金刚石工具中微量元素的性质及作用

金刚石工具的分类及属性Diamond Tools 金刚石工具是指用结合剂把金刚石（一般指人造金刚石）或者立方氮化硼制作成一定形状、结构、尺寸，并用于加工的工具产品。

金刚石工具如果按照用途分，可以分为金刚石磨削工具、金刚石锯切工具、金刚石刀具、金刚石钻探工具、修整工具和拉丝模等。

在上一篇《超硬磨具的分类及属性》中，这里把超硬磨具也就是金刚石磨削工具独立出来了，其余的归入本分类中。

以下是详细的分类及属性。

如图1所示，金刚石工具目前在这里被分为9个二级分类和24个三级分类。

针对产品数量众多的产品，比如金刚石锯片和，金刚石绳锯、线锯和金刚石刀具等添加了属性，对于数量少的目前只给出了商标和型号两个属性，具体如下：一、Diamond Saw Blades 金刚石锯片金刚石锯片一般是指金刚石圆锯片（Circular Saw Blades ），但金刚石带锯（Band SawBlades ）和金刚石排锯（Gang Saw Blades ）也应归属于金刚石锯片。

金刚石锯片是一种切割工具，广泛应用于石材，陶瓷等硬脆材料的加工。

金刚石锯片主要由两部分组成；基体与刀头。

基体是粘结刀头的主要支撑部分，而刀头则是在使用过程中起切割的部分。

金刚石锯片可以按照工艺分，也可按照外观或者应用分类。

在本文，这些被作为属性来定义一款金刚石锯片。

Style 外观：Continuous Rim 连续式、Contour Blade 轮廓切割、Ring Saw 环锯片、Segmented 节块式、Turbo 涡轮形、Tuck Point 开槽片、Other；Weld Type 工艺：Sintered 烧结、Brazed 焊接、Laser Brazed 激光焊接、Electroplated 电镀、Other；Diameter 直径：收集了100mm-900mm的常见金刚石锯片直径供用户选择；Sawing Condition 应用环境：Dry 干切、Wet 湿切、Wet / Dry 干湿两用；Concentration 浓度：200%、150%、125%、100%、75%、50%、25%Materials Sawed 应用材料：Asphalt 沥青、Brick 砖块、Concrete 混凝土、Granite 花岗岩、Glass 玻璃、Marble 大理石、Porcelain 瓷器、Refractory 耐火材料、Stone 石头、Slate 石板、Tile 瓷砖、Universal 通用、Other应用材料属性可以让供应商选择多个，但我们不建议每次都全选，可以根据实际情况选择，如果适用于多种材料，建议直接选择Universal 通用。

金刚石工具在光学玻璃加工中的应用随着信息产业的迅速发展光学元件广泛地应用在各种电子设备中, 对其加工的精度和质量要求越来越高,传统的加工工艺和工具很难满足其加工要求, 尤其在金刚石工具方面, 无论从其结构和内在的质量方面的要求越来越特殊化, 针对性要求越来越强。

因此在该领域对传统金刚石工具结构的改造和内在质量的提高就显得越来越重要。

该领域的金刚石工具主要包括粗加工中铣磨平面和球面的铣磨砂轮, 磨边用的磨边砂轮,精加工中的精磨片及面磨, 超精片及抛光片;另外还有下料用的锯片等。

1、光学玻璃加工用金刚石工具的主要种类铣磨砂轮光学玻璃的铣磨是粗加工的主要方式, 它分平面和球面铣磨砂轮。

平面铣磨砂轮的直径一般大于100mm, 而球面铣磨的砂轮直径一般小于100mm , 砂轮粒度一般为60#～180# , 浓度一般为50%～100%, 结合剂为青铜。

金刚石磨边砂轮金刚石磨边砂轮主要是对光学零件的外圆进行磨加工, 其几何形状和尺寸见图2和表2, 其结合剂有两种, 一种是电镀镍基结合剂, 一种为烧结青铜结合剂。

其粒度一般在230/270 -M28/20 , 浓度为电镀的100%-200%, 青铜的为50%-100%。

精磨片、超精磨片精磨片和超精磨片是对粗加工后的光学零件进行精加工, 使其在使用时充分展现它的光学性能。

精磨和超精磨有平面加工也有球面加工。

精磨片一般选用青铜、铁基、镍基或钴基结合剂, 而超精磨一般选用树脂有机结合剂。

精磨片粒度一般在325/400 ～10/5 , 浓度为100%~35%, 而超精磨片粒度一般在14/8 ～7/5范围内, 浓度为50 %～25 %。

抛光片抛光片主要是用于提高光学零件的表面光洁度,保证一定的光圈, 同时降低表面变质层的加工。

主要形状如同精磨片和超精磨片, 结合剂为树脂,磨料为氧化铈和少量的金刚石微粉。

2、光学玻璃加工中金刚石制品的合理选择光学玻璃加工中金刚石制品的合理选择主要是指根据被加工光学玻璃元器件的形状、牌号、加工质量要求和加工工艺, 对金刚石工具的形状尺寸、结合剂类型、金刚石粒度、金刚石浓度、结合剂软硬度等进行选择。

金刚石工具胎体中铁（Fe）元素的作用（1）优点铁是极廉价的元素，在金刚石工具中的用量日渐增多，铁用在金刚石工具中有如下优点：1）价格低廉；2）铁与济南市有较好的润湿性，接触角为50°，优于钴和镍；3）液相时铁与金刚石的附着功为3.4×10-7J/cm2，也优于钴和镍；4）可以形成多种碳化物，如渗碳体型（Fe3C）和ε型碳化物（Fe2C），有硼参与可形成Fe23（CB）6和Fe3（CB），有W、Mo参与时，形成M6C型碳化物（Fe3W3）C和（Fe3Mo3）C；5）与骨架材料的相容性很好，液相时与WC的接触角接近于0，对TiC的接触角也很低；6）Fe具有比Cu、Ni、Co低的线胀系数，其值为11.7×10-6/℃，更接近金刚石的线胀系数，对防止冷却裂纹的出现起一定的作用；7）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；8）对于铁基合金的性能是否能接近或达到钴基合金的性能。

（2）铁在金刚石工具中有如下不足；1）铁基胎体的变形性大于钴基胎体；2）铁基胎体的耐磨性高于钴基胎体；3）铁基胎体中的低熔点金属容易发生流失；4）铁基胎体的工具不够锋利。

（3）为了正确认识铁在金刚石工具中的作用，作如下几点说明：高温下铁对金刚石的蚀刻虑远比镍、钴都高，但是实验表明，1000℃以下烧结，金刚石只被轻度蚀刻，并不影响金刚石的强度；金刚石表面被蚀刻的碳并不以石墨形态分布在金刚石表面，而是扩散到金刚石表面的含铁金属膜中，按一定的规律分布。

使铁（钢）在高速状态下与金刚石对磨，金刚石会被眼中磨蚀加工。

利用这一特性，可以加工天然钻石。

铁基金刚石工具不锋利的原因是铁比钴耐磨，比钴变形大。

铁基结合剂金属不锋利的原因是铁比钴耐磨，比钴变形大。

铁基结合剂工具烧结流失是由于铁与铜基合金中的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。

冶金铜基金刚石工具研究进展金刚石具有极高的硬度、极强的耐磨性和优良的物理机械性能。

以金刚石颗粒为磨料，与金属胎体经过混合烧结工艺制取的金刚石工具，由于充分利用并有效发挥了金刚石本身超硬、超耐磨、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，成为加工玻璃、花岗岩、大理石等硬脆材料不可替代的新型工具。

金刚石工具的工作层部分由金刚石磨料和胎体组成。

金刚石颗粒需要胎体的镶嵌把持才能发挥作用，金刚石工具的性能常常由胎体性能的质量来决定，其工作性能的发挥与胎体的性能是密切相关的。

由于烧结 Cu 基胎体脆而不粘，对金刚石有足够的固结力和粘结力，所以 Cu 基金刚石工具锋利、韧性好; 另外 Cu 基金刚石工具具有烧结温度低、成形性能好等特点，得到广泛应用。

但相对于 Co 基胎体，Cu 基胎体也有其自身的一些弊端，如对金刚石润湿性较差，造成金刚石工具强度、硬度低; 对金刚石的把持力较低，切削时会发生金刚石脱落，使实际参与切削的金刚石数量减少，导致宏观破碎率增加，耐磨性降低［1］。

为了克服以上缺点，科研人员将很多先进技术应用到 Cu 基金刚石工具中，例如预合金化技术、稀土元素等的应用。

本文从 Cu基胎体的分类、金刚石表面金属化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、预合金化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、稀土元素在 Cu 基金刚石工具中的应用等方面，综述 Cu 基金刚石工具的研究现状。

1 Cu 基胎体的分类众所周知，纯 Cu 液态对碳是呈惰性的，在 Cu-C内界面上很难发生扩散。

在Cu 中添加少量的合金元素，目的是改善 Cu 对金刚石的润湿，即降低接触角和提高 Cu 合金对金刚石的粘结强度，以此来达到工具中金刚石不过早脱落，提高金刚石工具使用性能的目的。

所以通常采用其它合金元素与 Cu 一起作为金刚石工具的胎体材料。

根据合金元素种类的不同，Cu 基胎体可分为以下几类:1) 青铜基胎体青铜基胎体是在 Cu 中加入强化元素 Sn 或再加入其它元素，青铜基胎体在金刚石工具中应用比较普遍。

金属基金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展司卫征袁慧张凤林王成勇(广东工业大学机电工程学院广州510006)摘要本文综述了金属基金刚石工具结合剂中添加各种合金元素的研究进展。

重点阐述了骨架材料、碳化物形成元素、稀土、非金属元素等在金属结合剂的作用及其影响机理。

关键词：金刚石工具，金属结合剂，合金元素Research advances of adding alloying elements in the bondof metal matrix diamond toolsSi Weizheng Yuan Hui Zhang Fenglin Wang Chengyong(Faculty of Mechanical & Electronic Engineering, Guangdong University ofTechnology, Guangzhou 510006, China)Abstract：In this paper the advances of several kinds of alloying elements added in the bond of metal matrix diamond tools are summarized. The effect and working mechanism of skeleton material, carbide-forming elements, rare-earth and non-metallic elements in the bond are discussed. Keywords: diamond tools, metal bond, alloying elements1.引言金刚石由于其极高的硬度被广泛应用于地质勘探和脆硬材料的切割、磨削及抛光等领域。

在最常用的金属基金刚石工具中，金刚石是切削元件，金属胎体用来固结切削元件，并使之有适当的出刃。