相同骨架相含量下W基和WC基金屬結(jié)合劑燒結(jié)性能對比分析

謝德龍，林 峰，方嘯虎，潘曉毅，陳 超，肖樂銀，秦建新，彭少波，陳家榮

(廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，桂林 541004)

金屬結(jié)合劑一般采用鐵、銅、鎳、錫、鈷等作為結(jié)合材料[1]，具有強度高、韌性好、對金剛石磨粒把持力好、耐熱性好等優(yōu)點[2]。但是，由于金屬元素的耐磨性相對較差，在面對鉆探、切割等高負荷場合，金屬結(jié)合劑工具的使用壽命會受到較大影響，因此，金屬結(jié)合劑中需添加一些高強度、高硬度、高耐磨性的成分，以此提高金剛石工具的綜合使用性能。這些添加成分稱之為骨架相[3]。

WC、TiC、W2C等是常用的骨架相材料，在制品中已有廣泛應用[4]。但是，由于WC等是共價鍵結(jié)構，在燒結(jié)過程中，與金屬元素存在著較高的界面能，會一定程度影響燒結(jié)質(zhì)量[5]。W作為一種金屬元素，本身具有較高的硬度和韌性，可作為骨架相材料使用，同時，W與其它金屬還具有較好的相容性，在燒結(jié)時與金屬元素間的擴散作用更強，理論上能提高燒結(jié)質(zhì)量[6]。本文以金剛石工具中常用的WC-Cu基金屬結(jié)合劑為基礎，通過添加其它元素形成結(jié)合劑配方體系，并用相同重量的金屬W替代WC進行燒結(jié)實驗，對比研究在相同骨架相含量下兩種結(jié)合劑配方體系的燒結(jié)性能，以期為金屬結(jié)合劑中骨架相材料的使用提供實驗指導和應用依據(jù)。

1 實驗

1.1 配方設計

金屬結(jié)合劑的配方組成如表1所示。其中，1#配方的骨架相為WC，2#配方的骨架相為W。

表1 配方組成 (wt%)

1.2 預合金粉的熱壓燒結(jié)

根據(jù)表1中每種配方的理論密度和石墨模具的體積，計算出理論投料量，兩種配方的試樣經(jīng)裝料、冷壓成型后，將冷壓試樣置于國產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，真空度為0.1Pa,壓力為25MPa,燒結(jié)溫度為850℃，燒結(jié)保溫保壓時間為6min[7]，燒結(jié)試樣的尺寸規(guī)格為30mm×12mm×6mm。

1.3 力學性能測試及結(jié)構表征

采用TH300型洛氏硬度計和CMT4304液壓萬能材料試驗機分別測試燒結(jié)體試樣的硬度和三點抗彎強度；用日本D/max-rA10型X射線衍射儀對燒結(jié)體試樣進行物相分析，確定物相組成；用日本JSM-6700F型掃描電鏡觀察燒結(jié)體試樣斷口形貌。通過測定空白胎體與含30%(體積分數(shù))金剛石顆粒的燒結(jié)體試樣的三點抗彎強度，從而間接計算金剛石結(jié)合劑對金剛石的包鑲強度[8]，用強度損失率σ來表示，其計算公式如下：

式中：所用金剛石的粒度為40/45目，σB為不含金剛石的胎體的三點抗彎強度；σD為含30%(體積分數(shù))金剛石的胎體的三點抗彎強度。

采用排水法測量燒結(jié)體試樣的密度，并通過排水法測定的密度與理論密度的比值計算求得相對致密度，它是試樣燒結(jié)致密程度的重要指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)體力學性能分析

兩種配方體系下燒結(jié)體的力學性能如表2所示：

表2 兩種配比體系燒結(jié)體的力學性能

圖1所示為兩種配方體系結(jié)合劑在相同燒結(jié)工藝條件下的力學性能對比。對比表2和圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，1#配方體系的燒結(jié)性能要略好于2#配方體系的燒結(jié)性能，但2#配方體系對金剛石的把持力相對較高。1#燒結(jié)體的相對密度高于2#結(jié)合劑燒結(jié)體，其原因為：WC的熔點為2870℃，W的熔點為3400℃，在結(jié)合劑中骨架相的比例達到了40%，占比較高。根據(jù)粉末燒結(jié)理論，燒結(jié)溫度應為熔點的60%～70%，因此，當W含量較高時燒結(jié)溫度也應該更高。而本實驗過程中的燒結(jié)溫度是相同的，都為850℃，此時，2#結(jié)合劑因為燒結(jié)溫度不夠，燒結(jié)過程進行得相對不充分，使得孔隙尺寸相對較大且孔隙總數(shù)較多，宏觀表現(xiàn)為燒結(jié)體的相對密度較低。燒結(jié)不充分也導致了2#試樣的三點抗彎強度、硬度等其它力學性能的降低。

2#試樣的強度損失率較低，即2#結(jié)合劑對金剛石的包鑲能力要更好一些，這是因為W是一種強碳化物形成元素，當金剛石表面存在著一定量的W粉并燒結(jié)時，從750℃開始，金剛石表面就會有WC、W2C等生成，特別是在結(jié)合劑中存在著Co元素時，還會有W3Co3C、W4Co2C等生成[9]，也就是說，W基金屬結(jié)合劑對金剛石表面有一定的冶金結(jié)合，從而提高了結(jié)合劑對金剛石的把持力。

圖1 兩種配方體系燒結(jié)體力學性能對比圖Fig.1 Mechanical property curves of the two sintered matrixes

2.2 空白燒結(jié)體斷口形貌分析

圖2為兩種配比條件下燒結(jié)體的SEM電鏡圖片。當放大10000倍時，由圖可知，1#試樣的燒結(jié)體斷口表面處比較光滑致密，只有斷裂時由于拉拔作用形成的窩狀結(jié)構。2#試樣的燒結(jié)體斷口處存在著明顯的空隙，在微觀層次上比較松散。其原因在于：2#金屬結(jié)合劑由于W的熔點較高，導致結(jié)合劑的燒結(jié)溫度偏低。根據(jù)燒結(jié)理論，燒結(jié)體內(nèi)原子擴散及遷移不充分，空位消除受到影響，在燒結(jié)時就會產(chǎn)生較多空洞缺陷。這與其力學性能的分析相一致。

圖2 空白胎體斷口形貌圖Fig.2 Fracture morphologies of the blank matrix

2.3 含金剛石試樣斷口形貌分析

圖3為分別含30%濃度金剛石試樣的斷口SEM電鏡圖片。由圖可知，不同燒結(jié)體內(nèi)結(jié)合劑基質(zhì)材料在與金剛石接觸時都有一定的間隙，說明對金剛石的包鑲主要以機械包鑲為主。1#試樣的金剛石顆粒表面比較光滑，結(jié)合劑基質(zhì)材料對金剛石基本沒有粘覆；2#試樣的金剛石顆粒表面明顯粘覆有一層基質(zhì)材料，其原因在于：W是一種強碳化物形成元素，在燒結(jié)過程時，W元素會與金剛石顆粒發(fā)生一定的化學反應，并且有資料表明金剛石和鎢發(fā)生化學反應的熱力學條件并不苛刻，普通結(jié)合劑的燒結(jié)溫度即能滿足化學反應的熱力學條件[10]。因此，大量金屬基質(zhì)材料會粘覆在金剛石顆粒表面，在一定程度上提高了結(jié)合劑對金剛石顆粒的把持能力，這也與強度損失率的測試結(jié)果相一致。

圖3 含金剛石試樣斷口SEM圖Fig.3 SEM images of the diamond contained matrix samples

3 結(jié) 論

對相同骨架相含量下W基和WC基金屬結(jié)合劑的燒結(jié)性能進行了對比分析，對結(jié)合劑燒結(jié)體的微觀結(jié)構進行了表征，并金剛石包鑲情況做了研究，主要結(jié)論如下：

(1)在相同的燒結(jié)工藝條件下，WC基金屬結(jié)合劑的燒結(jié)性能相對較好，三點抗彎強度、硬度等力學性能指標要略高于W基金屬結(jié)合劑，但對于強度損失率而言W基金屬結(jié)合劑要更低，即W基金屬結(jié)合劑對金剛石具有相對較好的把持力。

(2)由于燒結(jié)溫度的影響，W基金屬結(jié)合劑的燒結(jié)質(zhì)量相對較差，燒結(jié)過程進行得不充分，SEM電鏡照片表明該結(jié)合劑燒結(jié)體內(nèi)具有較多的孔隙。

(3)含金剛石燒結(jié)體試樣的SEM電鏡照片表明，兩種結(jié)合劑對金剛石顆粒的把持均以機械包鑲為主，但由于W是一種強碳化物形成元素，結(jié)合劑金屬基質(zhì)材料會對金剛石顆粒有一定的粘覆，因此該結(jié)合劑對金剛石顆粒的把持作用相對較好一些。

[1] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社,2011.

[2] M.Alizadeh,E.Salahinejad.A comparative study on metal matrix compsites fabricated by conventional and cross accumulative roll-bonding processes[J].Journal of Alloys and Compounds,2015,620(25):180-184

[3] 謝德龍.深孔鉆探金剛石鉆頭用FeCoCu預合金粉的制備及性能研究[D].湖南大學,2016.

[4] 王帥,呂智,林峰,等.WC含量對金剛石鉆頭胎體性能的影響研究[J].金剛石與磨具磨料工程,2014,34(6):16-22.

[5] 謝志剛,王智慧,張延軍.金剛石組鋸繩技術綜述[J].超硬材料工程,2012,24(2): 35-39.

[6] 瞿銘. 超硬材料行業(yè)目前形勢及今后發(fā)展[J]. 超硬材料工程, 2015, 27(1):39-41.

[7] XIE Delong,WAN Long,SONG Dongdong,et al.Low-temperature sintering of FeCoCu based pre-alloyed powder for diamond bits[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2016,31(5):56-61.

[8] 謝德龍, 萬隆, 宋冬冬,等.金剛石工具用FeCoCu預合金粉組成對燒結(jié)特性的影響[J].中國有色金屬學報, 2016,26(3):577-565.

[9] 孫毓超.金剛石工具與金屬學基礎[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1999.

[10] 李岳.金剛石界面金屬碳化物過渡層形成機理的研究(金剛石焊接機理研究之一)[J].探礦工程,2001,(1):49-52.