活性元素对金刚石与胎体结合的影响

由于胎体的软化、弱化作用，单纯的机械把持作用不能避免金刚石的早期脱落，寻求金刚石与胎体材料的冶金结合途径一直是金刚石工具行业追求的目标。在胎体中添加的超细铁粉、钴粉及活性元素，在高温下会对金刚石表面产生刻蚀作用，胎体与金刚石达到化学冶金结合，提高金刚石工具的使用性能。金刚石表面镀覆活性元素也是一种可行方案，通过将金刚石表面进行物理或化学法处理，在金刚石表面形成金属、合金、金属碳化物或它们的混合层，使金刚石表面具有金属的性质，镀覆层与胎体容易实现冶金结合，从而达到提高界面结合性能的目的。

一些元素，如Fe、Co、Ni、Mn、Si和Al在特定条件可以与金刚石表面反应形成碳化物，能形成的碳化物分别为Fe₃、Co₂C、Ni₃C、Mn₃C、SiC、Al₄C₃等。而活性元素指的是强碳化物形成元素和过渡族元素，这些元素能与金刚石发生界面反应生成化合物。常用的有Ti、Cr、W等元素；Mo、V、Zr、Nb和Ta等虽然也可以发生碳化作用，但因价格高而不被应用。

铁的熔点为1535℃，具有良好的导电性、导热性和延展性，在1550℃对金刚石润湿角仅为50°，比Ni、Co稍低，具有对金刚石最好附着性，可形成多种碳化物。Fe具有比Cu、Ni和Co低的线胀系数，较为接近金刚石线胀系数，可有效防止冷却裂纹的出现；同时，铁是一种价格低廉的金属元素，在金刚石工具行业中取代钴的应用越来越广泛。在胎体烧结过程中，铁对金刚石有一定刻蚀作用，轻度刻蚀不会损伤金刚石强度，反而会提高胎体对金刚石的把持力。铁基金刚石工具不锋利的原因是铁比钴耐磨且变形量大，铁基结合剂工具烧结易流失是因为铁与铜基合金、低熔点金属的溶解度过低造成的，适量加一些互溶性好的元素即可减少流失。

铝的熔点为660℃，是一种具有延展性的轻金属，对碳材料的润湿性好，在800℃对金刚石润湿角为75°，高于1227℃时可以与碳形成Al₄C₃。在含钛金刚石胎体中发生铝热反应，在金刚石表面有助于碳化物生产，如Ti₃AlC，氧化物生成自由能远低于钛，可确保钛在无氧状态下和金刚石形成碳化钛。郑州机械研究所研发的预合金粉FCuZnS中含有5～8%的铝，能很好地促进金刚石界面反应，提高金刚石把持力。

钛的熔点为1720℃，但Cu-Ti合金的熔点较低，钛粉和镀钛金刚石均能降低铜基黏结相的烧结温度；钛的强度、硬度较高，钛能提高铜基黏结相和其他结合剂的强度、硬度和耐磨性，但会降低胎体的塑性。由于钛在铜中的最大的溶解度只有4%～7%，胎体中钛的含量一般不高。钛是易氧化、难还原的强碳化物形成元素，发生氧化后不能用氢气还原，所以以纯金属形式使用时，要考虑它的活泼性所带来的诸多问题。(www.xing528.com)

铬的熔点为1863℃，硬度和强度较高，铬在铜中的溶解度极低，不能降低铜基黏结相的烧结条件。但是铬在加入量不大的情况下，就可以提高铜基黏结相的强度，特别是抗弯强度，另外还可以提高耐热性、导电性（与锆一起加入，效果更显著）。加极少量的铬就可以使铜基黏结相对金刚石有很好的润湿性和黏结性，如Cu-0.5%Cr在1150℃时的液态合金对金刚石润湿角为22°。这是因为加入的铬会在金刚石表面产生碳化反应，生成的Cr₃C₂、Cr₇C₃碳化物能被铜基黏结相和结合剂较好地黏结。铬的用量一般不超过2%。

镍的熔点为1453℃，镍本身不与金刚石发生界面反应，但由于镍与铜无限互溶，与铜基黏结相能很好地合金化，故而镍能提高铜基黏结相对骨架材料和金刚石的浸润性，提高胎体对金刚石把持力。镍的技术经济性并不理想，由于行业习惯，镀镍金刚石和胎体中的大量镍粉却大行其道。

钨的熔点为3410℃，硬度、强度及耐磨性都很高。钨虽然不溶于铜及其合金中，但Cu、Co、Ni、Fe和Si对钨的浸润性都很好。最为重要的是，钨是典型的强碳化物形成元素。

目前，行业应用中以镀钛、镀镍最为普遍。表面镀覆活性元素可以部分解决冶金结合问题，但不能解决胎体本身烧结中的低熔点金属挥发、富集，以及高熔点金属分离问题。根据钎焊原理提出的粉状形式的预合金粉末结合剂，则从两个方面解决这一难题。