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摘要　金属基金刚石工具结合剂中添加少量稀土元素可以细化胎体晶粒，净化金刚石与胎体界面，从而改善结合剂与金刚石的界面结合状态。本研究通过在不同类别金刚石节块中添加或不添加稀土元素，观察其力学性能的变化，并进行比较分析，探讨稀土元素对不同类别金刚石节块力学性能的影响机制。实验结果表明稀土元素对不同类别金刚石节块抗弯强度的影响较为显著，同时，在铜基中加入稀土元素，可以加强金刚石与周围胎体的结合状况，提高胎体对金刚石的把持力。研究成果将有利于促进和推广稀土在金刚石工具制造领域中的应用。

关键词　　稀土；金刚石节块；力学性能

　　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。金属结合剂金刚石工具在石材、混凝土切割中有着广泛的应用。金属结合剂金刚石工具包括磨粒及金属胎体两部分，金属胎体用来固结金刚石磨粒，并使之有适当的出刃。实际加工中，要求金刚石工具胎体既要能牢固把持金刚石又要与其“匹配”磨损。而胎体的性能主要取决于胎体材料的成分及其微观结构^[1]。因此不少学者都致力于改进胎体的性能，添加少量稀土元素就是其中一种依法。在金属结合剂中添加少量稀土元素可以细化胎体晶粒，净化金刚石与胎体界面，从而改善结合剂与金刚石的界面结合状态。孙毓超研究发现，在铜基胎体中加入稀土元素La、Ce可以提高金刚石和胎体的结合力、胎体的机械性能、金刚石的出刃高度以及改善金刚石工具的自锐性等作用，且对工具的耐磨性影响不大^[2]。宋月清等学者在研究稀土元素镧对金刚石工具胎体作用的影响机理过程中发现添加稀土LaNi₅合金粉末，可显著提高胎体的抗弯强度和金刚石出刃高度。当La含量达0.75%（质量分数）时，金刚石胎体的抗弯强度提高39.8%，磨损后金刚石在胎体中的出露高度提高30%^[3]。吴贻琨等学者在铁基胎体中加入0.8%（质量分数）的La 和Nd，金刚石切块的抗弯强度和冲击韧性分别提高了19.7%和23%^[4]。

　　从上述研究成果中可见，金属结合剂的种类不同以及稀土元素的加入形式不同，其效果有明显的差别。本文将通过在不同类别金刚石节块中添加或不添加稀土元素，观察其力学性能的变化，并进行比较分析，探讨稀土元素对不同类别金刚石节块力学性能的影响机制，以促进和推广稀土在金刚石工具制造领域中的应用。

1         实验方法

1.1       实验材料及其制备

　　实验所用的节块是在SJJ-H型自动热压机上压制烧结而成的，尺寸均为55mm×10mm×10mm，金刚石浓度为35%，烧结压力均为80KN，烧结时间为3.5min，保温时间为2.5min。节块的金属胎体主要由铜、锡、镍、铁、稀土等金属粉末组成，通过调整各组分的含量，结合不同粒度的金刚石磨料来配制实验所需的金刚石节块。金属胎体的配方及烧结工艺如表1所示。

1.2      节块性能分析

　　试样制出后，将其毛刺去除干净，上下两个面打磨光整后，使用数显洛氏硬度计（HRS-150）在每一个试样上测量不同位置的硬度，每个试样测量四次，取每一个试样的平均硬度值，最后求得每一种节块的平均洛氏硬度值。在万能材料实验机Instron5569上做三点抗弯试验，测量节块的抗弯强度。实验最大载荷为50kN，室温为23℃，试样跨距为35mm。

1.3      断面特征分析

　　采用S-3500N型扫描电子显微镜，7021型X射线能谱仪，观察不同各类节块横断面的显微组织及表面形貌，并对个别微分区域进行能谱分析，统计节块弯曲断裂后，横断面中完整、破碎和脱落金刚石的数目，根据实验结果分析研究结合剂成分对节块力学性能的影响。

2         实验结果分析

2.1      抗弯强度分析

　　选取代号为1、2、3、4、6、7的金刚石节块作为数据分析对象，分别对应3类不同结合剂及分别加入稀土元素后的结合剂。抗弯强度和硬度值数据见表2。

　　从图1和图2分析可知，在同等实验条件下，对含有TiH2的铜基节块（1号和2号）添加稀土元素后，抗弯强度从381.02Mpa 增加至392.40Mpa，硬度值从74.125HRB增加78.475HRB，节块抗弯强度和硬度值均得到一定程度的提升。在3号、4号、6号、7号四种铁基节块中，添加稀土元素反而降低了节块的抗弯强度，但对他们硬度值的影响甚微。不难发现，稀土元素对不同类别金刚石节块力学性能存在一定影响，尤其是对抗弯强度的影响较为显著，但其主要力学性能还是由结合剂本身的成份所决定。

2.2      节块断口形貌分析

　　胎体材料对金刚石的黏结（把持力）能力直接影响锯片的切割速度和使用寿命。研究认为，由于胎体和金刚石间的结合强度往往低于胎体材料间的结合强度，所以金刚石和胎体间的界面往往成为断裂源[5]。图3为铁基节块断口完整金刚石形貌，可见，6号节块的金刚石与胎体结合紧密，而7号节块的金刚石与周围所接触胎体之间存在明显缝隙。

　　图4为铜基中1、2号节块断口金刚石形貌。比较两图可以看出2号节块金刚石与边界胎体结合比1号节块紧密。

　　综上所述可知，在铜基中加入稀土元素，可以加强金刚石与周围胎体的结合状况，提高胎体对金刚石的把持力，而在铁基中加入稀土元素则作用相反。

 2.3      稀土元素分布情况

　　为了解稀土元素在胎体组织内及胎体与金刚石界面的分布特征，对金属本与金刚石结合面及其周围区域进行了能谱分析。结果表明，在全部含有稀土元素节块的断口的金刚石胎落坑以及金刚石与胎体接触界面中，均未发现有稀土元素的聚焦，也未发现有新的化合物发生。稀土质点大多弥散分布于胎体组织中。图5为含有稀土元素的5号节块金刚石界面能谱分析情况。

　　分析图5可大致验证，金刚石节块中添加少量稀土元素可以细化胎体晶粒，净化金刚石与胎体界面，改善金刚石结合剂与金刚石的界面结合状态，提高其抗弯强度。

3         结论

　　在不同胎体组织中，稀土对金刚石节块力学性能的影响力不同。在含有TiH2铜基节块中添加稀土元素，有助于改善节块胎体组织的致密度与韧性，可以提高节块的抗弯强度，在铁基节块中稀土作用则相反。另外稀土元素有助于加强铜基胎体材料对金刚石的把持力，使得在抗折实验后，断面破碎金刚石百分比增加。而铁基胎体材料则相反，会导致其对金刚石的把持力变弱，降低节块断面破碎金刚石的百分比。稀土添加剂不会在节块断面的脱落坑、金刚石与胎体接触界面聚焦，也不会与其它元素生成新的化合物，稀土质点大多弥散分布于胎体组织中。

参考文献：

[1]　司卫征，袁慧，张凤林，等.金属基金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展[Ｄ].上海：中科院上海冶金研究所材料物理与化学（专业）博士论文，2000.

[2]　孙毓超，宋月清.稀土在金刚石工具中应用研究的新进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2003（2）：41－44.

[3]　宋月清，夏志华，甘长炎，等.稀土元素镧在金刚石工具胎体中的作用影响机理研究[Ｊ].稀有金属，1998（1）：39－42.

[4]　吴贻琨.稀土元素强化金刚石工具材料性能的研究[Ｊ].粉末冶金技术，1999（4）：253－256.

[5]　李长龙，李国彬，吴玉会.稀土对切玻璃金刚石锯片切削性能的影响[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，2003（6）：48－50.

作者简介

铁晓锐，女，1982年生，硕士研究生在读。研究方向：脆性材料加工。