金剛石由於其極高的硬度被廣泛應用於地質勘探和脆硬材料的切割 、磨削及拋光等領域。在最常用的金屬基金剛石工具中 ，金剛石是切削元件 ，金屬胎體用來固結切削元件 ，並使之有適當的出刃 。因而要求金剛石工具胎體既要能牢固粘結金剛石又要與其磨損“匹配” 。而胎體的性能主要取決於胎體材料的成分及其微觀結構 。

　　在保證燒結質量的前提下 ，添加不同的合金元素可以提高胎體的力學性能以及改善結合劑和金剛石界麵結合狀況 。本文對組成金屬結合劑胎體中添加的骨架材料 、強碳化物形成元素 、稀土元素以及非金屬元素等的研究進展進行綜述 。

　　骨架材料一般是具有高熔點 、高硬度的粉末材料 ，如WC 、W₂C 、TiC等 ，也有用難熔金屬W和Mo代替WC等使用 。骨架材料加入的主要目的是提高工具胎體的硬度和耐磨性 ，也有些可以起到提高韌性的作用 。在胎體合金中摻入少量TaC 、NbC能阻礙碳化物相的再結晶 ，細化合金晶粒 ，提高合金的硬度和抗彎強度等性能 。SiC也可作為一種骨架材料加入到胎體材料中 。比如在Fe–Cu 合金中加入1 wt% SiC ，經高溫燒結後（1150℃） ，可以使胎體硬度提高14% 。

　　骨架材料的粒度也會對工具性能有較大的影響 。研究表明添加細粒度的WC對位錯運動有著釘紮作用 ，從而提高胎體的強度和硬度 。在Sn-Ni-Co-Cu合金金剛石結塊配方中添加超細WC粉末能改善結塊的微觀結構 ，細化晶粒 ，提高胎體對金剛石的結合強度 。而納米尺度的WC作為骨架材料加入到金剛石工具胎體中 ，可以明顯改善胎體的力學性能 。本課題組也正在從事這方麵的研究工作 。

　　具有共價鍵的金剛石和多數金屬合金之間有很高的界麵能 ，一般金屬與金剛石之間不發生界麵反應 ，以機械鑲嵌為主 ，胎體對金剛石沒有足夠的把持力 。而向胎體中添加一些碳化物形成元素 ，則可以改善胎體對金剛石的界麵結合狀態 ，提高胎體對金剛石的把持力 。

　　目前 ，胎體中添加的碳化物形成元素主要包括Ti 、Cr 、V  、W 、Zr及其合金等 。Mortimer研究發現 ，當Cr 、V的含量超過0.1 at.% 或Ti的含量超過10 at.%時 ，Cr  、V或Ti的二元合金都能潤濕並粘結金剛石 ，形成的碳化物層厚度隨添加元素的濃度和反應時間的增加而變厚 。在常溫下金剛石與胎體的結合強度隨著碳化物形成元素濃度的增加而增加 ，在某一濃度達到最大值，隨後降低 。文獻指出當Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1 at.%時 ，粘結強度出現一峰值 ，高達35kg/mm² 。Ti濃度在0.07 at.%左右時 ，粘結強度出現峰值 ，約在40kg/mm²以上 。當合金中含V量達到0.01 at.%時，粘結強度出現峰值高達65kg/mm² ，再提高V的含量 ，粘結強度下降 ，當V含量增加至10 at.%時 ，粘結強度下降至15kg/mm² 。文獻指出當鈷基金剛石胎體材料中Cr含量從0增加到4 wt.%時 ，胎體抗彎強度從801MPa增加到923.1MPa,提高了15% ；在Co-Cu基胎體中 ，複合添加Al+Ti的效果優於Cr 、TiH₂ 。

　　為了揭示碳化物形成元素在金剛石工具中的作用機理 ，國內外不少學者采用各種分析方法對結合劑與金剛石複合材料在熱壓時界麵反應及反應產物的形態和分布進行了分析 。一般認為碳化物形成元素在結合劑中的作用機理是 ：在低熔點金屬中加少量的強碳化物形成元素 ，在適當的溫度下 ，與金剛石發生反應 ：C+Me→MeC ，在金剛石表麵形成一層十分穩定的界麵反應層 ，從而提高胎體對金剛石的粘結強度 。

　　比如文獻指出在金剛石工具胎體中加入ZrH₂ 、Zr₃N₂ 、TiH₂以及Ti₃N₂可在金剛石與胎體金屬界麵處生成了一薄層金屬碳化物ZrC和TiC ，使金剛石在胎體中由機械包鑲變成化學冶金結合 。文獻通過對Cu-Ti合金與金剛石（或石墨）界麵的微區組織分析 ，得到Cu-Ti合金中的Ti原子與金剛石（石墨）的表麵的碳原子在高溫下反應生成穩定的 、斷續的TiC膜 。且認為Cu-Ti合金對金剛石的浸潤和粘結是通過TiC實現的 。文獻在鐵基胎體材料中添加一定量鈦 ，鈦以碳化鈦反應產物的形式隨著熱壓溫度的提高而富集在粉末顆粒與金剛石的表麵 ，提高了胎體材料對金剛石的粘結強度 。含Cr的Co基和Cu基胎體在熱壓時 ，Cr富集於金剛石表麵並與金剛石反應 ，經X衍射分析發現在金剛石表麵生成了Cr₇C₃和Cr₃C₂的碳化物層 ，實現了金剛石表麵金屬化 ，從而改善了胎體材料對金剛石的潤濕性能 ，提高了胎體對金剛石的粘結強度 。

　　此外，碳化物形成元素對胎體也存著固溶強化的作用 。文獻通過對Cr在常用胎體材料中的擴散反應及Cr對胎體材料粘結金剛石的影響時發現 ：在820℃短時熱壓條件下 ，Cr在鈷-青銅係和Fe-青銅係胎體材料中分別形成了8~20mm和4~10mm厚的擴散層 ；成分分析表明Cr在A-Fe 、C-Co和A-Cu中的溶解度依次減少 ；Cr顯著強化了胎體材料 。另外文獻也有類似的結果 。

　　金屬基金剛石工具結合劑中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒 、淨化金剛石與胎體界麵 ，從而改善結合劑與金剛石的界麵結合狀態 。我國稀土資源豐富 、價格低廉 ，常用稀土元素包括La 、Ce 、Nd及其化合物 。研究發現在銅基胎體中加入稀土元素La 、Ce可以提高金剛石和胎體的結合力 、胎體的機械性能 、金剛石的出刃高度以及改善金剛石工具的自銳性等作用 ，且對工具的耐磨性影響不大 ；添加稀土LaNi₅合金粉末 ，可顯著提高胎體的抗彎強度和金剛石的出刃高度 。當La含量達0.75 wt.%時 ，含金剛石胎體的抗彎強度提高39.8% ，磨損後金剛石在胎體中的出露高度提高30% 。在鐵基中加入0.8 wt.%的La和Nd ，金剛石結塊的抗彎強度和衝擊韌性分別提高了19.7%和23% 。

　　胎體的種類不同和稀土元素的加入形式不同 ，其作用效果有較明顯的差別 。文獻研究表明在銅基金屬胎體中加入稀土La的不同形式化合物比如LaNi₅ 、La₂O₃ 、La(NO₃)₃ ，發現適量的LaNi₅可顯著提高胎體的抗彎強度及胎體和金剛石粘結性能 ，La₂O₃對其影響不大 ，La(NO₃)₃使胎體的抗彎強度及胎體和金剛石粘結性能顯著降低 。文獻指出在鐵基胎體中分別加入富Ce混合稀土粉末 、稀土中間合金LaNi₅ 和CeO₂ ，對胎體力學性能的影響沒有多大的區別 。

　　稀土元素在金屬胎體中作用機理可歸結為如下 ：a）稀土元素可以與胎體中的氧 、硫 、氮等雜質發生反應 ，抑製氧硫氮的偏析 ，改善夾雜物分布狀態，淨化胎體材料與金剛石結合界麵 ，促進胎體中碳化物形成元素與金剛石之間的反應 ，改善金屬胎體和金剛石的粘結狀況 ；b）稀土元素可以細化晶粒 ，提高胎體的力學性能等 ；c）稀土元素可在燒結過程化中還原金屬表麵氧化物 ，降低氧化膜對原子擴散的障礙 ，促進燒結過程 ，起到活化燒結和類似預氧化燒結的作用 。上述關於稀土在金剛石工具中的作用機理 ，有些還沒有得到較好的實驗驗證 ，在金剛石工具設計應用中缺乏足夠的依據 ，限製了稀土在金剛石工具製造領域中的應用和推廣 。隨著科技的發展和現在檢測技術的進步 ，稀土在金剛石工具領域中的應用將會進一步拓寬 。

　　微量非金屬元素Si 、B 、P 、石墨粉 、玻璃粉等的加入 ，可以改善胎體材料的性能 。Si與金剛石的膨脹係數接近 ，冷熱變化時體積效應小 ，且Si有較強的脫氧能力等作用 。B可以提高胎體的耐磨性 、減小胎體變形 、提高胎體對金剛石的結合強度等 。在銅基胎體中加入適量的P和Si均能降低Cu合金的熔點 ，使銅合金能在較低的溫度下浸潤金剛石 。研究表明在鈷基胎體中添加Si（<2 wt.%）可以提高胎體的耐磨性 ，增強了胎體材料對金剛石的把持力 。在鐵基胎體中添加適量的P ，胎體合金的燒結溫度可降低到840~800℃ ，減小了鐵對金剛石的熱侵蝕作用 ，改善了胎體合金的顯微組織和力學性能 ，提高了胎體對金剛石的包鑲能力以及工具的自銳性 。在銅基胎體材料中添加石墨粉和玻璃粉 ，可有效降低胎體材料的耐磨損性能 ，提高金剛石工具切割速度以及金剛石的出刃高度 。當石墨和玻璃粉添加量為3 wt.%時 ，胎體的綜合性能最好 。

　　金屬基金剛石工具結合劑中添加元素的種類較多 ，由於研究者采用的試驗方法和手段不同 ，選擇的結合劑的種類和燒結工藝不同 ，使得實驗結果存在一定的差異 。某些添加元素的作用機理還沒有得到充分的驗證 ，有待於進一步的研究 。納米材料（如納米WC 、納米稀土等）在金屬基金剛石工具中的應用具有廣泛前景 ，還需要進一步研究 。