM照片Figure 1 SEM images of diamond surface

2. 2 铁基结合剂金刚石节块的抗弯强度和把持力

图2为不同烧结温度下铁基结合剂胎体以及分别含未镀金刚石和镀钛金刚石节块的抗弯强度。从图2可以看出：随着烧结温度的升高，结合剂胎体的抗弯强度先升高再降低，从700 °C的542 MPa增加到730 °C的565 MPa，在760 °C时达到最大值589 MPa，然后在790 °C时降到565 MPa。原因分析如下：在760 °C之前，结合剂胎体存在欠烧的行为，胎体还没有致密化。温度升高，烧结时液相量增加，节块空隙减少，对金刚石的润湿性好，节块抗弯强度相应提高。在760 °C以后，有过烧行为，出现流料现象，同时过高的温度导致铁基对金刚石的严重侵蚀，金刚石发生碳化，使得金刚石与铁基结合剂的界面结合强度显著下降。

由图 2还可以看出：未镀金刚石节块和镀钛金刚石节块的抗弯强度随烧结温度的变化与胎体节块抗弯强度有一致的变化规律，都是在760 °C时抗弯强度达到最大值，分别为482.6 MPa和519.2 MPa；另外，加入金刚石以后，节块的抗弯强度都降低，但镀钛金刚石节块的抗弯强度要高于未镀金刚石节块。一般情况下，金刚石与胎体材料的界面往往成为断裂源，金属结合剂金刚石节块的抗弯强度通常会低于金属结合剂胎体的抗弯强度。

不同烧结温度下，铁基结合剂胎体对金刚石的把持力系数的变化如图3所示。从图3中可以看出：未镀和镀钛金刚石的把持力系数随烧结温度的升高有相同的变化规律，在730 °C时把持力系数最大。在不同的烧结温度下，镀钛金刚石节块的把持力系数均高于未镀的，说明金刚石表面镀钛后，胎体对金刚石的把持能力提高，即胎体与金刚石间的结合强度增加。此外，把持力系数与烧结温度之间没有线性关系。

图2 不同烧结温度下铁基结合剂镀钛与未镀钛金刚石节块的抗弯强度Figure 2 Flexural strength of Fe-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

图4 不同烧结温度下铜基结合剂镀钛与未镀钛金刚石节块的抗弯强度Figure 4 Flexural strength of Cu-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

图5 不同烧结温度下铜基结合剂镀钛与未镀钛金刚石节块的把持力系数Figure 5 Holding force coefficient of Cu-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

2. 4 铁基结合剂金刚石节块的断口形貌

为了解金属结合剂与金刚石间界面的结合状态，用SEM观测了铁基结合剂金刚石节块经抗弯强度测试断裂后的断面形貌，结果如图6所示。

图6 铁基结合剂镀钛与未镀钛金刚石节块的断口形貌Figure 6 Fracture morphology of Fe-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment

从图6a可以看出：金刚石表面有很多坑点，而且金刚石表面有片状脱落现象，界面间存在明显的沟槽，说明未镀金刚石与结合剂的结合状态较差。这是因为金刚石是非金属，与结合剂金属之间有较高的界面能，金刚石不能被结合剂金属浸润，因而金刚石与结合剂金属之间的结合状况为机械包镶。而在图6b中可以看出金刚石表面比较光滑，金刚石与结合剂之间结合紧密，断口处金刚石表面粘有结合剂，金刚石表面未发现片状脱落现象。对比图6a和图6b可以看出：若金刚石表面没有镀覆层，高温烧结时铁合金中的元素会对金刚石表面产生较严重的化学侵蚀（如使金刚石表面石墨化），从而影响结合剂对它的把持力和金刚石的强度。金刚石表面镀钛后，依靠镀钛层的中介作用，结合剂牢牢地把持着金刚石。这说明使用镀钛金刚石能够改善铁基结合剂与金刚石界面的结合状况，增强了结合剂对金刚石的把持力［8］。铜基结合剂与金刚石的结合与此类似。

3　结论

采用表面镀钛金刚石制备的铁基和铜基结合剂节块的抗弯强度和把持力系数与采用表面未镀金刚石制备的节块相比都有所提高。

［1］ 王双喜， 刘雪敬， 耿彪， 等. 金属结合剂金刚石磨具的研究进展［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2006， 154 （4）: 71-75.

［2］ LIN C S， YANG Y L， LIN S T. Performances of metal-bond diamond tools in grinding alumina ［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2008， 201 （1/2/3）: 612-617.

［3］ LIN Z D， QUEENEY R A. Interface bonding in a diamond/metal matrix composite ［C］ Proceedings of the 1988 International Powder Metallurgy Conference.［S.l.］: American Powder Metallurgy Institute， 1997: 443-449.

［4］ 肖长江. 铁基结合剂金刚石节块性能的优化［J］. 人工晶体学报， 2015， 44 （4）: 1108-1113.

［5］ 肖长江， 王海阔， 栗正新， 等. 组分对金刚石工具铁基结合剂力学性能的影响［J］. 硅酸盐通报， 2014， 33 （7）: 1823-1826.

［6］ ZHANG H T， XIAO C J， ZHU L Y， et al. Structure and mechanical properties of impregnated diamond cutting tools using Cu-based metal matrix ［J］. Advanced Materials Research， 2014， 873: 30-35.

［7］ 刘世敏， 韩丽， 马瑞娜. 不同镀层金刚石与铜基粉末烧结制备的锯片刀头性能及机理［J］. 材料保护， 2013， 46 （3）: 1-3， 10.

［8］ XU X P， TIE R， WU H R. The effects of a Ti coating on the performance of metal-bonded diamond composites containing rare earth ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2007， 25 （3）: 244-249.

［ 编辑：温靖邦 ］

Effect of titanium coating on holding force of metal-bonded diamond segment

XIAO Chang-jiang*， LI Xiao-long，LI Juan， LI Zheng-xin

Fe- and Cu-matrix diamond segments were prepared by hot pressing at different sintering temperatures using diamonds unmodified and coated with titanium via vacuum evaporation， respectively. The fracture morphologies of segments were observed by scanning electron microscopy and their flexural strength was measured by a three-point bending method. The results showed that compared with the segment prepared with uncoated diamonds， the flexural strength and holding force coefficient of Fe- and Cu-matrix titanium-coated diamond segments are both improved. The titanium coating on diamond surface strengthen the bonding between metal matrix and diamond， thus increasing the holding force.

metal-matrix/diamond composite； vacuum evaporation of titanium； iron； copper； hot pressing； sintering temperature； holding force

TB333

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0407 - 04

2015-08-21

2015-10-19

河南省教育厅基金资助项目（15A430022）。

肖长江（1969-），男，博士，副教授，主要从事超硬材料和功能材料的制备和性能研究。

作者联系方式：（E-mail） cjxiao@haut.edu.cn。