金剛石由于其極高的硬度被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和脆硬材料的切割、磨削及拋光等領(lǐng)域。在最常用的金屬基金剛石工具中，金剛石是切削元件，金屬胎體用來固結(jié)切削元件，并使之有適當(dāng)?shù)某鋈小Ｒ蚨蠼饎偸ぞ咛ンw既要能牢固粘結(jié)金剛石又要與其磨損“匹配”。而胎體的性能主要取決于胎體材料的成分及其微觀結(jié)構(gòu)。

　　在保證燒結(jié)質(zhì)量的前提下，添加不同的合金元素可以提高胎體的力學(xué)性能以及改善結(jié)合劑和金剛石界面結(jié)合狀況。本文對(duì)組成金屬結(jié)合劑胎體中添加的骨架材料、強(qiáng)碳化物形成元素、稀土元素以及非金屬元素等的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

　　骨架材料一般是具有高熔點(diǎn)、高硬度的粉末材料，如WC、W₂C、TiC等，也有用難熔金屬W和Mo代替WC等使用。骨架材料加入的主要目的是提高工具胎體的硬度和耐磨性，也有些可以起到提高韌性的作用。在胎體合金中摻入少量TaC、NbC能阻礙碳化物相的再結(jié)晶，細(xì)化合金晶粒，提高合金的硬度和抗彎強(qiáng)度等性能。SiC也可作為一種骨架材料加入到胎體材料中。比如在Fe–Cu 合金中加入1 wt% SiC，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后（1150℃），可以使胎體硬度提高14%。

　　骨架材料的粒度也會(huì)對(duì)工具性能有較大的影響。研究表明添加細(xì)粒度的WC對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有著釘扎作用，從而提高胎體的強(qiáng)度和硬度。在Sn-Ni-Co-Cu合金金剛石結(jié)塊配方中添加超細(xì)WC粉末能改善結(jié)塊的微觀結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，提高胎體對(duì)金剛石的結(jié)合強(qiáng)度。而納米尺度的WC作為骨架材料加入到金剛石工具胎體中，可以明顯改善胎體的力學(xué)性能。本課題組也正在從事這方面的研究工作。

　　具有共價(jià)鍵的金剛石和多數(shù)金屬合金之間有很高的界面能，一般金屬與金剛石之間不發(fā)生界面反應(yīng)，以機(jī)械鑲嵌為主，胎體對(duì)金剛石沒有足夠的把持力。而向胎體中添加一些碳化物形成元素，則可以改善胎體對(duì)金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，提高胎體對(duì)金剛石的把持力。

　　目前，胎體中添加的碳化物形成元素主要包括Ti、Cr、V 、W、Zr及其合金等。Mortimer研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr、V的含量超過0.1 at.% 或Ti的含量超過10 at.%時(shí)，Cr 、V或Ti的二元合金都能潤濕并粘結(jié)金剛石，形成的碳化物層厚度隨添加元素的濃度和反應(yīng)時(shí)間的增加而變厚。在常溫下金剛石與胎體的結(jié)合強(qiáng)度隨著碳化物形成元素濃度的增加而增加，在某一濃度達(dá)到最大值，隨后降低。文獻(xiàn)指出當(dāng)Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1 at.%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)一峰值，高達(dá)35kg/mm²。Ti濃度在0.07 at.%左右時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，約在40kg/mm²以上。當(dāng)合金中含V量達(dá)到0.01 at.%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值高達(dá)65kg/mm²，再提高V的含量，粘結(jié)強(qiáng)度下降，當(dāng)V含量增加至10 at.%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度下降至15kg/mm²。文獻(xiàn)指出當(dāng)鈷基金剛石胎體材料中Cr含量從0增加到4 wt.%時(shí)，胎體抗彎強(qiáng)度從801MPa增加到923.1MPa,提高了15%；在Co-Cu基胎體中，復(fù)合添加Al+Ti的效果優(yōu)于Cr、TiH₂。

　　為了揭示碳化物形成元素在金剛石工具中的作用機(jī)理，國內(nèi)外不少學(xué)者采用各種分析方法對(duì)結(jié)合劑與金剛石復(fù)合材料在熱壓時(shí)界面反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)和分布進(jìn)行了分析。一般認(rèn)為碳化物形成元素在結(jié)合劑中的作用機(jī)理是：在低熔點(diǎn)金屬中加少量的強(qiáng)碳化物形成元素，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢c金剛石發(fā)生反應(yīng)：C+Me→MeC，在金剛石表面形成一層十分穩(wěn)定的界面反應(yīng)層，從而提高胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度。

　　比如文獻(xiàn)指出在金剛石工具胎體中加入ZrH₂、Zr₃N₂、TiH₂以及Ti₃N₂可在金剛石與胎體金屬界面處生成了一薄層金屬碳化物ZrC和TiC，使金剛石在胎體中由機(jī)械包鑲變成化學(xué)冶金結(jié)合。文獻(xiàn)通過對(duì)Cu-Ti合金與金剛石（或石墨）界面的微區(qū)組織分析，得到Cu-Ti合金中的Ti原子與金剛石（石墨）的表面的碳原子在高溫下反應(yīng)生成穩(wěn)定的、斷續(xù)的TiC膜。且認(rèn)為Cu-Ti合金對(duì)金剛石的浸潤和粘結(jié)是通過TiC實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)在鐵基胎體材料中添加一定量鈦，鈦以碳化鈦反應(yīng)產(chǎn)物的形式隨著熱壓溫度的提高而富集在粉末顆粒與金剛石的表面，提高了胎體材料對(duì)金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度。含Cr的Co基和Cu基胎體在熱壓時(shí)，Cr富集于金剛石表面并與金剛石反應(yīng)，經(jīng)X衍射分析發(fā)現(xiàn)在金剛石表面生成了Cr₇C₃和Cr₃C₂的碳化物層，實(shí)現(xiàn)了金剛石表面金屬化，從而改善了胎體材料對(duì)金剛石的潤濕性能，提高了胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度。

　　此外，碳化物形成元素對(duì)胎體也存著固溶強(qiáng)化的作用。文獻(xiàn)通過對(duì)Cr在常用胎體材料中的擴(kuò)散反應(yīng)及Cr對(duì)胎體材料粘結(jié)金剛石的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：在820℃短時(shí)熱壓條件下，Cr在鈷-青銅系和Fe-青銅系胎體材料中分別形成了8~20mm和4~10mm厚的擴(kuò)散層；成分分析表明Cr在A-Fe、C-Co和A-Cu中的溶解度依次減少；Cr顯著強(qiáng)化了胎體材料。另外文獻(xiàn)也有類似的結(jié)果。

　　金屬基金剛石工具結(jié)合劑中添加少量稀土元素可以細(xì)化胎體晶粒、凈化金剛石與胎體界面，從而改善結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)。我國稀土資源豐富、價(jià)格低廉，常用稀土元素包括La、Ce、Nd及其化合物。研究發(fā)現(xiàn)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(jié)合力、胎體的機(jī)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(duì)工具的耐磨性影響不大；添加稀土LaNi₅合金粉末，可顯著提高胎體的抗彎強(qiáng)度和金剛石的出刃高度。當(dāng)La含量達(dá)0.75 wt.%時(shí)，含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度提高39.8%，磨損后金剛石在胎體中的出露高度提高30%。在鐵基中加入0.8 wt.%的La和Nd，金剛石結(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性分別提高了19.7%和23%。

　　胎體的種類不同和稀土元素的加入形式不同，其作用效果有較明顯的差別。文獻(xiàn)研究表明在銅基金屬胎體中加入稀土La的不同形式化合物比如LaNi₅、La₂O₃、La(NO₃)₃，發(fā)現(xiàn)適量的LaNi₅可顯著提高胎體的抗彎強(qiáng)度及胎體和金剛石粘結(jié)性能，La₂O₃對(duì)其影響不大，La(NO₃)₃使胎體的抗彎強(qiáng)度及胎體和金剛石粘結(jié)性能顯著降低。文獻(xiàn)指出在鐵基胎體中分別加入富Ce混合稀土粉末、稀土中間合金LaNi₅ 和CeO₂，對(duì)胎體力學(xué)性能的影響沒有多大的區(qū)別。

　　稀土元素在金屬胎體中作用機(jī)理可歸結(jié)為如下：a）稀土元素可以與胎體中的氧、硫、氮等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，抑制氧硫氮的偏析，改善夾雜物分布狀態(tài)，凈化胎體材料與金剛石結(jié)合界面，促進(jìn)胎體中碳化物形成元素與金剛石之間的反應(yīng)，改善金屬胎體和金剛石的粘結(jié)狀況；b）稀土元素可以細(xì)化晶粒，提高胎體的力學(xué)性能等；c）稀土元素可在燒結(jié)過程化中還原金屬表面氧化物，降低氧化膜對(duì)原子擴(kuò)散的障礙，促進(jìn)燒結(jié)過程，起到活化燒結(jié)和類似預(yù)氧化燒結(jié)的作用。上述關(guān)于稀土在金剛石工具中的作用機(jī)理，有些還沒有得到較好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在金剛石工具設(shè)計(jì)應(yīng)用中缺乏足夠的依據(jù)，限制了稀土在金剛石工具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用和推廣。隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)在檢測技術(shù)的進(jìn)步，稀土在金剛石工具領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步拓寬。

　　微量非金屬元素Si、B、P、石墨粉、玻璃粉等的加入，可以改善胎體材料的性能。Si與金剛石的膨脹系數(shù)接近，冷熱變化時(shí)體積效應(yīng)小，且Si有較強(qiáng)的脫氧能力等作用。B可以提高胎體的耐磨性、減小胎體變形、提高胎體對(duì)金剛石的結(jié)合強(qiáng)度等。在銅基胎體中加入適量的P和Si均能降低Cu合金的熔點(diǎn)，使銅合金能在較低的溫度下浸潤金剛石。研究表明在鈷基胎體中添加Si（<2 wt.%）可以提高胎體的耐磨性，增強(qiáng)了胎體材料對(duì)金剛石的把持力。在鐵基胎體中添加適量的P，胎體合金的燒結(jié)溫度可降低到840~800℃，減小了鐵對(duì)金剛石的熱侵蝕作用，改善了胎體合金的顯微組織和力學(xué)性能，提高了胎體對(duì)金剛石的包鑲能力以及工具的自銳性。在銅基胎體材料中添加石墨粉和玻璃粉，可有效降低胎體材料的耐磨損性能，提高金剛石工具切割速度以及金剛石的出刃高度。當(dāng)石墨和玻璃粉添加量為3 wt.%時(shí)，胎體的綜合性能最好。

　　金屬基金剛石工具結(jié)合劑中添加元素的種類較多，由于研究者采用的試驗(yàn)方法和手段不同，選擇的結(jié)合劑的種類和燒結(jié)工藝不同，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。某些添加元素的作用機(jī)理還沒有得到充分的驗(yàn)證，有待于進(jìn)一步的研究。納米材料（如納米WC、納米稀土等）在金屬基金剛石工具中的應(yīng)用具有廣泛前景，還需要進(jìn)一步研究。