第30卷第5期
硅酸盐通报Vol．30No．52011年10月BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY October ，2011
烧结工艺对铁基结合剂金刚石节块
力学性能的影响
肖长江1，赵延军2，尚秋元
1（1．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州450007；2．郑州磨料磨具磨削研究所，郑州450002）
摘要：本文研究了热压烧结中烧结温度和烧结压力对铁基结合剂金刚石节块力学性能的影响。实验结果表明：烧结温度对金刚石节块的硬度和抗弯强度等力学性能影响显著；而烧结压力对金刚石节块的抗弯强度和硬度的影响
小于温度对二者的影响；节块的应力-
应变曲线具有陶瓷的特性。关键词：铁基结合剂；金刚石节块；烧结工艺；性能
中图分类号：TB331文献标识码：A 文章编号：1001-
1625（2011）05-1068-04Effect of Sintering Process on Properties of Fe-matrix
Bonding Diamond Tool Bits
XIAO Chang-jiang 1，ZHAO Yan-jun 2，SHANG Qiu-yuan 1
（1．School of Materials Science and Engineering ，Henan University of Technology ，Zhengzhou 450007，China ；
2．Zhengzhou Research Institute for Abrasive and Grinding ，Zhengzhou 450002，China ）
Abstract ：The effect of sintering process on properties of Fe-matrix bonding diamond tool bits was investigated．The results showed that sintering temperature had significant effect on the hardness and flexural strength of diamond tool bits ，while sintering pressure had less effect on the properties of diamond tool bits．The stress-strain diagram of diamond tool bits was a typical ceramics material curve．Key words ：Fe-matrix bonding ；diamond tool bits ；sintering process ；properties
基金项目：河南省教育厅基金资助项目（2011A430008）
作者简介：肖长江（1969-），男，博士，副教授．主要从事功能材料与超硬材料的研究．E-mail ：cjxiao@haut．edu．cn 1引言
金刚石是自然界所有物质中硬度最高的，因而金刚石被广泛应用于地质钻探以及硬脆材料的切割、磨
削及钻孔等加工［1，2］。天然金刚石稀缺昂贵，作为工具材料成本太高，从而促使人们对人造金刚石的制备、
探索和应用，尤其是优质人造金刚石大单晶和聚晶金刚石的制备
［3，4］；同时在刀具表面上制备金刚石涂层来提高刀具的性能也一直是研究热点［5］。近年来，由于家居装饰的快速发展，加工石材用金刚石圆锯片产量
不断增加。金刚石圆锯片是由金刚石磨粒和金属结合剂经过热压烧结而成的。金刚石磨粒依靠金属结合剂把它固着在胎体中进行锯切，因而结合剂本身的机械性能及其对金刚石的固位把持能力将直接决定金刚石
锯片的使用性能及成本构成。金属结合剂主要有钴基、铜基、铁基、镍基、钨基、铝基等［6］。在这些结合剂
中，钴基金刚石磨具性能最好，但钴的价格较高，因而磨具的生产成本高。铁与钴属于同族元素，性质比较相似，价格低廉，目前用铁代替钴作为金刚石磨具的结合剂，国内外对铁基结合剂金刚石工具研究也较多reactive materials studies
［7-9］。
第5期肖长江等：烧结工艺对铁基结合剂金刚石节块力学性能的影响1069铁基结合剂的优点有：生产工艺简单，价格低廉；与金刚石具有较好的润湿性和较大的附着力；有较好的可成
形性和可烧结性；有较适宜的力学性能，
如抗弯强度、硬度；铁的膨胀系数比Co 、Ni 、Cu 都低，在加热冷却过程中有较小的体积效应，
减小裂纹发生倾向；铁和C 、B 、Si 的相溶性好，可以形成化合物，有效地降低了金刚石和结合剂间的内界面张力，提高了对金刚石的粘结力等。但由于Fe 粉很容易氧化，降低了粉末表面活性，
从而影响烧结过程的进行，使实际烧结过程难以达到理想的烧结程度。此外，
Fe 粉在高温下会对金刚石产生较严重的化学侵蚀作用，严重影响结合剂对金刚石的有效把持，导致Fe 基金刚石圆锯片在锯切过程中金刚石容易脱落，锯片寿命短，从而阻碍了Fe 基金刚石圆锯片的广泛使用。同时含铁量大于40%时，结合剂对烧结温度很敏感，极易欠烧及过度侵蚀金刚石。
本文研究了在热压烧结的情况下不同烧结温度和烧结压力对铁基结合剂金刚石节块力学性能的影响，出合适的烧结温度和烧结压力。
2实验
实验用原材料为Fe 基粉末（含Fe 45%、Cu25%、Ni10%、Sn10%、Zn 和WC 各5%），粒度为200目；金刚
石为SCD30系列40/50，
浓度为40%。烧结设备为RYZ2000Z 真空烧结压机，保温时间为3min 。观察烧结温度对节块性能的影响时，烧结压力为20MPa ；考虑压力的影响时，烧结温度为790ħ。试样的规格为40mm ˑ10mm ˑ10mm ，分别用于抗弯强度、硬度的测试和断口形貌的观察。抗弯强度采用三点弯曲法在Instron5585型材料试验机上进行测试，通过分析数据得到应力应变曲线；硬度测试在HR-
150A 型洛氏硬度计上进行，采用HRB 度量；应用光学显微镜对断口形貌进行观察与分析。
3
结果与讨论3．1温度对节块力学性能的影响
在考虑烧结温度对金刚石工具节块力学性能的影响时，设计了5个温度，分别为750ħ、
770ħ、790ħ、810ħ和830ħ，烧结压力为20MPa 。不同温度下节块的密度如图1所示。当温度从750ħ升高到790ħ
时，密度从7．46g /cm 3增大到7．87g /cm 3。分析认为：在790ħ之前，铁基金属结合剂存在欠烧；但当温度
进一步升高时，密度变化不大，还略有下降，密度减小到7．82g /cm 3。总的来说，样品比较致密，实验设计的
温度区间基本符合相应实验要求
。
图1
不同温度下金刚石节块的密度Fig．1The densities of diamond tool bits under different sintering
temperature
图2不同烧结温度下金刚石节块的硬度Fig．2The hardness of diamond tool
bits under different temperature 不同烧结温度下得到节块的硬度和抗弯强度分别如图2和图3所示。从图上可以看出：节块的硬度和抗弯强度随温度的变化总的趋势是先增加再减小。在750ħ到790ħ之间，随着温度的升高，硬度和抗弯强
度都增加，HRB 由85增加到97；抗弯强度从432MPa 增加到543MPa ，当温度进一步升高时，硬度先减小再
1070专题论文硅酸盐通报第30卷增加，但变化不大，基本保持稳定；而抗弯强度发生了大幅的下降。分析原因为：在790ħ之前，结合剂胎体
存在欠烧的行为，
胎体还没有致密化，温度提高，烧结时液相量增加，节块空隙减少，对金刚石的润湿性好，节块致密度显著提高，
硬度和抗弯强度也相应提高。在790ħ以后，胎体已经致密化，同时过高的温度导致铁基对金刚石的严重过侵蚀，金刚石发生碳化，使得金刚石与铁基结合剂的界面结合强度显著下降，铁基对金刚石的把持力下降，硬度和抗弯强度显著下降。由以上分析可以看出：铁基金属结合剂金刚石工具节块的硬度和抗弯强度受烧结温度的影响显著
。
图3不同烧结温度下金刚石节块的抗弯强度
Fig．3The flexural strength of diamond tool
bits under different
temperatures 图4金刚石节块的应力应变图Fig．4
Stress /strain diagrams of diamond bit 3．2压力对节块力学性能的影响
根据前面烧结温度对节块硬度和抗弯强度的影响可知，790ħ为本配方的最佳烧结温度，所以在考察压
力对节块性能影响时，
选择的烧结温度为790ħ，选取的压力为15MPa 、20MPa 和25MPa 。具体的实验结果为：当压力从15MPa 变化到20MPa 再增加到25MPa 时，硬度HRB 的变化为93．8增加到97再降低到94．5；抗弯强度的变化为531MPa 增加到543MPa 再降低到539MPa 。分析以上数据可知：热压压力对铁基金属结合剂金刚石工具节块的硬度和抗弯强度影响不大：如果热压压力过低，会导致节块的硬度和抗弯强度或者说密度有一定程度的降低，但是压力过高，也会导致不同程度的流料行为，导致节块硬度和抗弯强度下降。
3．3节块的应力应变曲线
从实验数据可知，当烧结温度为790ħ，烧结压力为20MPa 时，铁基结合剂金刚石节块有最佳的性能，所以对于铁基结合剂金刚石工具节块的应力应变曲线，以此条件下的应力应变曲线为代表，图4为在烧结温度为790ħ，烧结压力为20MPa 的条件下三个节块的应力应变曲线图。在起始阶段如图4A 区域，应力与应变的关系不是线性关系，因为开始是金属结合剂发生变形，表现出金属的性质。当应力进一步增加，应力与应变表现出线性关系且为脆性断裂，没有屈服现象，为典型的陶瓷的应力-应变曲线，如图所示4B 区域。其它条件下烧结得到的样品的应力-应变曲线都与之类似。
3．4节块的断面形貌
图5为烧结压力为20MPa ，烧结温度分别为750、
790和830ħ时样品断面的光学照片。在光学照片中，可以观测到每个节块的断面都有金刚石。由图5中可以看出在790ħ以前的金刚石节块断面中，金刚石晶形完整，金刚石几乎没有受到浸蚀，胎体与金刚石结合较好，但有空隙不致密。在790ħ的节块断面形貌图中，晶面较完整，棱角分明，胎体与金刚石之间结合很好，在830ħ以后的光学显微镜断面形貌图中，金刚石的晶面和晶棱都受到严重浸蚀，胎体与金刚石之间结合不好。这充分证明在微观上解释了在790ħ有最佳的密度、硬度和抗弯强度的原因。
第5期肖长江等：烧结工艺对铁基结合剂金刚石节块力学性能的影响1071
图5不同烧结温度下金刚石节块断面形貌（a）750ħ；（b）790ħ；（c）830ħ
Fig．5The fracture morphologies of diamond tool bits under different sintering temperature
4结论
本文研究了烧结温度在750ħ、770ħ、790ħ、810ħ和830ħ和烧结压力为15MPa、20MPa和25MPa 的条件下烧结得到的铁基结合剂金刚石节块的硬度和抗弯强度。实验结果表明：烧结温度对金刚石节块的硬度和抗弯强度等力学性能影响显著；而烧结压力对金刚石节块的抗弯强度和硬度的影响则不明显；由于在不同的烧结温度下存在欠烧或侵蚀金刚石的情况，当温度为790ħ，烧结压力为20MPa时，节块的硬度和抗弯强度有最佳值。节块的应力-应变关系具有陶瓷材料的特性。
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