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摘要：钴基结合剂是广泛用于烧结金刚石磨具的结合剂，钴基结合剂的硬度高、韧性好、化学相容性好、烧结温度低、磨损性能优越等。在含钴的金属结合剂金刚石磨具中，钴起着十分重要的作用。钴基结合剂的金刚石工具有令人满意的寿命和效率的最佳组合。文章通过对钴基结合剂做相应的研究，提出根据实际情况选用钴基结合剂的原因。在选定钴基结合剂的基础上，从钴元素出发分析了钴的物理力学性能。最后，通过物理力学性能测试实验，优化选择了钴的含量，从而提出兼顾技术因素和经济因素的性价比较好的结合剂，同时进行胎体配方研究，并在此基础上做了相应的探讨。
关键词：钴基结合剂；抗弯强度；耐磨性
在金刚石工具的金属结合剂中，钴被认为是最出色的结合剂金属之一，钴既可以降低结合剂和金刚石的界面张力，液相下对金刚石又有较大的附着功，是铜与金刚石附着功的十余倍。此外，钴基结合剂还具有较高抗弯强度，以及耐磨等优点，这种特性使得钴结合剂在金刚石工具中的应用具有较明显的优势。
1钴基结合剂的性能优点
1.1钴的高温性能
钴的高温性能主要体现在其能够在高温下保持较高的强度，并且具有较低的导热性、导电性以及较强的铁磁性。钴是一种硬质金属，其熔点约为1500℃,沸点约为3100℃,这些物理性质表明钴具有优异的高温稳定性。钴的高温性能和抗腐蚀性能良好，能够与多种金属组成合金，这些合金在高温下能够保持较高的强度，这对于许多工业应用来说是非常重要的[1]。例如，钴基高温合金是含钴量40%~65%的奥氏体高温合金，在730~1100℃的条件下具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力，适用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业，具体包括现代燃汽涡轮发动机的燃烧室、涡轮导向叶片与工作叶片、涡轮盘及涡轮转子结构件、航空发动机盘件、环形件等高温转动部件。此外，钴的应用领域广泛，包括但不限于机械制造、电子电器、航空航天、电池制造等行业。钴在高温下能够保持较高的强度，并且具有较低的导热性和导电性以及较强的铁磁性，是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料[2]。
钴基合金的优越性在温度超过1038℃时尤为明显，特别适合用于制作高效率的高温发动机和汽轮机等，因此，钴基合金被广泛地应用在航空航天和现代军事领域中，这些特性是钴基结合剂金刚石工具使用性能优异的原因之一。钴的熔点较高，而热压烧结的温度一般都在1000℃以下，所以可以有效的保护好金刚石，并且钴在高温时具有很高的红硬性。钴对石墨的接触角相对较大，可以更好的镶嵌住金刚石，使金刚石不轻易掉落。
1.2粘结剂的物理属性和晶体结构
粘结剂的物理属性和晶体结构主要取决于其组成成分。粘结剂是磨料和基体之间粘结强度的保证。随着化工工业的发展，各种新型粘结剂进入了涂附磨具领域，提高了涂附磨具的性能，促进了涂附磨具工业的发展。
粘结剂的基本组分包括：①粘结物质，也称黏料，是胶黏剂中的基本组分，起黏结作用。其性质决定了胶粘剂的性能、用途和使用条件。一般多用各种树脂、橡胶类及天然高分子化合物作为粘结物质。②固化剂，用于促进或引发粘结物质的固化反应。此外，根据使用要求，在胶粘剂中经常掺入固化剂、促进剂、增强剂、稀释剂、填料等。这些添加剂可以进一步影响粘结剂的物理属性和晶体结构。例如，固化剂可以加速粘结物质的固化过程，而填料则可以增加粘结剂的强度和稳定性[3]。
粘结剂的物理属性包括但不限于粘度、固化速度、固化后的硬度、柔韧性、耐热性、耐化学性等。这些属性直接影响粘结剂的使用范围和效果。晶体结构则主要与粘结物质本身的化学结构有关，不同的化学结构可能导致不同的晶体结构和物理属性。粘结剂的物理属性和晶体结构是由其基本组成成分、添加剂以及化学结构共同决定的。这些因素共同影响着粘结剂的性能和使用效果[4]。从元素周期表知，钴的原子序数为27，是第四周期过渡族元素，原子量为58.93。钴的前面为铁元素，原子量为55.85；后面为镍元素，原子量为58.69。Co的晶胞常数3.54埃比Ni的晶胞常数3.52埃更接近于金刚石的晶胞常数3.56埃，原子中多缺一个3d电子，且Co在高温条件下能与一些石墨化的金刚石互相形成碳钴化合物，因此Co对金刚石合适。
1.3钴在胎体中的作用
钴在胎体中的作用是提高胎体的抗弯强度、改善综合切割性能，并增强与金刚石的亲和力。钴作为一种重要的金属元素，在金刚石钻头和其他金刚石制品的胎体中扮演着关键角色[5]。它的作用主要体现在以下方面：一是提高抗弯强度，钴具有较高的抗弯强度，能够显著提高铜基胎体和铁基胎体的抗弯强度，从而增强胎体的整体机械性能；二是改善综合切割性能，钴的易磨损性使其能够大幅提高金刚石工具的综合切割性能，这对于提高加工效率和加工质量具有重要意义；三是增强与金刚石的亲和力，钴对碳材料和骨架材料都具有较低的接触角和较大的附着功，与金刚石有较大的亲和力。这种亲和力有助于增强结合剂与金刚石之间的结合力，从而提高工具的性能和耐用性；四是良好的烧结性和成形性：还原钴粉具有良好的烧结性和成形性，适于激光焊接等先进制造技术，这对于提高胎体的致密度和均匀性非常有利；五是降低成本，在高铁基胎体中加入一定量的纯钴，可降低胎体的成本，同时保持较好的性能。这种做法在高端工具产品中尤为常见，因为能够在保证性能的同时，实现成本的有效控制[6]。
钴在胎体中的作用是多方面的，不仅提高了胎体的物理性能，还改善了工具的加工质量和效率，是金刚石工具制造中不可或缺的重要元素。钴烧结的过程主要涉及钴在金刚石层中的扩散、熔渗和迁移过程。钴原子在金刚石层中通过固相扩散的方式移动，随着温度的升高，钴达到熔点，形成液态，通过熔渗的方式进一步渗透到金刚石层中，在烧结过程中，钴的浓度会在金刚石层中形成高浓度峰，并经历一种“波浪”式的迁移过程。这种迁移与金刚石聚晶结构的形成以及聚晶晶粒的异常长大密切相关，是由温度梯度和碳浓度差直接驱动的。
钴基胎体具有较高的冲击韧性和较大的线膨胀系数，且钴基胎体的耐磨性有利于金刚石出刃，对金刚石有较好的包镶性能，钴基胎体与钢体具有良好的可焊性。
2钴含量的影响
2.1纯钴烧结后的性能
由图1所示，在925℃时无金刚石胎体抗弯强度达到最大值，在900℃时含金刚石胎体抗弯强度达到最大值，胎体密度和硬度随温度升高而提高。如图2所示胎体烧结密度随温度升高而增加。如图3显示磨损失重随着烧结温度升高而下降。烧结温度对胎体性能的具体影响,如表1所示。
2.2钴含量对胎体物理性能的影响
分3组进行试验测定钴含量对胎体性能的影响。含钴量分3个档次78%、85%、92%，加适量的铬；含钴78%、85%、92%，加适量的氢化钛；含钴78%、85%、92%，加适量的钛、铝。3组实验的胎体中的其他成分为6-6-3青铜。实验结果见表2。
由表2实验数据发现，抗弯强度、硬度，耐磨性随钴含量提高而下降，三组实验的规律十分明显。
如图4所示磨损失重随钴含量提高而提高。进一步验证钴含量对胎体耐磨性的影响，又进行了一组不同钴含量胎体的耐磨性能实验，考察其重复性。胎体中除6-6-3青铜外，还有少量的Cr、Ni、Mn。
从图5中可以更明显地看到，胎体的磨损失重随着Co含量的增加而不断增加，这和前面表1中的实验数据相吻合，更证明了前面判断的正确性。
表3中的实验数据除硬度变化不明显外，其余变化规律都与表2中的变化规律相同。
3结语
金刚石工具对结合剂的要求主要包括：①结合剂的组成和性能应与金刚石磨料的品种和性能相适应，②结合剂的组成和性能应与加工材质和加工方式相适应[7]。不同强度的金刚石工具适用的结合剂类型包括树脂结合剂、青铜结合剂、钻基合金、铁基合金、钨基合金或硬质合金结合剂。树脂结合剂适用于低强度的金刚石工具，例如CDA系列和RVG系列的金刚石磨料，以及RVD低强度金刚石，主要用于树脂结合剂磨具。青铜结合剂适用于中强度的金刚石工具，如MDA、MBD等系列的中强度金刚石，青铜结合剂的类型和性能随着成分及其含量的改变以及成型烧结工艺条件的不同而变化。钻基合金、铁基合金、钨基合金或硬质合金结合剂适用于高强度的金刚石工具，用于制造硬质石材锯片和地质钻头，这些结合剂具有高强度、高硬度和复杂的化学成分，以适应加工条件苛刻、要求高的磨具。金刚石工具的结合剂选择需根据磨料的特性、加工材料的性质以及加工方式的不同进行合理搭配，以确保工具的性能和效率[8]。
高质量的金刚石具有更好的耐磨性，要求结合剂也具有很好的耐磨性，以充分发挥高质量金刚石的作用。金刚石工具与结合剂的选择相匹配，对工具的耐磨性有重要影响。选择合适的胎体配方能够较好地改善薄壁钻头的性能，同时在胎体中适量的加入其他成分的含量，可以使钻齿具有更好的工作性能。
参考文献
［1］董书山，冯海洲，乔翠娅.金刚石绳锯结合剂的应用现状及发展趋势［J］.超硬材料工程，2018，30（4）：46-54.
［2］王艳娇，郭桦，张星，等.金刚石绳锯中串珠基体铜镀层与钴基工作层之间结合性能分析［J］.金刚石与磨料磨具工程，2013，33（3）：5-11.
［3］孙毓超，宋月清.对结合剂中钴的再认识［J］.人工晶体学报，2002（6）：608-615.
［4］郝敬林，邓丽芬，王凯悦，等.高温高压合成掺杂金刚石研究进展［J］.人工晶体学报，2024，53（2）：194-209.
［5］陈卫民，李磊，刘杰，等.钴的脱除工艺对聚晶金刚石复合片性能的影响［J］.硬质合金，2023，40（4）：271-278.
［6］朱佳俊，魏文亮，吴名扬，等.从聚晶金刚石复合片（PDC）外圆加工废料中浸出钴［J］.湿法冶金，2021，40（5）：373-376.
［7］谢忠峡.采用镍钴锰镀层制造玉雕用金刚石工具［J］.世界有色金属，2018（10）：245-246.
［8］蒙宇飞，苑执中.金刚石中过渡金属的研究现状［J］.矿物岩石地球化学通报，2002（3）：202-205.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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浅析钴基结合剂在金刚石工具中的使用论文
人参与 2024-12-13 10:09:22 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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