金剛石圓鋸片是由金剛石磨粒與金屬胎體經(jīng)過燒結(jié)而成的。金剛石磨粒依靠金屬胎體把它固著在胎體中進(jìn)行鋸切。胎體本身的機(jī)械性能及其對金剛石的固位把持能力將直接決定金剛石鋸片的使用性能及成本構(gòu)成。
       胎體對金剛石的把持力有三種：機(jī)械鑲嵌力、物理吸附力和化學(xué)結(jié)合力。在這三種力中，物理吸附力很小，可以忽略不計，機(jī)械鑲嵌力的大小取決于胎體的空隙率及胎體的強(qiáng)度和硬度，化學(xué)結(jié)合力最強(qiáng)。
       由于具有共價鍵結(jié)構(gòu)的金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能，因此，一般金屬胎體與金剛石磨料之間較難形成化學(xué)結(jié)合，而是以機(jī)械鑲嵌作用為主，其結(jié)果是胎體對金剛石沒有足夠的把持力，使用過程中金剛石磨粒容易脫落、流失，不但縮短了金剛石工具的使用壽命，而且影響加工效率。提高胎體對金剛石把持力的關(guān)鍵在于改善胎體和金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，使胎體和金剛石之間形成強(qiáng)力鍵合。改善界面結(jié)合狀態(tài)的措施概括起來主要有添加強(qiáng)碳化物形成元素、金剛石表面金屬化以及添加稀土元素等三大類。這方面已取得了一些研究成果。

       一、碳化物形成元素

       至今為止，關(guān)于強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Ti、W及其合金的研究和應(yīng)用主要在銅基、鈷基、鐵基中進(jìn)行。研究結(jié)果表明：不同的碳化物形成元素及其不同的含量對同一種胎體材料性能的影響是不一樣的。同樣地，同一種碳化物形成元素對不同胎體材料性能的影響也有很大的差異。
       研究表明，在鐵基中加入Ti會明顯改善金剛石的潤濕性，對金剛石產(chǎn)生物理吸附力和化學(xué)吸附力，從而有效地增強(qiáng)胎體對金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度。有報道指出：在鐵基中加入少量的鈦所制成的刀頭，金剛石出刃高度較高，耐磨性有明顯提高。

       二、金剛石表面金屬化

       金剛石表面金屬化就是在金剛石表面鍍一層與金剛石表面結(jié)合牢固的金屬碳化物層，使金剛石表面具有可焊性、可燒結(jié)性及導(dǎo)電性等金屬特性。其原理是建立在金剛石表面與強(qiáng)碳化物形成元素在合適的工藝條件下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)生成碳化物層的基礎(chǔ)上。

       按照金剛石表面金屬化的模型，金剛石表面的鍍層有三層，即碳化物層、合金層和鍍覆金屬層。鍍覆的金屬及合金主要有W、Cr、Nb-Ti、Mo、TiN、NiWB等。金剛石表面金屬化的方法有多種，如化學(xué)鍍和電鍍、真空物理氣相沉積（PVD）和真空化學(xué)氣相沉積（CVD）、粉末覆蓋燒結(jié)等。目前使用較為普遍的鍍覆方法是真空物理氣相沉積（PVD）和真空化學(xué)氣相燒結(jié)（CVD）以及真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)等。

       三、稀土微量元素的應(yīng)用

       在金屬胎體中添加微量的稀土元素是增強(qiáng)胎體對金剛石把持力的另一種有效措施。稀土元素及其化合物具有一系列獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，在鋼鐵、有色金屬、硬質(zhì)合金及陶瓷材料中得到廣泛的應(yīng)用。有關(guān)報道表明，添加微量的稀土元素對改善金屬胎體的機(jī)械性能及對增加金剛石的把持力有很大的作用，能大大提高金剛石圓鋸片的使用壽命。

       相關(guān)文獻(xiàn)中指出，在鈷基胎體中加入Cu-Ce合金粉，抗彎強(qiáng)度隨Ce含量的增加而增加，在Cu基中加入少量的LaNi5合金粉也有相似的作用。在鐵基中加入稀土，節(jié)塊金剛石的出刃高度和抗彎強(qiáng)度有較大的提高，做成的鋸片在鋸切不同石材時的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、鋸切壽命均有提高。可見，把稀土元素作為金剛石工具中金屬胎體的改性劑是一種有效的方法。
現(xiàn)將已有的有關(guān)稀土元素在金屬胎體/金剛石復(fù)合材料中的作用機(jī)理，總結(jié)為如下幾點(diǎn)：
       （1）稀土元素可與胎體中的氧和硫等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，改善夾雜物分布狀態(tài)，并對金屬胎體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；
       （2）稀土元素可在燒結(jié)過程中還原金屬表面的氧化物，降低氧化膜對原子擴(kuò)散的障礙，加速原子擴(kuò)散，并可提高金屬的粘結(jié)流動性；促進(jìn)燒結(jié)過程，起到活化燒結(jié)的作用；
       （3）稀土元素對金屬氧化物的還原作用可以改善粉末與金剛石顆粒間的潤濕性；
       （4）稀土元素與金剛石表面的氧等雜質(zhì)反應(yīng)，可凈化金剛石表面，提高金剛石的表面活性，促進(jìn)胎體中碳化物形成元素與金剛石之間的反應(yīng)，改善金屬胎體和金剛石的粘結(jié)狀況；
       （5）稀土元素形成的高熔點(diǎn)化合物能對晶界起到釘扎作用，阻止晶粒的長大，有利于細(xì)化晶粒。

       節(jié)選自《金屬基金剛石復(fù)合材料的粉末冶金燒結(jié)工藝》劉曉慧