0 前 言

金刚石工具在干式加工硬脆材料的过程中或者会因为冷却的不充分，容易出现磨削温度过高导致磨具的磨钝速度加快，过早地失去磨削锋利性和加工能力的情况。已有的研究认为，金刚石磨具在干式加工低导热率的硬脆材料时，大约有70%～90%的能量以磨削热的方式传导至磨具，金刚石磨粒的瞬时温度可以达到900℃～1000℃左右[1-2]。由于金属结合剂磨具中的高强度金刚石具有极高的导热率(1450～1800W/mK)[3]，热量可以快速传递至金属结合剂界面处，在磨削力的作用下，金刚石周边的结合剂出现微尺度的热塑性变形(蠕变)，这种周期性的微尺度蠕变行为导致了金属结合剂金刚石磨具干式加工中一种主要的磨损形式，即金刚石磨粒的早期脱落。即使是在湿式加工中，也有可能因为冷却液供应不足或难以进入到金刚石磨粒加工部位，致使工具结合剂的局部温度过高，导致热塑性变形而造成金刚石磨粒的脱落。因此，如能改善结合剂的高温力学性能，就有可能改善工具的加工性能。

Ni3Al金属间化合物具有高熔点(1385℃)、低比重、强抗氧化能力的特性，最重要的是具有“宽温域反常屈服效应”的特点，即材料在较高的温度条件下还可以保持很高的屈服强度，甚至在某个范围内，屈服强度随着温度升高不降反升[4]，如经Fe和Cr强化的Ni3Al基高温合金，其抗压屈服强度会随着温度的升高而升高，在727℃时达到峰值 830MPa[5],因此Ni3Al金属间化合物已经成为高温合金、耐热材料、超高强度钢的重要组成相。华南理工大学的李小强、华中科技大学的熊惟皓、中南大学的杜勇等就使用Ni3Al作为硬质合金或金属陶瓷的粘结相，以提高刀具的高温性能[6-8]。本课题组曾利用Ni-Al强烈的自蔓延反应放热(反应产物NiAl、Ni3Al)来熔化Ni-Cr钎焊合金并进行致密化，从而得到了一种金刚石工具的新型制造方法[9-10]。但目前直接使用Ni3Al作为金属结合剂金刚石工具的相关研究还较少，因此本文提出，使用Ni3Al金属间化合物作为金刚石工具的结合剂，首先制备Ni3Al粉末材料，再通过热压烧结制备Ni3Al基金刚石工具，并研究添加B和Ni-Cr合金对结合剂微观结构和力学性能的影响。

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1 实验方法

本文所用的原料Ni、Al、B粉末采购于北京中金研新材料有限公司；Ni-Cr合金为商用钎焊合金粉末；使用的金刚石为MBS970 35/40目。

将摩尔比为3∶1的Ni粉和Al粉置于行星式球磨机中进行混合球磨，球磨机的转速为250 r/min，时间为3 h，球料比为10∶1。然后将球磨后的粉末置于真空炉内进行燃烧反应，炉内加热最高温度为1100 ℃，保温时间为18 min。最后将反应后的Ni3Al块体进行破碎、研磨，得到Ni3Al粉末，其中位粒径为40 μm。

制备Ni3Al基金刚石工具时，真空热压烧结温度为900℃，热压压强为30 MPa，保温保压时间为10 min，加热过程中炉内真空度不小于10-2 Pa。

热压烧结后的条状样品使用磨床去除毛边后，用阿基米德排水法测试其密度；用HR-150DT型洛氏硬度计测试硬度，其中洛氏硬度计采用Ф1.5875的球压头，100N试验力；采用型号为WDW-100E电子式万能试验机进行三点抗弯强度测定，跨距为20 mm，加载速率为0.5 mm/min；用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)观察样品的显微结构。

2 实验结果与讨论

2.1 Ni3Al粉体的研究

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图1 球磨时间与Ni3Al中位粒径的变化 Fig.1 Changes of milling time and D50 of Ni3Al

该研发中心以科技项目合作研发机制为基础，结合技术合作交流方式开展运作。双方在研发中心的基础上实现资源共享合作，在条件成熟和许可的情况下逐步建立和共享技术专家、大型科研试验设备、科技文献、数据等资源，实现科研平台共建互用。

图2 不同球磨时间的Ni3Al微观形貌 (a)5小时；(b) 10小时；(c) 15小时；(d) 20小时；(e) 30小时；(f) 50小时 Fig.2 Microstructure of Ni3Al with different milling time

2.2 Ni3Al基金刚石工具的力学性能

图3为Ni3Al结合剂中加入0.1%B时对结合剂力学性能的影响，可以看出添加0.1%B的样品的硬度及抗弯强度出现了明显的提高。这与B对Ni3Al的晶界增强作用有关，B可以增强Ni-Ni和Al-Al键能，填补境界空位以及Ni3Al 中的固溶作用都有助于提高Ni3Al的晶界强度[12]，但添加B对烧结致密度没有明细改善，并还略有降低。

由于Ni3Al的烧结温度大于1400℃，为获得适合金刚石工具的烧结温度，本研究在Ni3Al的基础上添加了Ni-Cr合金作为烧结助剂，以获得较高的致密度和力学性能。添加Ni-Cr对Ni3Al金刚石工具的致密度、硬度和抗弯强度的影响如图4～图6所示。从图中可以看出，随着Ni-Cr合金含量的增加，Ni3Al基金刚石工具的致密度、硬度和抗弯强度都随之升高。

图1展示了球磨时间与Ni3Al粉体中位粒径的关系。从图中可以看出，在球磨15 h内，Ni3Al粉末的中位粒径急剧下降；15h后，其中位粒径约为44μm，在球磨15～50h过程中，虽然中位粒径还在下降，但其下降的速率已经逐渐放缓；经过50h后，其中位粒径为29μm。在球磨初期阶段，由于Ni3Al为L12型长程有序金属间化合物，在室温下脆性较大，经过磨球的不断碰撞、挤压，使得Ni3Al粒径迅速下降，属于剧烈破碎阶段；在15～50h过程中，由于大部分大尺寸的Ni3Al都被破碎成更小的尺寸，使得单位体积的表面自由能增加，若要进一步细化Ni3Al粉末，则所需的能量也越大，故其中位粒径下降的速度变缓，若要进一步提高粉末细化程度，则应提高球磨能量，如提高转速、增加球料比等。

钻井废弃泥浆中含有大量的污染物，主要是由粘土、加重材料、污水、各种化学处理剂、污油及钻屑等组成的多项稳态的胶体悬浮体系［1］，危害环境的主要成分为各种聚合物、盐类、烃类、磺酸盐、某些金属离子（砷、铬、汞、铜、锌及铅）和重晶石中的杂质。如果不对这些污染物进行有效的处理，将导致土壤、地下水的污染［2］。

这与Ni-Cr合金在Ni3Al烧结过程中提高致密度有关，Ni-Cr合金在900℃已呈液相，此时Ni3Al以液相烧结形式进行，随着Ni-Cr合金含量的提高，其烧结致密度也因此提高。而烧结致密度对粉末冶金烧结制品的硬度和强度有明显的影响。

图3 B元素对Ni3Al基金刚石工具的影响 Fig.3 Effect of B element on Ni3Al bond diamond tool

图4 Ni-Cr合金添加量对Ni3Al基金刚石工具烧结致密度的影响 Fig.4 Effect of Ni-Cr alloy addition on density of Ni3Al based diamond tool

图5 Ni-Cr合金添加量对Ni3Al基金刚石工具硬度的影响 Fig.5 Effect of Ni-Cr alloy addition on hardness of Ni3Al based diamond tool

图7a～c分别为纯Ni3Al、添加0.1%B 以及添加30%Ni-Cr合金的Ni3Al基金刚石工具的断口相貌。从图中可以看出，几种工具断口无明显差异，金刚石工具的断面无明显的裂纹、气孔等缺陷。

图6 Ni-Cr合金添加量对Ni3Al基金刚石工具抗弯强度的影响 Fig.6 Effect of Ni-Cr alloy addition on bending strength of Ni3Al based diamond tool

2.3 Ni3Al基金刚石工具的微观结构分析

如图6所示，随着Ni-Cr含量的不断增加，Ni3Al基金刚石工具的抗弯强度也相应地升高，这除了致密度的影响外，Ni-Cr合金对金刚石良好的润湿作用和化学冶金反应也有一定的作用。

纯Ni3Al结合剂(Ni3Al +D)和添加Ni-Cr合金(Ni3Al+30.%Ni-Cr+D)样品的XRD谱图如图10所示，从图中可以看出，反应后的Ni3Al/金刚石烧结后除了Ni3Al外，还反应生成了NiAl和NiAl3等产物，而添加Ni-Cr合金后产物中含有一定量的Ni-Cr固溶体合金，未有明显的Ni-Cr合金与金刚石的反应产物，这可能是金刚石的含量较少，Ni-Cr合金与金刚石的反应产物不能明显被XRD检测出，但从图9可以看出Cr元素的富集，表明可能有金刚石与Cr元素的反应富集。

图2为经过不同球磨时间后的Ni3Al粉末的微观形貌，从图中可以看出，球磨5h后，Ni3Al呈现无规则颗粒状，颗粒上有明显的挤压、变形、破碎现象；球磨10h后，大部分颗粒被压扁，其中较小的颗粒已经变为片状；球磨20h后，所有的Ni3Al颗粒都变为片状，并且随着球磨时间的不断增加，片状的Ni3Al不断变薄变小。在颗粒尺寸较大的时候，球磨使得大颗粒Ni3Al快速破碎为小颗粒，随着球磨时间的增加，颗粒不断变小，并最终形成一个稳定的平衡态，即颗粒的冷焊和破碎达到动态平衡，此时颗粒尺寸不再发生变化[11]。颗粒变小后，由于活度的增加，一方面使增殖的位错和晶界大大破坏了晶体结构的完整性，另一方面，进一步的球磨使得颗粒间仍在不断地进行挤压、断裂，变为更小的片状。

图8、图9分别为纯Ni3Al结合剂(Ni3Al+D)和添加Ni-Cr合金(30%Ni-Cr+Ni3Al+D)样品中结合剂与金刚石结合界面的面扫描能谱图。从图中可以发现，Ni-Cr元素均匀地分布于Ni3Al中，Ni-Cr合金样品中金刚石的边界出现了Cr元素的富集现象，这可能是因为金刚石与Cr(碳化物形成元素)的界面反应形成Cr3C2等反应产物导致的元素富集。

本文只对Ni3Al基金刚石工具的制备进行了初步探索，其制备工艺与力学性能改善以及加工性能测试还需要进一步深入研究。

图7 Ni3Al结合剂与金刚石的界面结合状态SEM显微照片 (a)Ni3Al+D；(b) Ni3Al+0.1% B+D;(c) Ni3Al+30%Ni-Cr+D； Fig.7 SEM images of interface bonding between Ni3Al bond and diamond

图8 Ni3Al+D样品结合界面EDS分析结果 (a)扫描区域；(b) Al扫面结果；(c)Carbon；(d) Ni； Fig.8 EDS images of reacted sample Ni3Al+D

图9 Ni3Al+30 %Ni-Cr+D样品结合界面EDS (a)扫描区域；(b) Al元素；(c)C元素；(d) Ni元素；(e) Cr元素；(f) Fe元素 Fig.9 EDS images of reacted sample Ni3Al+30%Ni-Cr+D

图10 真空热压制备Ni3Al基金刚石刀头的XRD图谱 Fig.10 XRD pattern of Ni3Al based diamond tools prepared by vacuum hot pressing

3 结论

(1)通过自蔓延方法制备的Ni3Al经过10h球磨后呈现出片状结构，经 20h球磨后，其粒径可以降低到40μm以下。

(2)添加0.1%的B有助于提高Ni3Al基金刚石工具的硬度和抗弯强度。随着Ni-Cr合金添加量的增加，热压烧结Ni3Al基金刚石工具的致密度、硬度和抗弯强度都有所提高。

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(3)热压烧结后，金刚石可与Ni3Al形成良好的界面结合，添加Ni-Cr合金后，金刚石与Ni-Cr合金可以形成化学冶金结合剂，导致金刚石边界出现了Cr元素富集。

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