1、金刚石制品中的胎体金属有哪些，物理特性如何?

胎体金属按其在结合剂中所起的作用划分为以下几类:

粘结成分:主要指Cu、Sn、Zn等熔点低、硬度低的金属。这些金属在烧结过程中较早熔融，成为液相，使结合剂具有液相烧结的一些特征，在较低的温度下发生位移、扩散、致密化、合金化等一系列物理化学变化，得到一定强度、硬度和韧性的烧结体。

【资料图】

粘结金属有必不可少的重要作用。例如，Sn、Zn虽用量很小，但作用不可低估。其成分及用量即使只有2%～5%的变化，也会对烧结工艺条件(温度、压力、时间)和烧结体性能(密度、硬度、韧度)产生显著的影响。

骨架成分:指结合剂中硬度高、熔点高(一般大于1600℃)的添加成分，最常用的，如碳化物类的WC、W₂C、TiC、TaC、NbC、VC以及硼化物、氮化物、硅化物等，它可以提高结合剂的硬度和耐磨性。在Co基、Fe基和Cu基等非钨基结合剂中，WC, W₂C和W就是骨架金属。在Cu基结合剂中，Fe、Co、Ni也起一定程度的骨架作用，通过调整这些成分，可以调节产品性能和适用范围。

强化成分:指只要少量添加即可显著提高合金强度的那些金属元素，例如，Mo、Be以及Ce等稀土元素。在Cu基结合剂中加人%左右的Be,可以提高强度和硬度3～5倍，同时塑性显著降低，这就意味着结合剂的自锐性，亦即锋利性将显著提高。

亲和成分:指能够增强结合剂对金刚石化学亲和力作用的成分。主要有两类：一类是Fe、Co、Ni等Ⅶ族过渡金属，它们在高温下是碳的溶剂，能够溶解金刚石，但不能与之形成稳定的化合物；另一类是Ti、Zr、Hf、V、Nb、 Ta、Cr、Mo、W等周期表中的IVB、VB、VIB族金属，它们与金刚石有更强的亲和力，能够在高温下与它们形成稳定的化合物。这两类金属的作用不仅在于本身对金刚石的亲和作用，还有另外一个作用是它们的加入可改善整个结合剂对金刚石的亲和性能，提高对金刚石的浸润性。

2、金刚石锯片胎体粘结剂中各元素的作用是什么?

铜的作用：在金属粘结剂金刚石工具中应用最多的金属是铜和铜基合金，其中，电解铜粉应用最多。铜和铜基合金应用如此广泛是因为铜基粘结剂有满意的综合性能：较低的烧结温度，好的成形性和可烧结性，及与其他元素的互溶性。虽然铜对金刚石几乎不润湿，可某些元素与铜的合金能使其对金刚石的润湿性得到大幅度的改善。如铜和碳化物形成元素Cr、Ti、W、V、Fe等中的一种制成铜合金，都可以大大降低铜合金对金刚石的润湿角。铜在铁中的溶解度不高，如在铁中有过量的铜，急剧降低热加工性，使材料发生龟裂，铜与镍、钴、锰、锡、锌可形成多种固溶体，使胎体金属得到强化。

锡的作用：锡是降低液态合金表面张力的元素，具有降低液态合金对金刚石润湿角的作用，是改善粘结金属对金刚石润湿的元素，可降低合金的熔点，改善压制成形性。所以Sn在粘结剂中的应用十分广泛，但因Sn的膨胀系数大，使用受到一定的限制。

锌的作用：在金刚石工具中，Zn和Sn有许多相似之处，如熔点低、变形性好，在改变对金刚石的润湿性上Zn不如Sn。金属Zn的蒸气压很高，容易气化，所以在金刚石工具粘结剂中要注意Zn的用量。

铝的作用：金属铝是性能优异的轻金属，是良好的脱氧剂。在800℃时，Al对金刚石的润湿角为75°，在1000℃时润湿角为10°。在金刚石工具的粘结剂中加人铝粉，可以在胎体合金形成碳化物相Ti₃AlC和金属间化合物TiAl。

铁的作用：铁在粘结剂中有双重作用，一是与金刚石形成渗碳体型碳化物，二是与其他元素合金化，强化胎体。铁与金刚石的润湿性好于铜和铝，铁与金刚石的附着功比钴高。Fe基合金溶解碳适量时将有利于它对金刚石的结合，Fe基合金适度刻蚀金刚石可增大结合剂与金刚石间的结合力，断口上未见金刚石光滑裸露，而是被一层合金覆盖，这就是结合力加强的表征。

钴的作用：Co和Fe同属过渡族元素，许多特点是相近的。Co在特定条件下能和金刚石形成碳化物Co₂C，同时又能以极薄的钴膜铺展在金刚石表面。这样Co既可以降低Co和金刚石的内界面张力，液相下对金刚石又有较大的附着功，所以Co是优秀的粘结材料。

镍的作用：在金刚石工具的粘结剂中，Ni是不可缺少的元素，在Cu基合金中，加入Ni可以和Cu无限互溶，可以强化胎体合金化，抑制低熔点金属流失，增加韧性和耐磨性。在Fe合金中加人Ni和Cu,可以降低烧结温度，减轻粘结金属对金刚石的热蚀，选择Fe、Ni加入量的适当搭配，可以大大提高Fe基粘结剂对金刚石的把持力。

锰的作用：锰在金属粘结剂中，与铁的作用相似，但渗透能力和脱氧能力较强，且容易氧化。一般Mn的加入量不高，主要考虑烧结合金化时，用Mn脱氧，余下的Mn可参与合金化，强化胎体。

铬的作用：金属铬是一种强碳化物形成元素，也是一种应用范围很广的元素。在金刚石槽型锯片胎体中，有足够的铬可以起到消音的作用，原因与Cr的激活能有关。在Cu基胎体中添加少量的Cr，可以降低铜基合金对金刚石的润湿角，并提高铜基合金对金刚石的粘结强度。

钛的作用：钛是易氧化、难还原的强碳化物形成元素，有氧存在时Ti优先生成TiO而不生成TiC。金属钛是良好的结构材料，具有比强大，高温度下强度降低少，耐热、耐蚀、熔点高等特性。有关研究表明，在金刚石锯片胎体中加入适量的钛，有利于提高锯片的使用寿命。

3、为什么锯片胎体要与切割石材相匹配?

锯片切割过程中的主要碎岩方式是以压裂压碎以及大体积剪崩为主，以表面研磨为辅。锯齿工作表面起切割作用的金刚石，其出刃面为挤压区，刃前为切削区，后刃面为磨削区。在高速切割下，金刚石颗粒靠胎体的支承进行工作。切割石材的过程中，一方面金刚石因摩擦产生高温而石墨化、破碎、脱落；另一方面，胎体受岩石和岩粉的摩擦、冲蚀作用而被磨损。因此，锯片与岩石的适应性问题实际上就是金刚石与胎体的磨损速度问题。正常工作的工具其特征是金刚石的损耗与胎体的磨损相匹配，使金刚石保持正常的出刃，既不过早脱落，也不使金刚石磨平打滑，保证在工作时充分发挥其磨削作用，使金刚石较多地处于微破碎磨损状态。选用金刚石的强度和耐冲击性过低则会出现“剃头”现象，工具的寿命低且钝化严重，甚至出现锯不动的情况；选用过高强度的磨粒，则磨粒切削刃较多出现磨平状态，从而锯切力增大，加工效率降低。

(1)当胎体被磨损速度大于金刚石被磨损速度时，导致金刚石出刃过大，产生过早脱落。说明锯片胎体的耐磨性过低，锯片寿命短。

(2)当胎体被磨损速度小于金刚石被磨损速度时，金刚石切刃磨损后，新的金刚石不易出露，锯齿无切刃或切刃很低，锯齿表面钝化，切割速度慢，并容易使被切割的板材掉边，影响加工质量。

(3)当胎体被磨损速度等于金刚石被磨损速度时，反映了胎体与所切割的石材相适应。

4、抗弯强度和弹性模量能衡量胎体材料的哪些性能?

抗弯强度很适于评价脆性和低塑性材料的强度指标。

通过抗弯强度可以了解金刚石胎体的致密化、合金化情况，抗弯强度的大小也反映了金属结合剂对金刚石磨粒的把持情况。

胎体的弹性模量主要反映机械把持力，也即金属结合剂对金刚石磨粒的把持力。胎体的弹性模量越高，对金刚石的把持力越高。

参考资料：

1、金刚石与金刚石工具知识问答1000例

2、郑州千磨官网

3、超硬材料综合网

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