碳化物形成元素，都具有一個未填滿的d電子層，d電子層愈是不滿，形成碳化物的能力就愈強，即和碳的親和力愈大，從而形成的碳化物也就愈穩定。合金元素形成碳化物的能力由強至弱排列如下：Ti、Zr、V、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。一般把Ti、Zr、V、Ta、Nb算作強碳化物形成元素，把W、Mo、Cr、Mn、Fe算作弱碳化物形成元素。有時也將W、Mo稱為中強碳化物形成元素。
基本介紹
- 中文名：碳化物形成元素
- 外文名：Carbide forms elements
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 特點：具有一個未填滿的d電子層
- 合金元素：Ti、Zr、V、Ta、Nb、W等
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介紹
合金元素形成碳化物的能力由強至弱排列如下：Ti、Zr、V、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。一般把Ti、Zr、V、Ta、Nb算作強碳化物形成元素，把W、Mo、Cr、Mn、Fe算作弱碳化物形成元素。有時也將W、Mo稱為中強碳化物形成元素。
在胎體中，金剛石原料的質量固然對其性能及質量有重要影響，而強碳化物形成元素在胎體中所扮演的是金剛石與胎體中其它材料之間橋樑的作用。如果它的作用不強，即使提高金剛石的品級及質量，對整個胎體質量的提高也是事倍功半。因此，我們對強碳化物形成元素在胎體中的作用及對金剛石工具質量的影回響有所研究。
純金屬元素
由於金剛石與一般金屬元素液體之間的界面能很高，所以大多數純金屬對金剛石的浸潤性很差。常見的低熔點純金屬對金剛石的浸潤角都在100°以上。
從理論上討論，我們知道金剛石是SP3雜化形成共價鍵結合。它是碳的同素異構體，其碳原子有個空鍵，在合適的條件下易與一些過渡族金屬元素結合，其結合的難易程度取決於過渡金屬3d層未充滿的電子數目。凡是d層缺乏電子數愈多的元素，與金剛石表面形成碳化物的傾向就愈強烈，所生成碳化物也愈穩定。在過渡族元素中Ti正好具備了這個條件。然而，這種強碳化物形成元素雖然對金剛石有良好的浸潤，但它們熔點都相當高，極易引起金剛石的石墨化。所以我們認為這些純金屬不宜單獨作為胎體的粘結材料來使用。
強碳化物
在對金剛石呈隋性的低熔點金屬（Cu Ag sn等）中加入少量強碳化物形成金屬，能有效地改善胎體中粘結劑對金剛石的浸潤性，增強對金剛石的把持力。
這是因為它們與金剛石之間形成了一層很薄的碳化層，改變了金剛石的表面狀態，從而促使合金對金剛石的浸潤和熔焊。並且降低了胎體的燒結溫度。如高熔點的錳加上低熔點的銅（32%Mn+68%Cu）組成的共晶合金熔點可降至820℃ 。但也不是說強碳化物形成金屬含量愈高，胎體質量愈好。我們曾做過一組比較，發現在相同的燒結溫度下， 當鈦元素含量過大時，抗彎強度反而下降。
這是因為鈦的熔點很高，含量過大時而燒結溫度又不能太高以至於整個胎體呈固相燒結狀態，導致抗彎強度下降。當然低熔點金屬含量也是有比例的。如錫在7-10% 時，不僅能降低燒結溫度，增加胎體的有效合金化，而且能提高塑性。但含量過高時則會造成胎體脆性增加，嚴重時會造成胎體破碎，反而影響了胎體的質量。
另外，製造金剛石工具時，常用碳化鎢來調整胎體的耐磨性和強度。試驗表明，它影響了強碳化物形成元素對金剛石的粘接。這裡我們用石墨塊來模擬金剛石，在粘結劑和燒結溫度都相同的情況下，一類用碳化鎢粉末、另一類用純鎢粉末。發現抗彎強度後者是前者的近二倍。這是因為在常用的碳化鎢金屬粉末中，存有一定量的游離碳，它能與強碳化物形成元素生成碳化物，從而影響了它們與金剛石表面碳原子的結合，減弱了粘結金剛石的作用。所以在需要時可以用純鎢粉來作調整胎體性能的金屬。
總結
在胎體中加入適當的強碳化物形成元素，將大大改善粘結劑對金剛石的浸潤性，明顯增加沾結劑對金剛石的鑲嵌能力（物理能力與化學能力），並提高了胎體的緻密度。因此，胎體中適當的強碳化物形成元素配比是提高金剛石工具質量的一個重要手段。
