摘要　金屬基金剛石工具結合劑中添加少量稀土元素(su)可以(yi)細(xi)化胎體(ti)(ti)晶(jing)粒，凈化金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)與(yu)胎體(ti)(ti)界面，從而(er)改善結(jie)合(he)劑與(yu)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)界面結(jie)合(he)狀(zhuang)態(tai)。本(ben)研究通過在不(bu)(bu)(bu)同類(lei)別(bie)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)節(jie)塊中(zhong)(zhong)(zhong)添加或(huo)不(bu)(bu)(bu)添加稀(xi)土(tu)(tu)元素(su)，觀察其(qi)力學性能的(de)(de)變化，并進行比較分析，探討稀(xi)土(tu)(tu)元素(su)對(dui)不(bu)(bu)(bu)同類(lei)別(bie)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)節(jie)塊力學性能的(de)(de)影(ying)響機制。實驗結(jie)果表明稀(xi)土(tu)(tu)元素(su)對(dui)不(bu)(bu)(bu)同類(lei)別(bie)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)節(jie)塊抗(kang)彎強度的(de)(de)影(ying)響較為顯(xian)著，同時(shi)，在銅基中(zhong)(zhong)(zhong)加入稀(xi)土(tu)(tu)元素(su)，可以(yi)加強金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)與(yu)周圍(wei)胎體(ti)(ti)的(de)(de)結(jie)合(he)狀(zhuang)況，提高胎體(ti)(ti)對(dui)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)把持力。研究成果將有利于促進和推廣稀(xi)土(tu)(tu)在金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)工(gong)具制造領域中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)應用(yong)。

關鍵詞(ci)　　稀土；金剛(gang)石(shi)節塊；力學性能

　　金剛石由于其極高的硬度被廣泛應用于地質勘探和脆硬材料的切割、磨削及拋光等領域。金屬結合劑金剛石工具在石材、混凝土切割中有著廣泛的應用。金屬結合劑金剛石工具包括磨粒及金屬胎體兩部分，金屬胎體用來固結金剛石磨粒，并使之有適當的出刃。實際加工中，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構^[1]。因此不少學者都致力于改進胎體的性能，添加少量稀土元素就是其中一種依法。在金屬結合劑中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結合劑與金剛石的界面結合狀態。孫毓超研究發現，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合力、胎體的機械性能、金剛石的出刃高度以及改善金剛石工具的自銳性等作用，且對工具的耐磨性影響不大^[2]。宋月清等學者在研究稀土元素鑭對金剛石工具胎體作用的影響機理過程中發現添加稀土LaNi₅合金粉末，可顯著提高胎體的抗彎強度和金剛石出刃高度。當La含量達0.75%（質量分數）時，金剛石胎體的抗彎強度提高39.8%，磨損后金剛石在胎體中的出露高度提高30%^[3]。吳貽琨等學者在鐵基胎體中加入0.8%（質量分數）的La 和Nd，金剛石切塊的抗彎強度和沖擊韌性分別提高了19.7%和23%^[4]。

　　從上述(shu)研究成果中(zhong)可見，金屬結合劑(ji)的(de)(de)(de)種(zhong)類(lei)不同(tong)以(yi)及稀土(tu)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)加入形式(shi)不同(tong)，其(qi)效(xiao)果有明顯的(de)(de)(de)差別。本文將(jiang)通過在不同(tong)類(lei)別金剛(gang)石(shi)節塊(kuai)中(zhong)添加或不添加稀土(tu)元(yuan)素(su)，觀察其(qi)力(li)學(xue)性能(neng)的(de)(de)(de)變化，并進(jin)(jin)行比較(jiao)分析(xi)，探討稀土(tu)元(yuan)素(su)對不同(tong)類(lei)別金剛(gang)石(shi)節塊(kuai)力(li)學(xue)性能(neng)的(de)(de)(de)影響(xiang)機制，以(yi)促進(jin)(jin)和推廣稀土(tu)在金剛(gang)石(shi)工具(ju)制造領域中(zhong)的(de)(de)(de)應用。

1         實驗方法

1.1       實驗材(cai)料及其(qi)制(zhi)備(bei)

　　實驗所用的節塊是在SJJ-H型自動熱壓機上壓制燒結而成的，尺寸均為55mm×10mm×10mm，金剛石濃度為35%，燒結壓力均為80KN，燒結時間為3.5min，保溫時間為2.5min。節塊的金屬胎體主要由銅、錫、鎳、鐵、稀土等金屬粉末組成，通過調整各組分的含量，結合不同粒度的金剛石磨料來配制實驗(yan)所需的(de)金剛(gang)石節塊。金屬胎體的(de)配方及燒結工藝如表1所示(shi)。

1.2      節塊性能分析

　　試樣制出(chu)后(hou)，將(jiang)其毛(mao)刺去除干(gan)凈(jing)，上下兩個(ge)面(mian)打磨光整后(hou)，使用數顯洛氏硬(ying)度計(ji)（HRS-150）在(zai)每(mei)一個(ge)試樣上測量(liang)不同位置(zhi)的(de)硬(ying)度，每(mei)個(ge)試樣測量(liang)四次，取每(mei)一個(ge)試樣的(de)平(ping)均硬(ying)度值，最(zui)后(hou)求得每(mei)一種節(jie)塊的(de)平(ping)均洛氏硬(ying)度值。在(zai)萬能材料實(shi)驗(yan)機Instron5569上做三點抗彎(wan)試驗(yan)，測量(liang)節(jie)塊的(de)抗彎(wan)強度。實(shi)驗(yan)最(zui)大載(zai)荷(he)為(wei)50kN，室(shi)溫為(wei)23℃，試樣跨(kua)距為(wei)35mm。

1.3      斷面特征(zheng)分析(xi)

　　采用S-3500N型掃描電子顯微(wei)(wei)鏡(jing)，7021型X射線能(neng)(neng)譜(pu)儀，觀察不同各類節(jie)塊(kuai)(kuai)橫(heng)斷面(mian)(mian)(mian)的顯微(wei)(wei)組(zu)織及表面(mian)(mian)(mian)形貌(mao)，并(bing)對(dui)(dui)個別微(wei)(wei)分(fen)區(qu)域進(jin)行能(neng)(neng)譜(pu)分(fen)析，統計節(jie)塊(kuai)(kuai)彎曲斷裂(lie)后(hou)，橫(heng)斷面(mian)(mian)(mian)中完整、破碎和(he)脫落金剛石的數目，根據實驗結果分(fen)析研究結合劑成分(fen)對(dui)(dui)節(jie)塊(kuai)(kuai)力學性能(neng)(neng)的影響。

2         實驗結果分析

2.1      抗彎強度分析

　　選取代(dai)號為(wei)1、2、3、4、6、7的金剛石(shi)節塊作(zuo)為(wei)數(shu)據分(fen)(fen)析(xi)對(dui)象，分(fen)(fen)別(bie)(bie)對(dui)應3類不同結合劑及分(fen)(fen)別(bie)(bie)加入稀(xi)土元素(su)后(hou)的結合劑。抗彎強度(du)和硬度(du)值數(shu)據見表2。

　　從圖1和(he)圖2分(fen)析(xi)可(ke)知，在同(tong)等實驗(yan)條件下(xia)，對(dui)含有TiH2的銅基節塊(kuai)（1號(hao)(hao)和(he)2號(hao)(hao)）添加(jia)稀(xi)土元(yuan)素后，抗(kang)彎(wan)強度(du)從381.02Mpa 增(zeng)加(jia)至392.40Mpa，硬度(du)值(zhi)從74.125HRB增(zeng)加(jia)78.475HRB，節塊(kuai)抗(kang)彎(wan)強度(du)和(he)硬度(du)值(zhi)均得到一定程度(du)的提升。在3號(hao)(hao)、4號(hao)(hao)、6號(hao)(hao)、7號(hao)(hao)四種(zhong)鐵基節塊(kuai)中(zhong)，添加(jia)稀(xi)土元(yuan)素反而(er)降低了節塊(kuai)的抗(kang)彎(wan)強度(du)，但對(dui)他們(men)硬度(du)值(zhi)的影響甚微。不(bu)(bu)難發現，稀(xi)土元(yuan)素對(dui)不(bu)(bu)同(tong)類(lei)別(bie)金(jin)剛石(shi)節塊(kuai)力學性(xing)能(neng)存(cun)在一定影響，尤其是對(dui)抗(kang)彎(wan)強度(du)的影響較(jiao)為顯著，但其主要力學性(xing)能(neng)還(huan)是由結合劑本身的成份所決定。

2.2      節塊斷口形(xing)貌分(fen)析

　　胎體(ti)(ti)材(cai)料(liao)對金(jin)(jin)剛石(shi)的(de)(de)(de)(de)黏結(jie)（把(ba)持力）能力直接(jie)影(ying)響鋸片的(de)(de)(de)(de)切割速度和使(shi)用(yong)壽(shou)命。研(yan)究(jiu)認為(wei)，由于胎體(ti)(ti)和金(jin)(jin)剛石(shi)間的(de)(de)(de)(de)結(jie)合(he)強(qiang)度往(wang)往(wang)低(di)于胎體(ti)(ti)材(cai)料(liao)間的(de)(de)(de)(de)結(jie)合(he)強(qiang)度，所以金(jin)(jin)剛石(shi)和胎體(ti)(ti)間的(de)(de)(de)(de)界(jie)面(mian)往(wang)往(wang)成為(wei)斷裂源(yuan)[5]。圖3為(wei)鐵基節塊斷口(kou)完整金(jin)(jin)剛石(shi)形貌，可見(jian)，6號節塊的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)剛石(shi)與(yu)胎體(ti)(ti)結(jie)合(he)緊密，而(er)7號節塊的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)剛石(shi)與(yu)周圍所接(jie)觸胎體(ti)(ti)之間存(cun)在明(ming)顯縫(feng)隙。

　　圖(tu)4為銅基(ji)中1、2號(hao)節塊(kuai)斷口金剛石形貌。比(bi)較兩圖(tu)可以(yi)看出2號(hao)節塊(kuai)金剛石與邊界胎體結合比(bi)1號(hao)節塊(kuai)緊密(mi)。

　　綜上所述可知，在銅基中(zhong)加入稀土元素(su)(su)，可以加強金(jin)剛(gang)石(shi)與周圍(wei)胎體(ti)的結(jie)合狀況，提(ti)高(gao)胎體(ti)對金(jin)剛(gang)石(shi)的把持(chi)力，而在鐵(tie)基中(zhong)加入稀土元素(su)(su)則作用相反。

 2.3      稀土元素(su)分布情況

　　為(wei)了解(jie)稀(xi)土(tu)(tu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在胎(tai)體組織內及胎(tai)體與金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石界(jie)面的(de)分布(bu)特征，對(dui)金(jin)(jin)(jin)屬本(ben)與金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石結合面及其周圍區域進(jin)行了能譜(pu)分析。結果表明，在全部(bu)含有稀(xi)土(tu)(tu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)節塊(kuai)的(de)斷口的(de)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石胎(tai)落(luo)坑以及金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石與胎(tai)體接觸界(jie)面中，均未(wei)發(fa)現(xian)有稀(xi)土(tu)(tu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)聚(ju)焦(jiao)，也未(wei)發(fa)現(xian)有新的(de)化(hua)合物發(fa)生。稀(xi)土(tu)(tu)質點大多彌散分布(bu)于胎(tai)體組織中。圖(tu)5為(wei)含有稀(xi)土(tu)(tu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)5號節塊(kuai)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石界(jie)面能譜(pu)分析情(qing)況(kuang)。

　　分析(xi)圖5可大(da)致(zhi)驗證，金剛石(shi)(shi)(shi)節塊(kuai)中添加少量稀土(tu)元素可以細(xi)化胎(tai)體晶(jing)粒，凈(jing)化金剛石(shi)(shi)(shi)與胎(tai)體界面，改(gai)善(shan)金剛石(shi)(shi)(shi)結合劑與金剛石(shi)(shi)(shi)的界面結合狀態，提高其抗(kang)彎強(qiang)度。

3         結論

　　在(zai)不(bu)(bu)同胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)組織中，稀土對(dui)金(jin)剛(gang)石節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)力(li)學(xue)性能的影響力(li)不(bu)(bu)同。在(zai)含有(you)(you)TiH2銅(tong)基(ji)節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)中添加(jia)(jia)稀土元素，有(you)(you)助(zhu)于改善節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)組織的致密(mi)度與韌性，可以提高節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)的抗彎強(qiang)(qiang)度，在(zai)鐵基(ji)節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)中稀土作用則(ze)相反。另外稀土元素有(you)(you)助(zhu)于加(jia)(jia)強(qiang)(qiang)銅(tong)基(ji)胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)(liao)對(dui)金(jin)剛(gang)石的把持(chi)(chi)力(li)，使得在(zai)抗折實驗后(hou)，斷面破(po)碎(sui)金(jin)剛(gang)石百分比增(zeng)加(jia)(jia)。而鐵基(ji)胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)(liao)則(ze)相反，會(hui)導致其對(dui)金(jin)剛(gang)石的把持(chi)(chi)力(li)變(bian)弱，降低節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)斷面破(po)碎(sui)金(jin)剛(gang)石的百分比。稀土添加(jia)(jia)劑不(bu)(bu)會(hui)在(zai)節(jie)(jie)(jie)塊(kuai)(kuai)斷面的脫落(luo)坑、金(jin)剛(gang)石與胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)接觸界(jie)面聚焦，也不(bu)(bu)會(hui)與其它(ta)元素生成新的化合物，稀土質點大多彌散分布于胎(tai)(tai)體(ti)(ti)(ti)組織中。

參考文獻：

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作者簡介

鐵曉銳，女，1982年生，碩士(shi)研究生在(zai)讀。研究方向：脆性材料加(jia)工。