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简介

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。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。

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。

铁基结合剂金刚石节块的抗弯强度和把持力通过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。

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，通过铁基结合剂胎体对金刚石的把持力系数的变化可以看出：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2。

铜基结合剂金刚石节块的抗弯强度和把持力不同烧结温度下，铜基结合剂胎体、含未镀钛金刚石节块和含镀钛金刚石节块的抗弯强度和把持力系数不同。它们的变化规律基本与铁基结合剂时类似。随着烧结温度的升高，3 个试样的抗弯强度同样先升高再降低，在720 °C 时抗弯强度均达到最大，分别为644 MPa、497.2 MPa 和535 MPa。同样地，使用镀钛金刚石后节块的抗弯强度比未镀的要高，分别提高了7.0%、7.6%、10.7%和5.2%。使用镀钛金刚石后的把持力系数比采用未镀金刚石时有所增加，说明金刚石表面镀钛能够改善其与铜铁基结合剂的界面结合状况，增强结合剂对金刚石的把持力。

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。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。

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。