杜 帥 ，陶洪亮 ，黃明初 ，周浩鈞 ，李益民 ，尹育航 ，羅豐華

1) 中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083 2) 廣東奔朗新材料股份有限公司,佛山 528313 3) 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083

金剛石工具在切割操作過(guò)程中，胎體用來(lái)支撐和固定金剛石。De Oliveira 等[1]認(rèn)為胎體的屈服強(qiáng)度和硬度是胎體固定金剛石的兩個(gè)關(guān)鍵因素，因此，金剛石工具的制備工藝和胎體材料的性能決定了金剛石工具的壽命。金剛石工具胎體材料大多采用鈷作為胎體結(jié)合劑，鈷在加工溫度下與金剛石具有良好的化學(xué)相容性，采用鈷基制備的金剛石工具強(qiáng)度高、韌性適中，在切割操作上具有令人滿意的耐磨性[2]。但鈷價(jià)格昂貴，是一種全球稀缺的戰(zhàn)略儲(chǔ)備金屬，不是制備金剛石工具的最佳元素。除此之外，考慮到后續(xù)處理等環(huán)保方面的問(wèn)題，研究人員開(kāi)始關(guān)注用鐵銅合金代替鈷作為金剛石工具的胎體材料[3-5]。鐵的價(jià)格便宜，銅具有優(yōu)異的成形性，而且熔點(diǎn)低，便于與其他金屬合金化[6-7]。因此，不斷有研究人員開(kāi)發(fā)出新的鐵銅基合金作為金剛石工具的胎體材料，旨在減少合金中的鈷含量[8-10]。

粉末冶金技術(shù)是制備切割石材用金剛石工具的主要方法，其制備過(guò)程是將金屬基粉末與金剛石晶體混合，進(jìn)行冷壓成形，最后燒結(jié)成致密體[11]。大部分金剛石工具的燒結(jié)工藝是熱壓燒結(jié)，但熱壓燒結(jié)能耗高、效率低，不符合國(guó)家節(jié)能減排的政策，無(wú)壓燒結(jié)克服了熱壓燒結(jié)的不利因素，是一種較好的制備金剛石工具方法[12]。本文采用FeCo14Cu33合金粉作為金剛石工具的胎體材料，并添加了CuSn15合金粉末，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝制備胎體和金剛石工具復(fù)合材料，研究CuSn15含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)胎體材料和金剛石工具復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，以期獲得性能較佳的無(wú)壓燒結(jié)金剛石工具。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用FeCo14Cu33合金粉（FeCoCu 粉末）作為金剛石工具胎體的基礎(chǔ)粉末，其成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為14% Co，33% Cu，余量 Fe。在FeCoCu 合金粉中添加CuSn15粉末（15% Sn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），余量為Cu），根據(jù)添加CuSn15粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同分成5 組胎體混合粉末，CuSn15添加量依次為0、5%、8%、11%、14%。將上述5 種胎體混合粉末均勻混合后，分別取出一部分，都加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.35%的人造金剛石顆粒，然后進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)制備金剛石工具材料。在金剛石工具材料行業(yè)中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%的人造金剛石顆粒相當(dāng)于在塊體中的金剛石濃度為40%（實(shí)際金剛石體積分?jǐn)?shù)約為10%）。

FeCoCu 合金粉和CuSn15合金粉平均粒徑分別為10 μm 和30 μm。人造金剛石顆粒的粒度為-70～80 目。在將金剛石顆?；烊胩ンw粉末之前，預(yù)先將金剛石與質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的液體石蠟潤(rùn)濕，避免金剛石顆粒在胎體粉末中團(tuán)聚、分層。按照粉末設(shè)計(jì)比例稱量粉末后，將混合粉末裝入真空球磨罐，采用滾筒混料機(jī)混料，混合時(shí)間為1 h。粉末的成形方式為冷等靜壓成形，成形壓力為200 MPa，保壓時(shí)間5 min，壓制成尺寸為32 mm×12 mm×12 mm的壓坯。在石英管管式爐內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氫混合氣（氫體積分?jǐn)?shù)20%）。以5 ℃·min-1的升溫速率升溫至875 ℃后燒結(jié)，保溫1 h，再隨爐冷卻至室溫。

采用Wolpert Wilson 500MRA 洛氏硬度計(jì)測(cè)試合金的宏觀硬度；利用CMT4000 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的抗彎強(qiáng)度（跨距20 mm，試樣尺寸截面寬度6 mm、厚度3 mm），通過(guò)對(duì)比添加金剛石前后試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度變化，計(jì)算強(qiáng)度損失率，來(lái)反映胎體對(duì)金剛石的把持能力；利用排水法測(cè)量試樣密度；通過(guò)測(cè)量燒結(jié)前后試樣的長(zhǎng)度，計(jì)算試樣的線收縮率。采用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）對(duì)物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；通過(guò)Helios NanolabTescan Vega3 LM 掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）和NOVATM NanoSEM 230 能譜儀（energy disperse spectroscope，EDS）對(duì)微觀組織和成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CuSn15 含量對(duì)FeCoCu 胎體微觀組織和物相組成的影響

圖1 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15的FeCoCu 胎體金相組織，圖中展示了FeCoCu 胎體組織中孔隙的演化規(guī)律。胎體組織都存在數(shù)量較多的黑色微孔，當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8%時(shí)，隨著CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，胎體組織中的黑色孔隙數(shù)量在不斷減少，如圖1（a）～圖1（c）所示；當(dāng)CuSn15含量繼續(xù)增加時(shí)，胎體組織中黑色孔隙的數(shù)量又明顯增多，如圖1（d）～圖1（e）?？傮w上，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%CuSn15的FeCoCu 胎體的孔隙數(shù)量最少。從圖1 還可以觀察到胎體相組成的變化規(guī)律。如圖1（b）～圖1（e）所示，含CuSn15的FeCoCu胎體組織存在深灰色和灰白色兩種相，并且隨著CuSn15含量的增多，灰白色相明顯增多，由此推斷出灰白色相為富Cu 相，而深灰色相是富Fe 的基體相。

圖1 含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 的FeCoCu 胚體微觀組織：（a）0；（b）5%；（c）8%；（d）11%；（e）14%Fig.1 Microstructure of the FeCoCu matrix added by CuSn15 in the different mass fraction: (a) 0;(b) 5%;(c) 8%;(d) 11%;(e) 14%

表1 為圖1（c）中胎體材料兩個(gè)不同顏色區(qū)域的能譜分析結(jié)果。由表1 可以得出，深灰色區(qū)域?yàn)楦昏F相，灰白色區(qū)域?yàn)楦汇~相。圖2 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15的FeCoCu 胎體合金X 射線衍射圖譜，從圖2（a）中可以看出，合金主要存在體心立方（body-centered cubic，BCC）和面心立方（face center-centered，F(xiàn)CC）兩種物相，進(jìn)一步說(shuō)明了灰白色區(qū)域?yàn)槊嫘牧⒎降母汇~相，而深灰色的基體為體心立方α-Fe。

表1 圖1（c）中兩種區(qū)域的能譜分析Table 1 EDS analysis of two areas in Fig.1(c)

由圖2（b）可知，隨著CuSn15含量的升高，F(xiàn)e 峰和Cu 峰向左偏移，表明試樣晶胞尺寸逐漸增大。這是由于Sn 原子的原子半徑較大，當(dāng)Sn 元素固溶到Cu 或Fe 晶格中時(shí)，會(huì)造成晶格常數(shù)增加。表1 表明Sn 在Cu 中的固溶度要高于在Fe 中的固溶度，因此造成富Cu 相的衍射角偏移量更加明顯。有研究表明，在FeCoCu 金剛石工具材料中還會(huì)形成Co3Fe7、CoFe、FeCu4、Cu15.7Sn 等中間相[13]，但圖2 中并沒(méi)有這些物相對(duì)應(yīng)的衍射峰，鑒于X射線衍射分析的局限性，對(duì)這些物相的存異判定需要后續(xù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的鑒定研究。

表2 列出了FeCoCu 胎體材料相對(duì)密度和線收縮隨CuSn15含量的變化關(guān)系。由表2 可以看出，隨著CuSn15含量的增加，F(xiàn)eCoCu 胎體的相對(duì)密度和線收縮率呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，F(xiàn)eCoCu 胎體的相對(duì)密度和線收縮率達(dá)到最大值，此時(shí)胎體的相對(duì)密度為97.5%，線收縮率為10.13%。相對(duì)密度和線收縮率的變化規(guī)律與圖1 所示的胎體微觀組織變化是一致的，即CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的FeCoCu 胎體孔隙較少。

表2 FeCoCu 胎體材料的相對(duì)密度及線收縮率Table 2 Relative density and linear shrinkage of the FeCoCu matrix materials

CuSn15含量對(duì)FeCoCu 燒結(jié)胎體孔隙率的影響可以通過(guò)燒結(jié)過(guò)程中的互溶性和液相燒結(jié)加以解釋。FeCoCu 預(yù)合金粉末熔點(diǎn)較高，其液相溫度超過(guò)1100 ℃[14]，在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中的致密化機(jī)理以固相燒結(jié)中的物質(zhì)擴(kuò)散遷移為主。與Co、Fe 原子相比，固相燒結(jié)時(shí)Cu 原子的擴(kuò)散能力相對(duì)較差，原子擴(kuò)散、遷移不充分，導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中存在較多空位，因此不含CuSn15燒結(jié)胎體的孔隙率較大，相對(duì)密度也不高，如圖1（a）所示。CuSn15合金熔點(diǎn)的理論值為900 ℃，但是表面能增加會(huì)使粉末顆粒熔點(diǎn)降低，較細(xì)CuSn15合金粉末在850 ℃時(shí)也會(huì)生成部分液相[15]。當(dāng)添加CuSn15粉末時(shí)，在875 ℃燒結(jié)溫度下，會(huì)出現(xiàn)一定量的CuSn15液相。在液相燒結(jié)條件下，Cu 和Sn 原子會(huì)加速向FeCoCu 顆粒粉末中擴(kuò)散，從而促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)程，金剛石工具胎體內(nèi)的孔隙、界面等缺陷減少，致密化程度提高。隨著CuSn15含量的進(jìn)一步增加，會(huì)形成連續(xù)液相，增強(qiáng)了FeCoCu 體系的燒結(jié)，收縮值不斷增大。當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，F(xiàn)eCoCu 胎體的相對(duì)密度和線收縮率達(dá)到最大值，此時(shí)液相完全潤(rùn)濕固相顆粒，并最大限度的融入顆粒間隙中，填充孔洞，固相顆粒完全被液相包圍而近似于懸浮狀態(tài)，固相顆粒在液相表面張力的作用下發(fā)生位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和重排，最終達(dá)到最佳的致密化。但CuSn15的添加量不宜過(guò)多，過(guò)多的液相會(huì)使流動(dòng)加快，可能導(dǎo)致氣體未完全逸出而變成閉合孔隙殘留在燒結(jié)體內(nèi)，會(huì)使胎體局部發(fā)生膨脹，收縮性變差，而且當(dāng)液相數(shù)量過(guò)多時(shí)，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)部分液相流失的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致胎體的相對(duì)密度降低。

2.2 CuSn15 含量對(duì)FeCoCu 胎體力學(xué)性能的影響

圖3 為FeCoCu 胎體的硬度和抗彎強(qiáng)度隨CuSn15含量的變化情況。由圖3 可以看出，隨著CuSn15含量的增加，硬度和抗彎強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)CuSn15的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，此時(shí)胎體的硬度和抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，硬度為HRB 104.6，抗彎強(qiáng)度為1112.6 MPa。

圖3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 的FeCoCu 胎體力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of the FeCoCu matrix added by CuSn15 in the different mass fraction

硬度和抗彎強(qiáng)度隨CuSn15含量的變化規(guī)律可以由合金的致密化程度和微觀結(jié)構(gòu)的變化來(lái)解釋。CuSn15含量的增加使燒結(jié)過(guò)程中胎體內(nèi)的液相增加，液相不斷填充到固相顆粒間的孔隙中，孔隙減少，同時(shí)液相的增加也使得固相顆粒重排的阻力減小，原子間擴(kuò)散速率加快，胎體的相對(duì)密度逐漸增加。當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，此時(shí)胎體的相對(duì)密度達(dá)到最大值，此后隨著CuSn15含量的增加，胎體的相對(duì)密度逐漸降低，這是因?yàn)檫^(guò)多的液相會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)加快，氣體來(lái)不及逸出就形成閉合的孔隙而被保存在胎體中，多余的液相也會(huì)在冷卻的過(guò)程中出現(xiàn)偏析，形成粗大的組織對(duì)胎體的致密化產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，充足的液相也使得鐵鈷固溶相的分布更加均勻，起到了更好的固溶強(qiáng)化作用，更均勻、更細(xì)小的灰白色富銅相分布在深灰色富鐵相中，這樣的微觀結(jié)構(gòu)使得含質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%CuSn15的胎體硬度和抗彎強(qiáng)度都達(dá)到了較好的結(jié)果。

圖4 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15的FeCoCu 胎體合金斷口形貌。圖4（a）和圖4（b）為不添加CuSn15的燒結(jié)胎體彎曲斷裂斷口形貌，可以看到，胎體中孔隙率較大，斷口有明顯的解理平臺(tái)，此時(shí)胎體的斷裂方式以脆性斷裂為主。圖4（c）和圖4（d）為加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% CuSn15的燒結(jié)胎體斷口形貌，由于基體致密性提高，斷口孔隙數(shù)量減少，孔隙形狀由不規(guī)則變成圓形，孔隙尺寸明顯減小，斷口處韌窩增大，導(dǎo)致韌性增加，胎體斷裂方式以韌窩斷裂為主。當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到14%時(shí)，如圖4（e）和圖4（f）所示，斷口表面孔隙數(shù)量開(kāi)始增多，尺寸開(kāi)始增大，此時(shí)在5000 倍放大倍數(shù)下能觀察到斷口處有一定的裂紋。這是因?yàn)橐合噙^(guò)多導(dǎo)致在晶界處富集形成粗大組織，過(guò)多的液相會(huì)造成自身的流失，在這一過(guò)程中帶走Fe、Cu 等金屬原子，還會(huì)導(dǎo)致氣體還沒(méi)有完全逸出就形成閉合孔隙，從而導(dǎo)致胎體的相對(duì)密度降低，降低胎體的力學(xué)性能。斷口形貌的變化體現(xiàn)了圖3 所示的力學(xué)性能的變化規(guī)律，即隨著CuSn15含量的增加，抗彎強(qiáng)度呈先增加而后降低的趨勢(shì)。

2.3 CuSn15 含量對(duì)FeCoCu 胎體對(duì)金剛石把持力的影響

表3 列出了5 種坯體合金粉末形成的金剛石工具材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，為了便于分析，將5 種胎體燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度也列于表3 中。

表3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 的胎體燒結(jié)體及其形成的金剛石工具材料的抗彎強(qiáng)度Table 3 Bending strength of the sintered matrix and the diamond tool materials added by CuSn15 in the different mass fraction

由表3 可以看出，隨著CuSn15含量的增加，無(wú)壓燒結(jié)金剛石工具材料的抗彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律，其中胎體中含CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，所得的金剛石工具材料的抗彎強(qiáng)度較高，為870.7 MPa。相比于胎體燒結(jié)體，由于添加了具有很高硬度的金剛石顆粒，這些顆粒與基體組織存在很大的性能差異，在金剛石/基體的接觸界面很難滿足應(yīng)力協(xié)調(diào)條件，因此金剛石顆粒的添加往往會(huì)造成強(qiáng)度的損失。將添加金剛石顆粒前后的抗彎強(qiáng)度減少值與對(duì)應(yīng)胎體材料的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行比較，取其百分比作為強(qiáng)度損失率列于表3 中。用強(qiáng)度損失率的大小來(lái)反映胎體對(duì)金剛石顆粒的把持能力。由表3 可知，隨著CuSn15添加量的增加，金剛石工具材料強(qiáng)度損失率也有先下降而后升高的規(guī)律。胎體中CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，強(qiáng)度損失率為21.7%，比未添加CuSn15金剛石工具材料降低了15.6%；但是當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，強(qiáng)度損失率不但沒(méi)有減少，反而有所增加，達(dá)到43.2%，比未添加CuSn15還要高出5.9%。這一現(xiàn)象說(shuō)明CuSn15的添加不會(huì)單調(diào)地提高對(duì)金剛石顆粒的把持力，而是存在一個(gè)最佳范圍。

圖5 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15金剛石工具材料的斷口顯微形貌。如圖5（a）所示，在不添加CuSn15的金剛石工具斷口上較均勻的分布了許多八面體金剛石顆粒（diamond）以及金剛石顆粒脫落形成的脫落坑（pit），脫落坑的形狀很規(guī)則，與金剛石顆粒的形狀非常相似，說(shuō)明金剛石顆粒脫落前沒(méi)有引起基體的變形，金剛石顆粒和基體組織的附著力不大。將圖5（a）中所示的單個(gè)金剛石顆粒放大后，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)的金剛石顆粒呈現(xiàn)出光滑（smooth）的表面，并且在金剛石顆粒與胎體之間有明顯的間隙（gap），說(shuō)明胎體對(duì)金剛石顆粒的把持機(jī)制主要為機(jī)械包鑲，如圖5（b）所示。采用圖像處理軟件測(cè)量了多個(gè)間隙的寬度，用數(shù)字標(biāo)注在圖5 中，并列在表4 中。

表4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 金剛石工具材料中金剛石顆粒與胎體之間的間隙寬度Table 4 Gap values between the diamond particles and the matrix in the diamond tool materials added by CuSn15 in the different mass fraction

圖5 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 的金剛石工具材料斷口形貌：（a）、（b）0；（c）、（d）5%；（e）、（f）8%；（g）、（h）11%；（i）、（j）14%Fig.5 Fracture morphology of the diamond tool materials added by CuSn15 in the different mass fraction: (a),(b) 0;(c),(d) 5%;(e),(f) 8%;(g),(h) 11%;(i),(j) 14%

如圖5 所示，將單個(gè)金剛石顆粒放大，金剛石顆粒呈現(xiàn)粗糙的表面，顯示有較多的附著物（patter），說(shuō)明金剛石脫落時(shí)，其表面有胎體金屬附著，胎體材料對(duì)金剛石顆粒的把持機(jī)制發(fā)生了變化，存在化學(xué)鍵合機(jī)制。從表4 可以看出，隨著CuSn15含量的增加，胎體材料與金剛石顆粒之間的平均間隙寬度有先降低再增大的規(guī)律，當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，胎體材料與金剛石顆粒之間的平均間隙寬度最低，為1.05 μm。胎體材料與金剛石顆粒界面間隙的變化規(guī)律與表3 所列出的力學(xué)性能變化規(guī)律具有一致性，間隙寬度越小，金剛石工具材料的抗彎強(qiáng)度最大，而強(qiáng)度損失率最小。為了更好地理解CuSn15對(duì)金剛石工具材料界面結(jié)合的影響，對(duì)上述金剛石顆粒表面進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuSn15 的燒結(jié)體金剛石表面能譜分析：（a）0；（b）5%；（c）8%Fig.6 EDS analysis of the sintered diamond surface added by CuSn15 in the different mass fraction: (a) 0;(b) 5%;(c) 8%

由圖6（a）可以看出，當(dāng)未添加CuSn15時(shí)，在金剛石顆粒表面上僅檢測(cè)到C 元素和非常少量的Fe、Co、Cu 元素，各個(gè)金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%?？梢?jiàn)不添加CuSn15的胎體材料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性較差，胎體材料與金剛石顆粒之間沒(méi)有原子的交互作用，其對(duì)金剛石顆粒的把持作用以機(jī)械把持為主。由圖6（b）可以看出，CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，金剛石顆粒表面上的金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，F(xiàn)e 元素和Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)了1%，而且還檢測(cè)出了Sn 元素。圖6（c）顯示當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，表面同樣存在C、Fe、Cu、Co 和Sn 元素，但此時(shí)Fe 和Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20.42%和22.17%。能譜分析表明，適量添加的CuSn15預(yù)合金粉可以使更多的胎體元素在金剛石顆粒表面潤(rùn)濕和擴(kuò)散，明顯改善FeCoCu 胎體材料對(duì)金剛石顆粒的潤(rùn)濕性，使金剛石顆粒與胎體材料產(chǎn)生化學(xué)鍵合作用，從而提高了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力。

金剛石顆粒的把持力主要來(lái)源于3 個(gè)方面：（1）胎體材料與金剛石顆粒之間產(chǎn)生的化學(xué)鍵合。CuSn15預(yù)合金粉的添加為燒結(jié)過(guò)程提供了液相，使更多的Fe、Cu 原子通過(guò)液相通道完成了在金剛石顆粒表面的潤(rùn)濕和擴(kuò)散，從而使得金剛石顆粒與胎體材料中的Fe 元素之間產(chǎn)生了化學(xué)鍵，增強(qiáng)了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力；（2）胎體材料對(duì)金剛石顆粒的機(jī)械包鑲能力。機(jī)械包鑲能力主要取決于胎體材料燒結(jié)過(guò)程的收縮性。CuSn15預(yù)合金粉的添加使得胎體粉末顆粒之間的原子濃度差別增加，從而提高了Cu 原子與Co、Fe 原子的擴(kuò)散能力，增強(qiáng)了胎體材料無(wú)壓燒結(jié)中的收縮性，因收縮而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力就更大，對(duì)金剛石顆粒的機(jī)械包鑲就更強(qiáng)；（3）胎體強(qiáng)度為金剛石顆粒的把持提供支撐力。CuSn15預(yù)合金粉添加量的變化會(huì)影響胎體的強(qiáng)度，具有良好力學(xué)性能的胎體材料不僅能更好的為金剛石提供支撐，還能較好的傳遞各種應(yīng)力，保證金剛石工具材料中的金剛石顆粒在受力時(shí)不會(huì)輕易發(fā)生脫落[16]。

胎體材料對(duì)金剛石顆粒把持力的變化與金剛石工具材料的強(qiáng)度損失率密切相關(guān)。如表3 所示，當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到8%時(shí)，金剛石工具的強(qiáng)度損失率是不斷下降的；當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于8%時(shí)，隨著CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體材料與金剛石顆粒之間產(chǎn)生的化學(xué)鍵合能力增強(qiáng)，并且胎體材料的收縮性增加（金剛石顆粒與胎體之間的間隙變?。箯潖?qiáng)度提高，從而提高了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力，降低了金剛石工具材料的強(qiáng)度損失率；當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)8%時(shí)，雖然胎體與金剛石顆粒之間的化學(xué)鍵合能力增強(qiáng)，但胎體材料的收縮性變差（金剛石顆粒與胎體之間的間隙變大），抗彎強(qiáng)度降低，從而降低了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力，金剛石工具材料的強(qiáng)度損失率變大。

3 結(jié)論

（1）隨著CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度有先增大后降低的規(guī)律。當(dāng)CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，胎體的綜合力學(xué)性能較好，胎體的相對(duì)密度為97.5%，硬度為HRB 104.6，抗彎強(qiáng)度為1112.6 MPa。

（2）隨著CuSn15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，金剛石工具材料的抗彎強(qiáng)度也有先增大而后降低的規(guī)律，胎體與金剛石顆粒之間的平均間隙寬度和強(qiáng)度損失率先降低再增大。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%CuSn15的FeCoCu 胎體制備的金剛石工具抗彎強(qiáng)度較高，為870.7 MPa，胎體與金剛石顆粒間平均間隙寬度和金剛石工具材料強(qiáng)度損失率最低，分別為1.05 μm和21.7%，胎體對(duì)金剛石具有較好把持力。

（3）添加適量的CuSn15預(yù)合金粉可以使更多的胎體元素在金剛石顆粒表面潤(rùn)濕和擴(kuò)散，明顯改善FeCoCu 胎體對(duì)金剛石顆粒的潤(rùn)濕性，使金剛石顆粒與胎體材料產(chǎn)生化學(xué)鍵合作用，從而提高了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力。