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石墨表面镀镍对金刚石钻头胎体性能的影响谢兰兰;潘秉锁;段隆臣【摘要】为了解石墨表面镀镍对金刚石钻头胎体性能的影响，采用热压烧结法制备了镀镍石墨/胎体复合材料，用扫描电镜观察石墨镀镍前后与胎体之间界面结合状态的变化，并研究了石墨表面镀镍对复合材料的抗弯强度、洛氏硬度以及在无冷却液的条件下与花岗岩对磨时的摩擦系数和磨损量的影响。
结果表明：石墨表面镀镍之后，石墨与胎体之间的结合强度大幅度提高；提高了复合材料的整体性能，以及抗弯强度和硬度；增大了摩擦副的摩擦系数，且增大了胎体的磨损量。
石墨表面镀镍提高了石墨/胎体复合材料的物理力学性能，但是降低了其干摩擦性能。
%To find out the influence of electroplating nickel on the graphite surface on the properties of diamond bit matrix,the Ni-coated graphite / matrix composite material is prepared by the hot-press method.Then,the change of the interface between the graphite and the matrix is observed by the scanning electron microscope before and after electroplating nickel on the graphite.And the influence of electroplating nickel on the graphite surface on the bending strength and Rockwell hardness of the composite materials are studied.Besides,the influence of electroplating nickel on the graphite surface on the friction coefficient and friction loss of the composite materials while rubbing against granite without coolant is studied.The results show that after electroplating nickel on the graphite,the bending strength between the graphite and the matrix is improved greatly,and the whole performance of the composite materials also improved.As a result,the bending strength and the Rockwell hardnessof the composite materials are improved,but the friction coefficient of the friction pair and the friction loss of the composite materials are improved.These show that to electroplate nickel on graphite improves the physical and mechanical properties of the Ni-coated graphite/matrix composite material and decreases its dry friction and friction behavior.【期刊名称】《成都理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P499-504)【关键词】镀镍石墨;钻头胎体;抗弯强度;洛氏硬度;干摩擦【作者】谢兰兰;潘秉锁;段隆臣【作者单位】地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都理工大学，成都610059;中国地质大学工程学院，武汉 430074;中国地质大学工程学院，武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P634.41金刚石热损伤是金刚石钻头磨损形式中最常见的一种。
金刚石工具中用常见的粉料及特点金刚石工具的原材料，除金刚石之外，其它主要为粉末，这些粉末可以是金属、非金属，也可以是合金、化合物。
金刚石工具采用的粉末，不仅仅对化学成分有一定的要求，而且对粉末颗粒的大小、形状、松装比重、压制性、烧结性等也有不同的要求,这取决于金刚石工具的用途、品种、生产工艺等因素。
1常见的金属粉料及特点（A）铜粉：电解法制取，颗粒形态为树枝状，玫瑰红色，氧化后颜色发暗，严重时变成黑色粉末。
作为结合剂材料，铜粉的主要优点有：电解铜粉成型性好，广泛用于冷压成型后烧结；纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好，如W、WC；铜可与Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成性能优异的合金，价格远低于钴粉。
（B）铁粉：有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉，顾名思义还原铁粉用还原法制取，电解铁粉电解法制取，羰基铁粉通过热离解羰基化合物制取。
作为结合剂材料，铁粉的优点有：价格低，与金刚石有好的润湿性；与骨架材料（WC）的相容性很好；一定温度烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度，反而会提高金刚石在胎体中的把持力。
刻蚀作用实质是金刚石中的碳原子溶入铁中并向其中扩散的过程，金刚石未发生结构及强度变化。
（C）钴粉：不规则海绵状，还原法制取，作为粘结剂，其综合性能最好。
是一种优异的粘结剂材料，国外发达国家用的较多，其主要优点有：优良的成型性和可烧结性；可使胎体的抗弯强度提高；和金刚石的粘结力大，润湿性好；胎体的韧性好、自锐性好。
由于价格昂贵，国内以铁代钴的研究很多，选择合适的粉末、合理的烧结工艺可获得钴基粘结剂相似的性能。
钴的缺点是：价格昂贵；松装密度太小，易造成投料困难。
另外使压制磨具设计宽度和高度变大，手装料热压模具高度加大，从而使模具成本提高。
（D）镍粉：不规则树枝状，电解法制取。
优点：适于制作重载荷下作用的工具，具有出色的强韧性；可以减少铁铜基胎体的烧结损失（铜镍无限互溶）；镍与铁、钴搭配可以得到另人满意的综合性能，如小的变形和适度耐磨性。
金刚石工具中微量元素的性质及作用1钴粉灰色不规则状粉末密度8.9优点（1）钴的抗弯强度高，也可以提高铜基胎体和铁基胎体的抗弯强度。
（2）钴具有易磨损性，能大幅提高综合切割性能。
（3）钴对碳材料和骨架材料都具有较低的接触角和较大的附着功，与金刚石有较大的亲和力。
（4）钴和钴基胎体的变形性小，可以提高切割磨削加工质量。
（5）还原钴粉的烧结性和成形性较好，适于激光焊接。
（6）钴具有易磨损性和小的变形性，纯钴和钴基工具更具有广谱性。
不足（1）价格昂贵。
（2）松比太小，必须制粒。
2 钨粉银灰色粉末密度19.3优点（1）与铁、铜、钴、镍都有较好的相容性。
（2）钨在金刚石表面可以和金刚石发生碳化反应，条件并不苛刻，750度以上就有碳化物生成。
（3）增加胎体耐磨性，减小变形性。
不足（1）烧结体的孔隙度大。
（2）要达到设计的密度必须加大能耗，即提高温度及压力。
3 锰粉银白色密度7.43优点（1）有明显的脱氧作用，特别是与硅、铝同时存在时，脱氧能力急剧增强。
（2）与铜具有很好的相容性。
（3）高锰合金的耐磨性强，适于重负荷、冲击负荷下工作的工具。
不足（1）粉末氧化无法还原。
（2）高温时，使金刚石严重石墨化。
4 铬粉银白色密度7.19优点（1）极少量的铬就可以大大改善铜对金刚石的润湿。
（2）提高胎体的抗弯强度。
（3）能提高结合剂和金刚石的粘结强度。
（4）由于铬的激活能较高，使钢铁有极好的消音作用，适于在锯片基体中加入，大量加入可以降低变型性。
不足价格高。
5 钛粉银灰色不规则状粉末密度4.51优点（1）降低接触角，改善胎体与金刚石的粘结强度。
（2）适量加入可以提高胎体的耐磨性。
不足（1）与氧亲和力大，粉末氧化无法用氢气还原。
（2）含量高时模具消耗大。
6 稀土元素（La Ce）优点（1）降低胎体的耐磨性，有利于锋利度。
（2）提高胎体的抗弯强度。
（3）降低合金熔点。
（4）具有脱氧、脱硫、脱氮、脱氢的作用，并防止其偏析。
不足（1）易氧化，保存困难。
金刚石熔点和石墨熔点金刚石和石墨是两种具有截然不同性质的碳同素异形体。
金刚石是一种极硬的材料，被广泛用于工业领域；而石墨则是一种柔软的物质，常用于铅笔芯和润滑剂等方面。
这两种物质的熔点也有显著的差异。
让我们来了解一下金刚石的熔点。
金刚石是一种由碳原子构成的晶体，具有非常高的熔点。
金刚石的熔点约为3550摄氏度，这是由于金刚石结构的稳定性和碳原子之间的强烈化学键。
金刚石的晶格结构非常稳定，由每个碳原子与四个相邻碳原子形成的共价键组成。
这种结构使得金刚石非常坚硬和耐磨。
由于其高熔点和优异的物理性质，金刚石被广泛用于工具刀片、磨料和高温高压实验等领域。
相比之下，石墨的熔点要低得多。
石墨的熔点约为3652摄氏度，比金刚石稍高一点。
石墨是由碳原子构成的层状结构，每个碳原子与三个相邻碳原子形成共价键。
这种层状结构使得石墨具有良好的导电性和润滑性。
石墨的层状结构中的碳原子之间存在着相互吸引力，但层与层之间的吸引力较弱。
因此，在加热时，石墨层之间的相互作用会减弱，导致石墨分子间的结构发生破坏，最终熔化为液体。
金刚石和石墨的熔点差异主要归因于它们的晶格结构和化学键的性质。
金刚石的晶格结构非常稳定，碳原子之间的共价键非常牢固，因此需要更高的温度才能破坏这种结构。
而石墨的层状结构相对来说较为松散，层与层之间的相互作用较弱，因此在较低温度下就能够熔化。
金刚石和石墨的熔点还受到其他因素的影响，如外界压力和杂质的存在。
在高压条件下，金刚石的熔点会显著增加，因为高压可以增加晶体结构的稳定性。
而石墨的熔点在高压下也会有所升高，但相对来说变化不大。
另外，杂质的存在也会对金刚石和石墨的熔点产生一定影响，不同杂质的加入可能会改变晶体的结构和化学键的性质，从而影响其熔点。
金刚石和石墨的熔点差异主要由其晶格结构和化学键的性质决定。
金刚石具有非常高的熔点，而石墨的熔点相对较低。
这种差异使得金刚石和石墨在工业和科学研究中具有不同的应用价值。
坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化王佳亮;张绍和【摘要】On account of the phenomenon thatthe drilling footage is low when diamond bit is used to drill hard compact abrasive rocks, SiC particles are added into matrix as abrasion-weakening particles. By using lab drilling and orthogonal test, the performance of bit was optimized in the aspects of diamond size, concentration of abra-sion-weakening particles, hardness of matrix. The influence of drilling technological parameters on drilling effi-ciency was discussed. Theresults showed that adding abrasion-weakening particles with proper texture into bit matrix can enhance drilling efficiency and avoid bit slipping; the optimal designing scheme of the test was hardness HRC 25, diamond particle size 40/50 mesh, diamond concentration 55%, abrasion-weakening particle concentra-tion 30%; at the same spindle speed, axial compressive force should not exceed 3.5 MPa. Under the same axial compressive force, the apropriate spindle speed isd is 750 to 850 r/min.%基于金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进时易出现进尺效率低的现象，将 SiC 磨粒作为胎体耐磨损性弱化颗粒添加至胎体中，采用室内钻进及正交试验设计法从金刚石粒度、金刚石浓度、胎体耐磨损性弱化颗粒浓度、胎体硬度4方面对钻头性能进行优化，并探讨了钻进工艺参数对钻进效率的影响。
金刚石工具中用常见的粉料及特点金刚石工具的原材料，除金刚石之外，其它主要为粉末，这些粉末可以是金属、非金属，也可以是合金、化合物。
金刚石工具采用的粉末，不仅仅对化学成分有一定的要求，而且对粉末颗粒的大小、形状、松装比重、压制性、烧结性等也有不同的要求,这取决于金刚石工具的用途、品种、生产工艺等因素。
1常见的金属粉料及特点（A）铜粉：电解法制取，颗粒形态为树枝状，玫瑰红色，氧化后颜色发暗，严重时变成黑色粉末。
作为结合剂材料，铜粉的主要优点有：电解铜粉成型性好，广泛用于冷压成型后烧结；纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好，如W、WC；铜可与Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成性能优异的合金，价格远低于钴粉。
（B）铁粉：有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉，顾名思义还原铁粉用还原法制取，电解铁粉电解法制取，羰基铁粉通过热离解羰基化合物制取。
作为结合剂材料，铁粉的优点有：价格低，与金刚石有好的润湿性；与骨架材料（WC）的相容性很好；一定温度烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度，反而会提高金刚石在胎体中的把持力。
刻蚀作用实质是金刚石中的碳原子溶入铁中并向其中扩散的过程，金刚石未发生结构及强度变化。
（C）钴粉：不规则海绵状，还原法制取，作为粘结剂，其综合性能最好。
是一种优异的粘结剂材料，国外发达国家用的较多，其主要优点有：优良的成型性和可烧结性；可使胎体的抗弯强度提高；和金刚石的粘结力大，润湿性好；胎体的韧性好、自锐性好。
由于价格昂贵，国内以铁代钴的研究很多，选择合适的粉末、合理的烧结工艺可获得钴基粘结剂相似的性能。
钴的缺点是：价格昂贵；松装密度太小，易造成投料困难。
另外使压制磨具设计宽度和高度变大，手装料热压模具高度加大，从而使模具成本提高。
（D）镍粉：不规则树枝状，电解法制取。
优点：适于制作重载荷下作用的工具，具有出色的强韧性；可以减少铁铜基胎体的烧结损失（铜镍无限互溶）；镍与铁、钴搭配可以得到另人满意的综合性能，如小的变形和适度耐磨性。
石墨对金刚石工具胎体性能的影响
刘英凯赵振艳林强姚俊青李顺卿
（河北省金刚石工具工程技术研究中心050035石家庄）
摘要：本文对石墨在金刚石工具中的应用进行了研究。
探讨了石墨加入量、石墨粒度及石墨类型对金刚石工具胎体性能的影响。
结果表明：随着石墨加入量的增加，胎体的孔隙率逐渐增高，致密度降低；加入鳞片石墨的胎体致密度要高于加入颗粒石墨的胎体。
不加石墨的胎体抗弯强度为800MPa，随着石墨加入量的增加，胎体抗弯强度逐渐降低，当-325目颗粒石墨加入量达到2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa，降低了40%。
在加入量一定的情况下，200目以粗颗粒石墨对胎体抗弯强度的影响要高于相同粒度的鳞片石墨和-325目颗粒石墨。
关键词：石墨胎体性能孔隙率抗弯强度
1 前言
金刚石工具被广泛的应用于土木工程、石材加工、交通工业、地质勘探与国防工业等领域[1]。
随着金刚石工具使用的普及，其价格一跌再跌，相关企业面临着巨大的成本压力。
因此国内外本行业的研究人员进行了大量的试验研究，开发出了价格相对低廉的Fe基、Cu基胎体，替代传统的Co基、Ni基胎体。
同时随着经济的飞速发展，社会的人工成本逐渐增加，终端使用者要求金刚石工具具有更高的使用效率。
因此，目前金刚石工具行业的开发方向是应用Fe、Cu基胎体开发高性能金刚石工具。
在胎体中加入添加剂元素是改善胎体性能的有效方法，石墨作为一种胎体弱化元素被行业内的研究人员所关注[2-4]。
本文将石墨作为添加剂元素加入Fe、Cu 基胎体中，重点考察了石墨粒度、石墨含量和石墨种类对金刚石工具胎体性能的影响。
2 试验方法及试验设备
2.1 试验原料
制备胎体的原材料金属粉末有：羰基铁粉、电解铜粉、钴粉、镍粉和锡粉，粒度均为-200目，纯度≥99.2%。
石墨粉末：颗粒石墨，含碳量99%以上，过筛后分为200目以粗和-325目两个粒度组成；鳞片石墨，产地山东青岛，纯度99%，呈扁平状，如图1所示，直径在80μm-200μm之间，厚度20μm左右。
图1 鳞片石墨
2.2 试验设备
试验中用到的设备有：Dr.fritsch DSP475真空烧结炉， LDW-100电子拉力试验机，sartorius MSE224S 型电子分析天平，VEGA3 LMH 型扫描电镜。
2.3试验方法
制备胎体的配方组成如表1所示。
表1 胎体配方组成表
元素种类 羰基Fe Cu Sn Ni
质量分数（Wt%）
40%-50% 40%-50% 1%-7% 5%-15%
对该配方胎体进行烧结，并测试其胎体性能，同时分别在胎体中加入0.5%、1%，1.5%、2%和2.5%的200目以粗颗粒石墨、-325目颗粒石墨和鳞片石墨，考察石墨加入量、粒度和种类对胎体性能的影响。
采用真空热压炉烧结制备刀头试样，制备工艺为烧结温度830℃，压力为30MPa ，保温时间为30min 。
制备30mm*12mm*6mm 的试样，采用三点弯曲法在抗弯试验机上进行抗弯强度试验，测量试样的表观密度并应用公式1计算孔隙率，同时应用扫描电镜进行断口微观分析。
%10010⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=ρρP （1） P ——材料孔隙率，％；
ρ0——试样表观密度，g/cm 3； ρ——试样理论密度，g/cm 3。
3 试验结果与讨论 3.1加入石墨对胎体机械性能的影响 图2为加入石墨后胎体孔隙率的变化，从图中可以看出，随着石墨加入量的增大，胎体孔隙率逐渐升高。
其中加入鳞片石墨胎体的孔隙率远低于加入颗粒石 墨的胎体，加入200目以粗颗粒石墨胎体的孔隙率要低于加入-325目颗粒石墨胎体的孔隙率。
这是因为鳞片石墨具有不规则层状结构，层内原子间结合较强，层间结合则弱，层间相对位移的切向应力不大，容易滑移，易于烧结成型[5]。
且鳞片石墨外表相对光滑，易于和胎体紧密接触，界面孔隙较少，因此烧结体具有较低的孔隙率。
颗粒石墨为近似海绵状颗粒，外表粗糙，成型阻力较大，影响烧结胎体的致密度。
且由于颗粒石墨表面高低不平，具有大量孔洞，在与金属基体结合时，界面处会有大量的孔隙存在，石墨颗粒越细比表面积越大，因此加入-325目颗粒石墨胎体的孔隙率要高于加入200目以粗颗粒石墨胎体。
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.61.71.81.9
2.02.12.22.32.42.52.6孔隙率（%）石墨加入量（Wt%）
-325目颗粒石墨 200目以粗颗粒石墨 鳞片石墨
图2 加入石墨对胎体孔隙率的影响
图3为加入石墨对胎体抗弯强度的影响，从图中可以看出，加入石墨后胎体抗弯强度逐渐降低。
石墨对胎体的弱化效果很明显，试验表明不加石墨的胎体抗弯强度为800MPa ，当-325目颗粒石墨加入量达到 2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa ，降低了40%。
由于石墨与金属的润湿性很差，因此石墨与金属基体的结合处存在着大量的缺陷，导致产生了应力集中[6]，使胎体的脆性增加。
在三种加入石墨的胎体中，加入粗颗粒石墨胎体抗弯强度最低。
粗粒度石墨颗粒与金属基体结合处的缺陷集中要远高于鳞片石墨和细颗粒石墨，因此更容易产生裂纹并造成裂纹的扩展，对胎体的抗弯强度影响更为明显。
图3 加入石墨对胎体抗弯强度的影响
3.2 加入石墨后胎体断口形貌分析
图4为加入不同量-325目颗粒石墨胎体断口的SEM 照片，从图中可以看出，随着加入石墨量的增加胎体致密度逐渐变差，孔洞增多。
石墨颗粒的弥散分布阻碍了金属元素的烧结扩散，随着石墨含量的增高，石墨间会团聚、搭桥，对胎体烧结成型的阻碍作用越来越明显；同时石墨与金属基体间存在着大量缺陷，随着石墨量的增加，胎体中的缺陷也会越来越多。
（a ） （b ） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
400450500
550600650
700750800
抗弯强度（M P a ）
石墨含量（Wt%） -325目颗粒石墨 200目以粗颗粒石墨 鳞片石墨
（c）（d）
（a）C含量0.5%;（b）C含量1%;（c）C含量1.5;（d）C含量2.5%
图4 加入-325目颗粒石墨胎体断口表面SEM形貌图5为加入鳞片石墨的胎体SEM断口形貌，图6为加入200目以粗颗粒石墨的胎体SEM断口形貌。
从图中可以看出，鳞片石墨在胎体中的分布有一定的方向性，且较为均匀。
在胎体的加压烧结过程中，胎体会发生高温压缩变形，石墨颗粒为了适应金属基体的塑性流动而发生偏转。
由于鳞片石墨呈扁平状，易于随着金属的塑性流动产生偏转和位移，在胎体内发生定向分布，且分布较为均匀。
颗粒石墨的形状不规则，烧结过程中较难发生偏转和移动，颗粒和颗粒之间容易产生搭桥现象，引发应力集中，产生裂纹扩展，石墨颗粒越粗，这一现象越明显，如图6所示。
图5加入鳞片石墨胎体SEM断口形貌图6加入200目以粗颗粒石墨胎体
SEM断口形貌
4结论
1）随着石墨加入量的增加，胎体的孔隙率逐渐增高，致密度降低；加入鳞片石墨胎体的致密度要高于加入颗粒石墨胎体。
2）随着石墨加入量的增加，胎体中的缺陷数量会增多，胎体的脆性增加，抗弯强度降低。
试验表明不加石墨胎体的抗弯强度为800MPa，当-325目颗粒石墨加入量达到2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa，降低了40%。
3）在石墨加入量一定的情况下，粗粒度的颗粒石墨对胎体抗弯强度的影响要高于相同粒度的鳞片石墨和细粒度的颗粒石墨。
参考文献
[1] 王明智.金刚石工具制造技术的发展与热点问题[J].超硬材料工程.2011,23
（5）：37-41
[2] 宋月清，刘一波等. 人造金刚石工具手册[M].北京：冶金工业出版社，2014
[3] 江斌、孟凡爱、刘英凯、祁勇，整体弱化结合局部强化工艺在金刚石圆锯片胎体开发中的应用研究[J].2009中国超硬材料技术发展论坛论文集 ,202-203 [4] 孙毓超，宋月清，等.金刚石工具制造理论与实践[M].郑州大学出版社，2005,5:10-13
[5] 孙杏囡,谈萍.影响铜-石墨材料密度的工艺因素[J].材料工程,1999，(9):3-5
[6] 浩宏奇,丁华东.工艺因素对铜石墨烧结材料性能的影响[J].西安交通大学学报,1997，(3):120-122。
