浅析钴基结合剂在金刚石工具中的使用

覃 皓

摘 要

在金刚石工具结合剂中，钴被认为是最出色的结合剂金属。纯钴或钴基结合剂具有抗弯强度高，对碳材料和碳化物的润湿性和粘结性好、耐磨等。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。本文通过对钴基结合剂作相应的研究，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得探讨。

关键词：钴基结合剂；抗弯强度；耐磨性

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一、前言

在各种金刚石工具结合剂中，钴被认为是最出色的结合剂金属。纯钴或钴基结合剂具有抗弯强度高，对碳材料和碳化物的润湿性和粘结性好、耐磨等。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。

二、钴基结合剂的性能优点

（一）钴的高温性能

钴在液相时对石墨（金刚石）WC、TiC、WC·TiC有很好的润湿性，对石墨的附着功约为铜的10倍以上。这些特性可以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。

（二）粘结剂的物理属性和晶体结构

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。

（三）钴在胎体中的作用

钴比较容易烧结，在热压烧结时一部分溶于合金中，从而提高合金的强度和耐磨性；一部分固体纯钴为骨架相。钴在钻头胎体中是不可缺少的粘结相，在多元系粉末烧结温度下，由于易熔，使得颗粒相互靠拢，从而促进了制品的收缩致密化过程，钴在液相合金中溶解度较大，是否全部溶入取决于烧结温度和配方中钴的含量，钴在胎体中可以提高合金的热强硬性。钴基胎体具有较高的冲击韧性和较大的线膨胀系数，而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。

三、在钴基结合剂中钴含量的影响

（一）纯钴烧结后的性能。

烧结温度（℃）	800	850	875	900	925	950
胎体抗弯（Mpa）	1108.6	1217.3	1253.2	1278.1	1281.6	1166.8
含dia抗弯（Mpa）	____	1121.1	1203.1	1209.5	989.4	805.3
烧结密度（g/cm3）	7.96	8.17	8.39	8.43	8.47	8.55
硬度（HB）	191.5	200.1	212.4	223.9	228.3	238.6
磨损失重（mg）	____	42.67	42.71	42.18	41.73	40.02

表1

表1数据显示，无金刚石胎体在925℃时抗弯强度达到最大值，含金刚石胎体在900℃时达最大值。胎体密度和硬度随温度升高而升高，胎体的耐磨性随温度的升高而略有提高。

在950℃时，抗弯强度急剧下降。

图1给出的纯钴胎体的抗弯强度与温度的关系曲线。

图2给出胎体密度与烧结温度的关系

胎体烧结密度随温度升高而增大；胎体硬度随温度升高呈现上升趋势，但上升幅度不大。

图3给出纯钴胎体耐磨性与烧结温度的关系曲线。

随着烧结温度的提高，磨损失重降低，耐磨性提高。

（二）在钴基结合剂中钴含量的影响

   验证钴含量对胎体性能的影响，分组进行实验测定。含钴量分三个档次：77%、84%、91%，加适量的铬；含钴77%、84%、91%，把适量的铬换成等量的氢化钛；含钴77%、84%、91%，只加适量的钛、铝。

三组实验的胎体中的其他成分为6-6-3青铜。钴粉、6-6-3青铜粉等批次相同，烧结工艺相同，实验规范和条件相同。实验结果见表2。

组别	Ⅰ（适量Cr）			Ⅱ（与Cr等量TiH2）			Ⅲ（与Cr等量Ti、Al）
钴含量（%Wt）	78	85	92	78	85	92	78	85	92
抗弯强度（Mpa）	789.6	909.8	971.2	764.2	852.3	911.7	812.3	821.1	837.6
刀头抗弯（Mpa）	686.9	747.1	803.6	645.9	726.8	802.1	820.9	891.4	915.1
硬度（HRC）	35.3	34.6	33.4	35.9	34.7	25.9	38.1	34.9	31.6
磨损失重（mg）	30.1	31.1	33.4	28.6	29.9	32.1	26.8	29.7	31.8

表2

从三种实验数据中明显发现，钴基胎体抗弯强度和含金刚石胎体抗弯强度随钴含量提高而提高；胎体硬度随钴含量提高而下降；磨损失重随钴含量提高而增加（图4），既胎体耐磨性随钴含量提高而下降。

三组实验的规律十分明显。

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。

图5给出钴含量从75%~93%的磨损失重变化。

从图5中 可以更明显的看到，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中的实验数据不谋而合，更证明了前面判断的真确性。 

   表3给出钴含量对钴基胎体性能的影响。

序号	Co%Wt	6-6-3%Wt	抗弯（Mpa）	dia抗弯（Mpa）	磨损失重（mg）	硬度（HB）
1	93	0	1546.5	1361.2	43.96	202
2	91	2	1309.2	1119.4	40.12	200
3	89	4	1106.2	1052.7	39.56	201
4	85	8	1266.1	1231.1	38.1	209
5	80	13	1129.4	1001.1	36.8	215
6	75	18	1055.1	955.1	33.2	233

表3

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。

五、结语

适度的磨损性能和不易变形是保证金刚石工具质量的重要因素，只要粉末冶金质量的到保证，影响工具质量的首要因素是结合剂的磨损性能和变形性。钴对金刚石工具来说，具有最合适的磨损性能。在钴基结合剂中，随着钴含量的提高变得易于磨损，工具的性能得到提升。要根据实际使用环境来调解结合剂中的钴含量，钴基合金结合剂工具的寿命和效率有时要好于纯钴结合剂工具。结合剂烧结后的低孔隙率可以保证胎体的粉末冶金质量；结合剂的抗弯强度值达到700Mpa左右具有比较好的性价比。选择合适的胎体配方较大的改善薄壁钻头的性能，而不是纯钴的配方性能就优越，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。