3.2　胎体材料

胎体材料一般是以钴、镍为主要成分，再加入钛、稀土及少量的硼、硅等，加入硼、硅等是为了降低胎体材料的熔点及提高其流动性和润湿性。

3.2.1　烧结胎体材料

金刚石一般为细小颗粒状，它必须镶嵌在固态的块状材料中，这种固态块状材料就是胎体材料。胎体材料多由金属制成，将金刚石镶嵌在胎体金属材料中，金刚石才有利用价值。金刚石的应用绝大部分是制造加工工具，由于金刚石不能承受高温，而金属材料的熔化温度一般较高，因此，多采用单质金属粉末的混合体，采用烧结的方法（烧结温度一般不超过1000℃）制造胎体材料。这种胎体材料的粉末由三部分组成：一是骨架材料，主要是一些高熔点、高硬度的难熔化合物，如碳化物、硼化物、氮化物、硅化物等；二是骨架材料的添加（填充）物，它们的熔点也都较高，在烧结过程中仍然处于固相状态，如W-Co硬质合金粉、W粉、Cr粉、Mo粉、Ni粉等；三是黏结金属或者钎料，能够黏结和把持金刚石颗粒的主要是黏结金属或者钎料。实际上这种胎体材料是一种假合金，表3-6给出了作为金刚石制品黏结金属和添加物的金属。这种以单质金属粉末的混合体，采用烧结的方法（烧结温度一般不超过1000℃）制造的胎体材料，是依靠它们之间在烧结温度之下可能产生的低熔点共晶来作为金刚石颗粒的黏结材料，也将其它高熔点骨架材料黏结起来，形成一个整体。表3-7给出了一些材料的熔点或共晶温度。

3.2.2　胎体材料的预合金化

胎体材料的预合金化就是将设计好的定型胎体配方，将材料按一定顺序加入炉中进行熔炼，然后进行雾化喷粉，就制成了胎体预合金粉末。胎体预合金粉末有如下一些优点。

①预合金粉末比机械混合粉末的元素分布均匀，从根本上避免了成分偏析。

②预合金粉末合金化均匀，组织也均匀，大大提高了烧结制品的抗压和抗弯强度，提高了胎体力学性能。

③对预合金粉末进行烧结时，烧结温度可以降低，烧结时间可以减少，可以避免金刚石的高温损伤。

④预合金粉末比单质金属粉末的抗氧化能力强，烧结性能好。

⑤预合金粉末烧结胎体比单质金属粉末烧结胎体的强度和冲击韧度高。

⑥预合金粉末烧结胎体比单质金属粉末烧结胎体的把持力大，可以延长工具寿命。

⑦在相同性能的条件下，使用预合金粉末烧结胎体比单质金属粉末烧结胎体的金刚石浓度可降低15%～20%。

表3-8中给出了一些金属和合金对金刚石润湿性的影响。

3.2.3　金刚石胎体材料的预合金粉末

（1）国外的一些金刚石胎体材料的预合金粉末

①NEXT系列预合金粉末。表3-9为法国制造的NEXT预合金粉末的物理参数，这些预合金粉末钴含量低，降低了烧结温度和生产成本，提高了对金刚石的把持力，从而提高了工具性能和使用寿命。其中NEXT300预合金粉末热压烧结温度较低（750℃），激光焊接之后具有更高的抗弯强度，即可以作为激光焊接金刚石干切工具的胎体材料，也可以作为过渡层材料，使用NEXT300预合金粉末可以提高工具的快速切割性能。NEXT900属于高铁低钴预合金粉末，具有较高的延展性和冲击强度，在干切割及石材抛光方面具有非常优越的性能，非常适宜与添加剂混合使用。图3-20所示为NEXT900预合金粉末的显微组织，图3-21所示为NEXT预合金粉末的热压烧结性能。

②Diabase系列预合金粉末。

德国制造的Diabase系列预合金粉末有Diabase-V18和Diabase-V21两个牌号，Diabase-V21是在Diabase-V18的基础上研究开发的，比Diabase-V18具有更高的延展性，冲击强度提高了近1倍（Diabase-V21为2.03J/cm2，而Diabase-V18为1.06J/cm2）。图3-22所示为Diabase-V21预合金粉末的烧结曲线。

③Cobalite系列预合金粉末。比利时采用湿法冶金工艺（即金属离子溶于水中），在Cobalite601（通用型）预合金粉末的基础上研究开发了高耐磨性Cobalite HDR预合金粉末（27%Co-7%Cu-66%Fe）。Cobalite HDR预合金粉末是一种快速切割下对金刚石具有极好把持力的高硬度、高韧性、高耐磨性的Fe基预合金粉末，具有良好的激光焊接性。Cobalite HDR预合金粉末由于Cu含量较低，不适宜无压烧结，它主要用于高性能建筑切割工具，可切割地板、锯墙、切割钢筋混凝土及进行沥青取芯等，以代替含WC的钴基黏结剂，可以对上述材料进行高速切割，而且工具寿命得以延长。还有一种无钴镍的Cobalite CNF预合金粉末，其化学成分在表3-10中给出。由于它不含Co、Ni（含量极低），所以在650℃之下烧结时，也能够得到较高的硬度。其烧结温度较低，是迄今预合金粉末烧结温度最低的一种。Cobalite CNF是采用Sn固溶强化，同时加入W以减少金属间化合物的形成，并克服添加Sn的不利影响，利用Y2O3的弥散强化效果，具有较高的硬度和足够的韧性。可以采用添加Co、Fe、Cu、WC等调节Cobalite CNF的硬度。图3-23所示为Cobalite HDR和Cobalite CNF预合金粉末的电镜组织。图3-24和图3-25分别为Cobalite HDR和Cobalite CNF预合金粉末的烧结性能。

表3-11给出了一些国外部分低钴及无钴的预合金粉末性能，表3-12给出了不同添加成分对预合金粉末性能的影响。

注：1kgf/cm2≈0.1MPa。

（2）国产的CSB金刚石胎体材料的预合金粉末

①CSB金刚石胎体材料预合金粉末的性能。CSB金刚石胎体材料的预合金粉末基本成分为Fe-Cu基，松装密度为2.2～2.3g/cm3，理论密度为8.18g/cm3，烧结温度为810℃，烧结体硬度为85HRB。表3-13给出了CSB系列金刚石胎体材料预合金粉末的性能。

②金刚石对CSB胎体材料预合金粉末切割性能的影响。

a.金刚石粒度对切割性能的影响。图3-26给出了金刚石浓度为18%时，金刚石粒度对切割性能的影响。可以看到，金刚石粒度为40～45μm、45～50μm、50～60μm时，其切割速度和切割平方米数并没有明显变化。但是，随着金刚石粒度进一步提高，其切割平方米数将明显增大；金刚石粒度大于50～60μm，切割速度将降低，金刚石粒度大于60～70μm，切割速度将明显降低。

b.金刚石浓度对切割性能的影响。图3-27所示为金刚石浓度对切割性能的影响。可以看到，随着金刚石浓度的提高，其切割速度成直线降低，而切割平方米数成直线提高。

c.金刚石品级对切割性能的影响。图3-28所示为金刚石品级对切割性能的影响。可以看到，随着金刚石品级的提高，其切割速度和切割平方米数均成直线提高。

③添加剂对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。

a.钴对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-29给出了钴对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，钴可以明显降低烧结温度，却可以明显提高CSB胎体材料预合金粉末的抗弯强度和硬度。钴的添加量不要大于15%，否则，烧结温度太低，影响胎体材料对金刚石的把持力。

b.镍对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-30给出了镍对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，镍可以明显提高烧结温度，也能够明显提高CSB胎体材料预合金粉末的抗弯强度和硬度。镍在胎体材料预合金粉末中的含量不要超过12%。

c.钨对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-31给出了钨对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，钨可以大大提高胎体材料预合金粉末的抗弯强度，所有试验都没有断裂。烧结温度和硬度也都随着钨含量的提高而增大。钨的添加量不大于25%可以任意选择。

d.碳化钨对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-32给出了碳化钨对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，随着碳化钨含量的提高，胎体材料变脆，烧结温度和硬度提高。碳化钨的添加量可以为5%～40%。

e.铜对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-33给出了铜对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，随着铜添加量的增大，胎体材料硬度降低，烧结温度提高，特别能够大大提高胎体材料的抗弯强度。

f.663合金对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-34给出了663合金对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，随着663合金含量的提高，胎体材料的烧结温度、硬度和抗弯强度均降低。

g.铁对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-35给出了铁对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，随着铁添加量的增大，烧结温度有提高，硬度几乎不变，而抗弯强度大大提高。

h.锡和锌对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。图3-36给出了锡和锌对CSB胎体材料预合金粉末性能的影响。可以看到，随着锡和锌添加量的增大，烧结温度和抗弯强度均降低。合适的锡的添加量为2%～6%，合适的锌的添加量为2%～8%。

④CSB胎体材料预合金粉末推荐配方。表3-14给出了CSB胎体材料预合金粉末推荐配方。