元素Cu對Co基配方的性能影響①

楊理清，張延軍，羅文來

（桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004）

元素Cu對Co基配方的性能影響①

楊理清，張延軍，羅文來

（桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004）

主要研究不同Cu含量對Co基配方的燒結性能、力學性能及粉料內部結構的影響，通過比較不同Cu含量樣品的硬度、抗彎強度、斷裂撓度、磨耗比，并結合掃描電子顯微鏡（SEM）分析，結果表明添加不同含量的Cu元素對Co基配方的力學性能影響較大，樣品的斷面形貌分析也顯示了配方內部結構變化趨勢，通過對比分析，可以利用添加Cu元素的性能變化趨勢，開發合理的配方體系。

超硬材料工具；Co基配方；Cu元素；性能

1 實驗內容

以常規高Co基胎體配方作為標準，通過Cu取代部分Co，其他元素保持不變（含量為20%）來進行研究配方設計［2］。本次實驗測試的Co、Cu配比配方設計如表1所示：

表1 幾種配方的Co、Cu的質量分數Table 1 Percentage of Co，Cu in different samples

每種配方的試樣樣品各6個，選用國產金剛石，質量分數為1.8%，粒度為50～60目，實驗采用直接裝粉熱壓燒結法，標準樣品尺寸為：30mm×12mm×6mm。

燒結好的樣品，通過去除毛刺，磨平樣品的表層氧化層，稱量各試樣塊的重量，通過電子數顯卡尺測量并計算樣品的尺寸、相對致密度，保證每個樣品的相對致密度都在96%～100%之間，性能測試有以下幾項：

（1）實驗配方胎體的硬度（HRB）值，每個試樣各取六點，正、反面各取三點，然后取平均值；

（2）三點抗彎強度測試，包括不含金剛石試樣與含金剛石試樣，并計算抗彎強度的下降率，以表征配方胎體對金剛石的包鑲能力［3］：

式中Tσ為樣品的抗彎強度下降率；σ空為樣品空白粉的抗彎強度值，MPa；σ金為樣品含金剛石抗彎強度值，MPa。

（3）相對耐磨性測試，磨損前將樣品稱重，然后將其用專用夾具夾緊，并固定在耐磨試驗機的進給軸上，限定砂輪與試樣的摩擦時間為1min，測量磨損后試樣的質量并計算相對耐磨性［3］，計算公式為：

式中K為各試樣的相對磨損量；M1為試樣磨損前的重量，g；M2為試樣相對磨損后的重量，g；M3為試樣的理論設計重量，g。

（4）試樣的斷裂撓度，通過測量含金剛石試樣斷裂時的變形量與抗彎強度值的比值百分比來表征樣品的剛性度，其計算公式為：

式中N為斷裂撓度，mm／MPa；ΔL為試樣的斷裂位移量，mm；σ金為試樣含金剛石的斷裂強度值，MPa。

（5）用掃描電鏡觀測試樣胎體的斷面胎體形貌、金剛石表面形貌及金剛石與胎體間的縫隙情況，了解各試樣配方的內部結構及變化趨勢情況。

2 實驗結果與分析

2.1 燒結性能分析

圖1為試樣樣品的燒結致密度圖譜。從圖1可以看出，測試試樣的燒結致密度在96.5%以上，試樣在燒結過程中沒有出現過燒或欠燒的情況，符合測試要求，該試樣塊所測數據具有研究對比性，從以上的燒結數據可以看出，Cu元素的添入對燒結性能可以產生作用，有改善Co基配方的燒結性能的優勢。

圖1 樣品的燒結致密度圖譜Fig.1 Sintered density of samples

2.2 硬度對比分析

圖2為樣品的硬度圖譜。從圖2可以看出，樣品的硬度隨著Cu含量的增加，硬度值呈現先增加后下降的趨勢，當Cu含量在為10%時，樣品的硬度數據有一個峰值98.9HRB，分析原因是由于Co元素的硬度值本身比Cu元素的硬度值高，當在Co基配方中添加少量的Cu元素后，配方總體還是以Co為主，Cu元素引入后對Co基配方能起細化晶粒，降低空隙的作用，因此當加入少量的Cu（10%）時，配方2的硬度有所上升，并在已測數據中達到峰值，當繼續增加Cu的含量，Cu在Co基配方中的比例不斷增加，對Co基配方本身的硬度值產生作用也在增大，因此配方3、配方4、配方5中的硬度值呈現逐步降低變化趨勢。

圖2 樣品的硬度圖譜Fig.2 The hardness of samples

3.3 抗彎強度對比分析

表2為各配方樣品的抗彎強度數值及其抗彎強度下降率。從表2的數據可以看出，Co基配方中添加Cu元素后，其抗彎強度都有明顯的增加，并隨著Cu含量增加，其抗彎強度數值出現不斷下降的趨勢，引起的主要原因是，在低溫燒結條件下，Cu元素有較好的燒結性能，Cu可以在低熔點液相條件下與其他金屬形成固溶體，強化各晶粒間的化學連接，因此在一定程度上強化了配方胎體的強度，但Cu元素本身的抗彎強度遠不如Co，因此隨著Cu含量的不斷增加，配方的抗彎強度在不斷的下降；從各配方試樣塊的抗彎強度下降率數值來說，在沒有添加Cu的Co基配方中，配方1對金剛石的包鑲能力最好，其抗彎強度下降率為26.3%，低于其他添加Cu的Co基配方，側面也說明Co元素對金剛石浸潤能力高于Cu元素，加上Cu元素的線膨脹系數不如Co元素與金剛石線膨脹系數接近，因此Cu對金剛石的包鑲能力低于Co，繼續增加Cu的含量，試樣的抗彎強度下降率呈現出先增后降的趨勢，分析可能的原因是，當Cu剛開始增加時，Cu對金剛石的包鑲能力較弱，因此配方試樣的抗彎強度下降率不斷上升，當繼續增加Cu達到20%含量后，Cu在配方開始大量與其他金屬形成固溶體或其他化合物，增加對金剛石的浸潤能力，因此配方的抗彎強度下降率數值又有所下降。

表2 樣品的抗彎強度下降率Table 2 Decrease of bending strength

3.4 擾度比性能分析

圖3為樣品的撓度數據圖譜。從圖中的數據可以看出，Cu元素的加入，對Co基配方的斷裂撓度性能影響是比較明顯的，總體的趨勢是隨著Cu含量的增加，配方的斷裂撓度呈現上升的趨勢，說明Co基配方中的Cu含量是可以改變配方的斷裂撓度，即，影響配方的剛度性能，另外同時表明，Cu在配方中是對胎體起韌性作用的，因此在進行配方開發設計時，可以根據我們的需要，控制Cu在配方中的含量值，以便調整配方的剛韌性，針對不同的切割對象，選擇不同的配方體系。

圖3 樣品的撓度數據圖譜Fig.3 The deflection data of samples

3.5 等磨耗對比性能分析

圖4為樣品相對磨損量數據圖。從圖中的數據可以發現，配方2的相對磨損量為最低，說明適當的添加Cu可以有效的降低磨損量（一般低于10%Cu），這主要是少量的Cu含量，不僅改善了配方的燒結性能，也細化、均勻了配方內部的組織結構，同時保持著Co的耐磨性，因此該含量的配方設計可以增加繩鋸的使用壽命；隨著Cu含量的繼續增加，Cu元素的易磨損性特點開始顯現，并隨著Cu含量的增加胎體的磨損量越大，這一性能變化趨勢，為我們設計出易磨損，出刃快的配方體系提供參考數據，因此，對于切割硬度高、晶粒較細、研磨性弱巖石，利用在Co基配方體系中添加Cu元素是一條可行的配方設計思路，Cu的市場價格遠低于Co，因此在成本上，Cu元素也是一大重要優勢。從趨勢上看，如果繼續增加Cu含量可能會引起配方胎體韌性過大，切割巖石過粘而金剛石無法換層的情況，因此建議Co基配方中的Cu含量不宜超過40%為好。

圖4 樣品相對磨損量數據圖Fig.4 The wear resistance of samples

圖5 樣品的斷面形貌圖a）、b）、c）、d）、e）Fig.5 SEM photos of fracture surface of samples a），b），c），d），e）

3.6 結構分析

從圖5的掃描電鏡圖可以看出，圖5a）中沒有添加Cu元素，從斷面的形貌圖可以看出，樣品的燒結晶粒粗大，分布不均勻，并且在晶粒表面及晶粒間存在大量的殘余氣孔，直接影響樣品的燒結性能，使樣品難以燒結致密。圖5b）和圖5c）是添加Cu元素后的斷面形貌圖，從斷面圖中可以看出，添加Cu元素后，樣品的晶粒開始細化、均布，空隙度明顯下降，連接更為緊密，在宏觀上表現為樣品的抗彎強度有所提高，這與實驗的結果是吻合的；由于Cu元素本身質地較軟，燒結強度低（相對Co粉而言），當添加過多量Cu后，必然引起樣品整體的硬度值、抗彎強度值的下降，因此在添加10%的Cu元素后樣品的晶粒細化、均布、致密度提高，促進樣品的硬度值上升，添加20%的Cu元素后，盡管晶粒進一步細化，孔隙度進一步下降，但Cu元素在樣品中的比例明顯增大，引起配方胎體的硬度值基抗彎強度值的下降；當繼續增加Cu元素含量時，從圖5d）和圖5e）可以看出，晶粒不斷的細化，孔隙基本消失了，開始出現斷裂韌窩，說明樣品已開始出現韌性特征，尤其是圖5e）的斷面圖中，斷裂面的韌窩開始明顯地增多、增大，并出現局部液相形成區，這是Cu元素大量增加的結果。

從圖6的金剛石斷面圖可以看出胎體對金剛石的包鑲能力的情況，圖6b）－圖6e，金剛石表面較為光滑、完整，沒有明顯的刻蝕、反應的跡象，金剛石與胎體的界面清晰，裂紋較大，各圖的包鑲能力差距不大，圖6a）為無Cu元素的包鑲金剛石樣品的斷面圖，圖中金剛石有被明顯刻蝕的情況，分析可能是溫度過高引起，另外在金剛石的表面有部分反應跡象，可能是Co對金剛石的浸潤、腐蝕反應作用，說明Co元素對金剛石浸潤能力高于Cu；并從各配方胎體對金剛石的包鑲情況看，圖6a）中胎體與金剛石的間隙相對較小，其他圖中的金剛石與胎體的間隙線區分不明顯，當都有較清晰的界面時，這主要是Cu對金剛石的浸潤能力較弱并線膨脹系數與金剛石相差較大造成的，因此Co基配方中添加Cu元素后，胎體對金剛石的包鑲能力下降，是我們進行產品開發時需要考慮，并利用的特征。

圖6 包鑲金剛石樣品的斷面形貌圖a）、b）、c）、d）、e）Fig.6 SEM photos of diamond surfaces a），b），c），d），e）

4 結論

1）在Co基配方中添加一定量的Cu可以細化晶粒、均勻組織，降低內部的殘余氣孔，有效改善配方的燒結性能；

2）在一定的Cu含量范圍內，可以通過控制Cu元素的含量調整配方的硬度值；

3）因Cu含量的增加會引起抗彎強度的下降，胎體韌性增加，因此建議Cu含量不應超過40%；

4）在Co基配方中加入Cu，由于Cu本身的特點，胎體對金剛石的包鑲能力降出現下降。

鳴謝：本文得到基金項目“金剛石繩鋸組鋸繩的開發”桂工信投資［2012］（297）號的資助。

［1］ 孫毓超，宋月清.金剛石工具與金屬學基礎［M］.北京：中國建材工業出版社，1999.

［2］ 張建森.鐵基鋸片結合劑中鈷的含量對金剛石的把持力及胎體機械性能的影響［J］.超硬材料與工程，2001（4）：22－24.

［3］ 郭樺，蘇鈺，陳劍章，張延軍，陳峰，徐西鵬.Co基金剛石串珠胎體中W添加劑的作用［J］.中國工程機械學報，2007.

Influence of element Cu on the performances of Co－based formulation

YANG Li－qing，ZHANG Yan－jun，LUO Wen－lai
（Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China）

In the paper，it has studied the influences of different Cu contents on sintering property，mechanical property and powder internal structure of Co－based formula.Through comparing the hardness，bending strength，fracture deflection，grinding ratio of samples with different Cu content and combined with scanning electron microscopy（SEM）analysis，the results show that it has bigger impact on mechanical properties of Co－based formula when adding different content of Cu elements.The section morphology analysis of samples also showed the change trend of formula internal structure.Through comparative analysis，it can be utilized to develop the reasonable formula system.

superhard abrasive tool；Co－based formula；element Cu；performance

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0009－05

隨著繩鋸產品的應用越來越廣泛，性能要求也越來越高，但制備技術的門檻明顯地降低，使得企業間的競爭加劇，產品價格的競爭開始出現白熱化，繩鋸的制備成本，尤其是金屬配方粉料的成本成了企業主要關注的環節，另外，繩鋸在進行巖石切割的過程中，往往會遇到巖石的硬度高、晶粒細、研磨性弱的情況，這種情況下，繩鋸就會出現切割速度緩慢、串珠胎體拋光、金剛石磨平而無法實現正常出刃的現象，給繩鋸的正常使用帶來了難題，而Cu元素以其優異的綜合性能引起了各超硬材料工具企業的關注，其有相對超硬材料制備來說理想的燒結溫度、優異的冷壓成形性及可燒結性，并與其他元素有很好的相容性，與其他的金屬形成化合物后，具有較高的抗彎強度、理想的硬度范圍［1］，更重要的是，Cu具有相對較低的價格，因此，通過引入Cu元素可以較好地改變配方的性能，并達到降低成本的目的，以下就是利用在Co基配方中添加Cu元素，進而研究不同Cu含量在Co基配方中的硬度數值、抗彎強度數值、斷裂撓度數值、相對磨耗量數值的影響［2－3］，從而確定Co－Cu基配方的性能變化情況及配方開發設計思路。

2012－06－26

楊理清（1984－），男，學士。所學專業：材料科學與工程，主要從事超硬材料工具制品的研究與開發工作。