熱壓碳化鎢基復(fù)合胎體材料性能試驗(yàn)

馬銀龍，孫友宏，2，高 科，劉寶昌，2，張獻(xiàn)振，李小洋

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026

2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012

3.中煤科工集團(tuán)西安研究院，西安 710077

0 引言

除金剛石參數(shù)（質(zhì)量、目數(shù)、濃度）外，影響金剛石工具性能的另一個(gè)重要因素是胎體材料。胎體的主要作用是牢固包鑲金剛石和調(diào)整工具的磨損速度，胎體材料的性能決定了金剛石工具的壽命和時(shí)效［1－3］。

目前，金剛石工具的胎體配方主要有碳化鎢（WC）基［4－5］、鈷（Co）基、鐵（Fe）基、鎢（W）基等［6］。WC基復(fù)合胎體的燒結(jié)溫度高，胎體洛氏硬度（HRC）與耐磨性能較好，并對(duì)金剛石的損壞較小；因此其作為金剛石鉆頭胎體配方應(yīng)用較為廣泛［7－10］。要鉆進(jìn)不同巖性的地層，就要有適當(dāng)?shù)奶ンw性能與之相配［7－8］；因此，胎材料體性能的可調(diào)節(jié)性對(duì)金剛石工具的胎體設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

筆者研究WC基胎體材料的主要目的是在制備工藝一定的前提下，通過控制配方中某些成分保持不變、另外一些成分含量改變來研究改變的成分對(duì)胎體材料HRC、抗彎強(qiáng)度（σ）的影響，并通過定量分析得出WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與胎體的HRC擬合函數(shù)，用來指導(dǎo)胎體材料的性能調(diào)整。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

WC粉：200目，純度99.9%。663青銅（ZQSn663）粉：300目，純度99.9%。硬質(zhì)合金（YG6）粉：300目，純度99.9%。錳（Mn）粉：200目，純度99.9%。Co粉：300目，純度99.9%。鎳（Ni）粉：300目，純度99.9%。

1.2 制備工藝

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10種WC基復(fù)合胎體材料配方（表1），胎體試樣規(guī)格為（長×寬×高）38mm×8mm×5mm，每種配方燒制3個(gè)試樣。胎體材料各成分按照一定質(zhì)量比使用JH2D－6型三維搖滾式混料機(jī)混合24h后，采用0.000 1g電子天平稱量，均勻放入石墨模具中。試樣采用蘇州工業(yè)園區(qū)騰龍機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TLZK2001真空熱壓燒結(jié)機(jī)進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備。具體參數(shù)如下：加壓方式為限位加壓；初始?jí)毫?MPa；當(dāng)溫度到900℃時(shí)，加壓到9MPa；當(dāng)溫度到達(dá)970℃時(shí)，壓力達(dá)到13 MPa，此時(shí)進(jìn)行保溫、保壓。升溫方式為均勻升溫：升溫時(shí)間6min，保溫時(shí)間5min；加熱方式為中頻感應(yīng)加熱；測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫；冷卻條件為840℃出爐，在保溫沙中自然冷卻。模具材料為高強(qiáng)石墨。

表1 WC基胎體材料配方Table1 WC matrix formula -wB／%

1.3 測(cè)試

復(fù)合胎體材料硬度測(cè)試采用HRS－150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)，數(shù)顯洛氏金剛石壓頭實(shí)測(cè)精度為：圓錐角α＝120°4′、頂端球面半徑R＝0.200mm。硬度測(cè)試前試樣測(cè)試面要放在2 000目的砂紙上進(jìn)行拋光處理，在每種配方（3個(gè)試樣）胎體的壓制面上測(cè)試6個(gè)點(diǎn)，取3個(gè)試樣上共18測(cè)試點(diǎn)的平均值作為此配方的洛氏硬度測(cè)試值（表2）。用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)配合抗彎強(qiáng)度測(cè)試儀和壓力傳感器組合形式采取3點(diǎn)彎曲法測(cè)試試樣的跨距為24mm，加載速度為0.4mm／min。測(cè)試具有破壞性，每個(gè)試樣只能測(cè)試一個(gè)數(shù)據(jù)，每種胎體材料配方的抗彎強(qiáng)度測(cè)試值為3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值（表2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌

試樣熱壓燒結(jié)后，采用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡檢測(cè)其顯微形貌和組織形式，為避免表層空氣氧化，采用配方Ⅳ新鮮斷口取樣。分別將試樣斷口放大32 000倍（圖1a）和2 000倍（圖1b）進(jìn)行分析。圖片中暗色為液相，白色為固相?？梢钥闯?，固相分布較為均勻，周圍被液相所填充，并且顆粒細(xì)小（500nm）。從顯微形貌可以得出WC基復(fù)合胎體材料屬于較理想的粉末冶金液－固連接。

表2 洛氏硬度與抗彎強(qiáng)度Table2 HRCand bending strength

圖1 碳化鎢基復(fù)合胎體材料顯微組織Fig.1 Microstructures of WC matrix composites

2.2 各成分含量與硬度、抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

胎體的硬度指標(biāo)在某些特定條件下與胎體的耐磨性、抗沖蝕性一致（如胎體配方相同的條件下，硬度越高胎體的耐磨性與抗沖蝕性越高）。對(duì)于孕鑲鉆頭胎體的強(qiáng)度不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為越高越好，而應(yīng)根據(jù)所鉆進(jìn)的巖層合理選擇。鉆頭胎體應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度，在使用中不掉塊、不崩落，能適應(yīng)于孔底復(fù)雜的工作條件。因此，研究胎體HRC和σ與胎體材料組分的內(nèi)在聯(lián)系及HRC和σ的關(guān)系具有實(shí)際應(yīng)用意義。

分析WC基復(fù)合胎體材料中各成分對(duì)HRC、σ的影響，最后結(jié)合各成分的影響情況綜合得出WC與ZQSn663質(zhì)量與胎體HRC、σ關(guān)系及HRC與σ的關(guān)系。

YG6是由94%WC和6%Co合成的，兼有WC與Co的雙重作用。為了更好地總結(jié)、分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，把YG6按質(zhì)量比（94∶6）拆分成 WC與Co相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，處理后的數(shù)據(jù)按照HRC降冪排列得到表3。通過表3可以看出，隨著胎體HRC減小，ZQSn663的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增加的趨勢(shì)，WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有減少的趨勢(shì)，其他成分變化趨勢(shì)并不明顯。隨著胎體硬度升高，Ni、Mn、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化可以分為2個(gè)階段：第一階段，三者之間差距較大，胎體HRC較低（w（Ni）＞6%，4%＞w（Co）＞3%）；第二階段，三者比例適當(dāng)，胎體HRC均勻提高（5.5%＞w（Ni）＞3%，3.5%＞w（Co）＞0.9%，w（Mn）＞4%）。

為了更加清晰地了解ZQSn663和WC與胎體材料HRC的關(guān)系，作出隨著HRC升高WC、ZQSn663質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化圖（圖2）。由圖2可知，在w（WC）＜59.1%范圍內(nèi)，胎體HRC隨著 WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而升高，ZQSn663的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線恰好與WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線相反；從而可以判定胎體HRC主要由WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制。由圖3可知，當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到58.1%的時(shí)候，雖然 WCZQSn663質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，但是胎體HRC并不增高（如配方Ⅵ與配方Ⅶ）。

在Ni、Co、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，比較 WC與ZQSn663對(duì)HRC的影響。配方ⅢCo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是配方Ⅳ的4.3倍、胎體HRC相差1.8‰、σ相差14.7%；配方ⅧCo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是配方Ⅶ的4.3倍、胎體HRC相差8.8‰、σ相差19.8%。它對(duì)HRC的影響不是很大，對(duì)σ的影響較大。

因此，只要Ni、Mn、Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同就可以認(rèn)為只有WC與ZQSn663兩個(gè)變量影響胎體的硬度和抗彎強(qiáng)度。分別比較兩者差值及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胎體硬度的影響，可知并不是二者差值越大越好，應(yīng)該有一個(gè)最佳的比例關(guān)系。圖3為Ni、Co、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，WC和 WC－ZQSn663質(zhì)量分?jǐn)?shù)與HRC關(guān)系曲線。由表3和圖3可以看出：當(dāng)w（WC）＜59.1%時(shí)，抗彎強(qiáng)度隨著其值增加有升高趨勢(shì)；WC－ZQSn663的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該控制在20%以內(nèi)，ZQSn663的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該控制在25%以上，這樣的配方才具有較好的硬度與抗彎強(qiáng)度。由圖3可以觀察出，WC與WC－ZQSn663質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定區(qū)間內(nèi)，胎體硬度變化趨勢(shì)是相同的。因此，依據(jù)以上分析應(yīng)用最小二乘原理，擬合出胎體配方的硬度分段函數(shù)：

表3 YG6拆分后的配方數(shù)據(jù)Table3 Matrix data after conversion of YG6

圖2 WC、ZQSn663質(zhì)量分?jǐn)?shù)與HRC的關(guān)系Fig.2 Change of WC，ZQSn663contents with HRC

式中：X 為 WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，50.0＜X≤59.1；YHRC為胎體洛氏硬度值（HRC）。

圖3 Ni、Co、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí) WC、WC－ZQSn663的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與HRC的關(guān)系Fig.3 Change of WC，WC－ZQSn663contents with HRC when contents of Ni，Co，Mn are certain

2.3 硬度與抗彎強(qiáng)度關(guān)系

從表3、圖4中可以看出，在本文研究范圍內(nèi)胎體硬度高的一般抗彎強(qiáng)度也高，如配方Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ。測(cè)試結(jié)果與理論分析的結(jié)果一致：強(qiáng)度高的胎體相應(yīng)的硬度也高，這樣的胎體耐磨蝕性也有所提高。

經(jīng)過綜合分析，各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制如下：50.0%＜w（WC）＜59.1%，3.0% ＜w（Ni）＜6.5%，0.9% ＜w（Co）＜3.5%，w（ZQSn663）＞25%，w（WC－ZQSn 663）＜20%。胎體硬度按照公式（1）計(jì)算出 WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后按質(zhì)量比推算出YG6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖4 WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與抗彎強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Relationship between WC content and bending strength

3 結(jié)論

1）Mn在本次研究的配方中質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，僅為3.0%～5.5%，因此只能得出w（Mn）＞4%時(shí)，碳化鎢基復(fù)合胎體材料的性能較好。

2）熱壓燒結(jié)碳化鎢基胎體材料的硬度和抗彎強(qiáng)度隨WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)非線性增加，碳化鎢基復(fù)合胎體材料的硬度與抗彎強(qiáng)度具有內(nèi)在聯(lián)系，硬度高的復(fù)合胎體材料抗彎強(qiáng)度往往也高。

3）在復(fù)合胎體材料配方中各個(gè)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都應(yīng)在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，才能保證良好的機(jī)械性能，經(jīng)過綜合分析得出，最佳配方為：w（WC）＜59.1%，w（ZQSn663）＞25%，3% ＜w（Ni）＜6.5%，0.9% ＜ w （Co）＜3.5%，w（WCZQSn663）＜20%。

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