鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討(下)

馮海洲,董書(shū)山

(1.泉州眾志新材料科技有限公司，福建 泉州 362012；2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春　130012)

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鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討(下)

馮海洲1,董書(shū)山2

(1.泉州眾志新材料科技有限公司，福建 泉州 362012；2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012)

文章分別對(duì)燒結(jié)后鍍敷金剛石表面狀態(tài)及元素分布、鍍敷金剛石與胎體接壤部位的元素分布和顯微硬度值進(jìn)行了觀察與檢測(cè)，以及對(duì)試樣的抗彎強(qiáng)度和實(shí)際工具的切割性能進(jìn)行了測(cè)試。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，鍍層中的Ti很容易擴(kuò)散到金剛石周圍約一個(gè)粒徑范圍內(nèi)的胎體中，提高了該局部胎體區(qū)域的機(jī)械性能，達(dá)到了改善工具的實(shí)際切割性能的效果。

鍍敷金剛石；元素分布；顯微硬度；Ti；擴(kuò)散；機(jī)械性能

樣塊D:

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

在試樣D中可看到金剛石表面有較多顆粒狀黏附物。

SEM照片SEM image

金剛石表面與樣塊C相同，有明顯蝕坑。

金剛石表面元素分布element distribution on diamond surface

只檢測(cè)出少量的Fe和Cu元素，應(yīng)為胎體遷移到金剛石表面。

金剛石與胎體接壤部位元素分布element distribution at the interface of diamond and matrix

樣塊E所用金剛石與樣塊C相同。樣塊C與D金剛石表面均未測(cè)出Cr，只測(cè)出了Ti，且Ti也主要分布在胎體部位。

樣塊E：

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

胎體與A相同，僅金剛石更換為未鍍的裸料，觀察金剛石表面與坑底光滑，與A類似。

樣塊F：

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

樣塊F胎體與D相同，僅金剛石更換為未鍍的裸料，觀察金剛石表面有微小黏附物，坑底較光滑有微小蝕點(diǎn)。

從上看出，只要是鍍敷金剛石帶來(lái)了Ti元素，鍍覆層幾乎就會(huì)被胎體吸收，鍍敷層中的Cr主要分布在金剛石表面，向胎體中擴(kuò)散較少；而Ti則有明顯的擴(kuò)散，滯留在金剛石表面的Ti僅占很小的一部分。

4.3各樣塊中金剛石附近的顯微硬度變化

在ABCDEF各個(gè)樣塊表面挑選暴露完整的金剛石，周圍進(jìn)行細(xì)致打磨后，從金剛石邊緣向胎體部分選取一直線，每隔0.1mm取一點(diǎn)，測(cè)量其顯微硬度，加載力50g，15s，并將測(cè)得的HV值按照距金剛石邊緣位置繪制曲線并擬合近似曲線，觀察其HV與金剛石外緣位置的變化關(guān)系。繪制圖表如下(圖3)：

圖3　HV-金剛石邊緣距離曲線圖Fig3　The relation graph between HV and diamond edge distance

剔除個(gè)別點(diǎn)因致密度較低或相組織較軟外，可以看到鍍敷料的外緣處硬度呈下降趨勢(shì)，在0.5～0.7處HV值與胎體基本相同。未鍍敷料則沒(méi)有這種表現(xiàn)。

故推測(cè)因Ti的擴(kuò)散進(jìn)入胎體中，強(qiáng)化了部分胎體的性能，這部分胎體僅限于金剛石顆粒周圍0.5～0.7mm以內(nèi)的球形范圍，這部分區(qū)域保證了金剛石受到強(qiáng)有力的支撐，提高了其工作能力，增加了胎體對(duì)金剛石的把持力。

4.4鋸片實(shí)際切割性能的表現(xiàn)

將A、B、E為一組，D、F為一組，分別制成230激光焊鋸片進(jìn)行切割性能比較。條件：230角磨機(jī)，干式切割山西黑(700×40)mm，比較其鋒利度。數(shù)據(jù)見(jiàn)下表3：

表3　各試樣的切割性能數(shù)據(jù)

注：因?qū)嶋H切割過(guò)程摻入了更多的影響因素，故此表數(shù)據(jù)僅作定性的判斷，不能作為定量的結(jié)論。

可看到使用了鍍敷金剛石后，鋒利度與壽命都有明顯提高，特別是試樣D，雖然從抗彎強(qiáng)度看不到效果，但在實(shí)際使用中仍然表現(xiàn)出了較好的效果。

5　分析及討論

由以上的試驗(yàn)似乎可以得出結(jié)論：鍍層加入了Ti元素，在燒結(jié)過(guò)程中，Ti迅速擴(kuò)散入了胎體，與Fe、Cu、Ni形成了合金相，從而改變了金剛石周圍的胎體組織，并強(qiáng)化了這局部區(qū)域的機(jī)械性能，從而在胎體中形成了機(jī)械性能的梯度變化，間接改善了工具的實(shí)際使用性能。

(1)鍍層對(duì)胎體的影響

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于Ti-Cu、Ti-Fe、Ti-Ni擴(kuò)散偶的研究，諸多文獻(xiàn)都確認(rèn) Ti-Cu、Ti-Fe、Ti-Ni是個(gè)快速擴(kuò)散的過(guò)程，如文獻(xiàn)[1]提到，Ti、Cu在緊密接觸條件下，700℃時(shí)即可發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散，并且在液相中的擴(kuò)散速率是固相中的100～1000倍。文獻(xiàn)[2]指出，900℃時(shí)，Ti在Cu中擴(kuò)散系數(shù)是11.3cm2/s,而Cu在Ti中擴(kuò)散系數(shù)是0.57 cm2/s，此溫度時(shí)，Ti在Cu中的擴(kuò)散量很大，900℃保溫180s,TiCu 液相區(qū)的平均寬度即達(dá)到0.7mm。文獻(xiàn)[3]指出，F(xiàn)e在α-Ti和β-Ti中都具有很高的擴(kuò)散速率，甚至在第一共晶溫度點(diǎn)1085℃之前，F(xiàn)e已經(jīng)大量溶入Ti基體中。還有很多文獻(xiàn)[4-6]報(bào)道了Ti在Ni純晶體中的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。這說(shuō)明Ti 與Fe、Cu、Ni之間的快速擴(kuò)散是存在的，而且在平均粒徑20～40μm的合金粉顆粒間，其擴(kuò)散條件更是容易達(dá)到的。文獻(xiàn)[12-16]都報(bào)道了Ti-Cu、Ti-Fe、Ti-Ni擴(kuò)散界面會(huì)形成固溶體和TiCu、Ti2Fe、TiNi等各系列中間化合物，這些中間化合物既硬又脆，改變了此局部區(qū)域的機(jī)械性能。

(2)單顆粒金剛石的切削原理

在切割過(guò)程中，單顆粒金剛石的工作狀態(tài)如圖4，此時(shí)，金剛石必然受到巖石的反作用力。因金剛石彈性模量極高，可看做剛性材料，其受到的作用力除一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分導(dǎo)致金剛石邊角碎裂外，其余的力量幾乎全部傳遞到胎體，準(zhǔn)確地說(shuō)是傳遞到其周圍的“地基”中。金屬胎體的局部區(qū)域在瞬間受力作用下必然發(fā)生彈性變形乃至蠕變或塑性變形，而后部更遠(yuǎn)的胎體部位受力則逐漸減弱。金剛石實(shí)際為多面體，每一個(gè)棱面的邊長(zhǎng)一般都不超過(guò)粒徑的1/2，而承擔(dān)該瞬間金剛石傳遞力量的胎體區(qū)域相對(duì)于傳遞力量的這個(gè)小棱面的面積要更廣、更深，對(duì)其近似應(yīng)用大質(zhì)量支撐原理[17]，小棱面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的應(yīng)力首先集中在深度不超過(guò)2倍棱面邊長(zhǎng)或直徑的區(qū)域內(nèi)部，即相當(dāng)于一個(gè)金剛石顆粒粒徑的范圍內(nèi)，這恰好與我們上述所測(cè)得0.5～0.7mm相符。假設(shè)沒(méi)有熱應(yīng)力以及其他應(yīng)力的存在，那么只要這部分“地基”區(qū)域不發(fā)生“坍塌”即塑性變形，其他部位的胎體就都可以保持原有的機(jī)械性能不變。

圖4　單顆粒金剛石的切削原理示意圖Fig.4　Schematic diagram of the cutting principle of single particle diamond

(3)金剛石工具的金屬胎體性能應(yīng)具有梯度變化特性

金剛石工具在切削等工作過(guò)程中，最理想的狀態(tài)是保持最佳的容屑空間[18]，即金剛石起切削作用，同時(shí)金屬胎體不與被加工材料發(fā)生直接接觸，僅是被碎屑沖蝕磨損，這時(shí)候的能耗才是最佳的。這就要求，一方面金屬胎體有適度的磨損性，另一方面胎體有很好的強(qiáng)度和耐磨性，因?yàn)榻饎偸安康奈⑿^(qū)域恰恰是受到?jīng)_蝕最嚴(yán)重的區(qū)域(見(jiàn)圖5)。這是個(gè)互相矛盾的要求，理想的解決方案就是胎體的性能是不均勻的，在金剛石周圍(一個(gè)粒徑范圍內(nèi))要求胎體越硬越好、越耐磨越好，而這個(gè)范圍以外的金屬區(qū)域應(yīng)該保

圖5　碎屑沖蝕示意圖Fig.5　Schematic diagram of detritus erosion

持適度的強(qiáng)度與磨損性。

(4)金剛石鍍層的作用

從SEM分析看到，鍍層中碳化物層的確存在，但是厚度很薄，一般小于0.1μm[11],即使全部鍍層都不會(huì)超過(guò)1～2μm，碳化物層的化學(xué)鍵合力也許很大，但是若金剛石周圍的“地基”坍塌了，這個(gè)化學(xué)鍵合力的作用則無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。

在合適的條件下，鍍層中Ti擴(kuò)散恰到好處地改變了原有胎體的結(jié)構(gòu)，使金剛石顆粒周圍的“地基”處的耐磨性和硬度得到了提升，為金剛石提供了更有力的支撐，即增強(qiáng)了把持力；而其他未強(qiáng)化區(qū)域則保留有較適宜的強(qiáng)度與硬度，相對(duì)“地基”區(qū)域有更好的易磨損性，使其形成了最合適的胎體性能的梯度性分布。二者結(jié)合提高了胎體對(duì)金剛石的固位能力——即把持力，導(dǎo)致工作的金剛石顆粒的容屑空間增大，改善了金剛石顆粒的工作狀態(tài)，也就首先提高了胎體的鋒利性，若其他條件配合，也可同時(shí)提高工具的使用壽命。

(5)金剛石鍍層的質(zhì)量控制

在生產(chǎn)中遇到的保留有大片斑駁不齊的鍍層以及大塊狀附著物，應(yīng)為實(shí)際的鍍層存在質(zhì)量問(wèn)題，從坑底的多彩色澤即可猜測(cè)存在大量的氧化物。這說(shuō)明鍍層的質(zhì)量也應(yīng)該嚴(yán)格控制，否則很可能起副作用。但現(xiàn)實(shí)中大部分廠家對(duì)鍍后的金剛石該如何檢測(cè)并不清楚，即缺失這部分的質(zhì)量控制。該采取何種方式對(duì)鍍層質(zhì)量進(jìn)行表征，是目前生產(chǎn)廠家面臨的問(wèn)題。

6　結(jié)論

(1)金剛石鍍層中的Ti很容易擴(kuò)散到Fe、Cu合金胎體中，Cr則主要以碳化物形式保留在金剛石表面。

(2)鍍層中的Ti擴(kuò)散后引起金剛石邊緣0.5～0.7mm范圍內(nèi)胎體變化，各種固溶體和金屬化合物的出現(xiàn)使該區(qū)域的硬度和耐磨性升高。

(3)該部分強(qiáng)化區(qū)域有利于提高胎體對(duì)金剛石的把持力，并使金屬胎體的性能變得不均勻分布，若原胎體性能合適，這種變化將有助于提升工具的鋒利度與壽命。

(4)金剛石鍍層應(yīng)有良好的質(zhì)量控制，否則可能會(huì)有相反的作用。

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Discussion on the Mechanism of the Functioning of Plated Diamond in Metal Bond

FENG Hai-zhou DONG Shu-shan

(1.QuanzhouZhongzhiNewMaterialsTechnologyCo.,Ltd.,Quanzhou,Fujian362012;2.NationalKeyLaboratoryofSuperhardMaterials,JilinUniversityChangchun,China130012)

The surface states and element distribution of the plated diamond after sintering and the element distribution and microhardness at the interface of plated diamond and matrix have been observed and detected. The bending strength of the sample and the cutting performance of the actual tool have been tested. Result shows that the Ti in the plating is prone to spread to the matrix around diamond within a particle size range. Therefore, the mechanical performance of the local matrix area has been improved which helps to improve the actual cutting performance of the tool.

plated diamond; element distribution; microhardness; Ti ; spread; mechanical performance

2015-08-15

馮海洲(1972-)，男，項(xiàng)目總工程師，長(zhǎng)期從事金屬結(jié)合劑超硬材料制品的生產(chǎn)與研發(fā)工作。 E-mail：fenghhz@aliyun.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0028-05

引文格式：馮海洲,董書(shū)山.鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討[J].超硬材料工程，2016，28(4)：28-32.