不同粒度鐵粉在金剛石薄壁鉆胎體中的影響研究

曾 柳,張紅林,彭乃聰

(河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050800)

目前國(guó)內(nèi)外金剛石薄壁鉆市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，對(duì)產(chǎn)品要求是高效率、高品質(zhì)、低成本，在成本壓力下，薄壁鉆胎體逐漸由原來的鈷基、WC基轉(zhuǎn)為鐵基。鐵和鈷同為Ⅷ副族元素，許多性能和鈷相近，資源豐富卻價(jià)格低廉，大批科研人員和廠家都在研究如何進(jìn)一步提高鐵粉在胎體中的百分比，在保證或提高產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上降低成本，而細(xì)粉、超細(xì)粉是近年來研究的重點(diǎn)。本文在鐵基胎體的基礎(chǔ)上，探討通過添加不同粒度的鐵粉對(duì)產(chǎn)品各方面性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

原材料主要有Fe、Cu、Sn、Ni、WC以及國(guó)內(nèi)某品牌合金粉，其中鐵粉為市場(chǎng)采購的同種工藝制備的不同粒度的粉末，分別為-200目、-300目、-500目、-800目、-1200目，純度均在99.4%以上，合金粉HY成分為Fe-Cu-Sn-Co。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

冷壓、燒結(jié)設(shè)備：200kN的四柱液壓機(jī)、金海威80kW熱壓燒結(jié)機(jī)

實(shí)驗(yàn)分析設(shè)備：BR120-4S型高精度多功能電子比重計(jì)、HR-150A型洛式硬度計(jì)、GNT100電子萬能試驗(yàn)機(jī)、JSM-IT100型掃描電鏡

鉆切設(shè)備：XMF-205鉆機(jī) 功率3500W 轉(zhuǎn)速700r/min

1.3 配方設(shè)計(jì)

胎體中的其他組分固定，F(xiàn)e粉分別采用兩種粒度搭配或單一粒度，配方如下：

表1 不同粒度Fe粉搭配組成的配方

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

上述胎體配方統(tǒng)一搭配濃度為30%左右(35/40、40/45、45/50等粒度組成)的金剛石，混料各2kg。通過理論計(jì)算得出理論投料值，統(tǒng)一投料值規(guī)定為6.5g，在四柱液壓機(jī)上采取雙向壓制的方法冷壓制坯，壓力統(tǒng)一為20MPa，在電子比重計(jì)上分別測(cè)試出刀頭的密度，分析不同粒度鐵粉組成對(duì)胎體壓縮性的影響。

壓制好的毛坯刀頭采用熱壓燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝統(tǒng)一為850°C，100kN，保溫2min，燒結(jié)模具尺寸統(tǒng)一為Φ63薄壁工程鉆波紋模具(24×3.5×10)，燒結(jié)后采用電子比重計(jì)、洛氏硬度計(jì)分別測(cè)量出刀頭的密度、硬度，分析不同粒度鐵粉對(duì)胎體致密性的影響。另采用相同燒結(jié)工藝，制作50mm×10mm×5mm樣塊在跨距為40mm的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試抗彎強(qiáng)度，分析不同鐵粉對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響；采用JSM-IT100型掃描電鏡對(duì)胎體斷口形貌進(jìn)行觀察。

燒結(jié)好的刀頭通過高頻焊接焊在Φ63薄壁工程鉆桿上，通過鉆切公司標(biāo)準(zhǔn)試塊(混凝土標(biāo)號(hào)為425，試塊厚度為240mm，由4層9排18mm鋼筋組成)，分析不同粒度鐵粉組成的胎體在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)薄壁工程鉆鋒利度和壽命的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鐵粉粒度對(duì)胎體壓縮性和成型性的影響

粉末的壓縮性[1]是指粉末在壓制過程中被壓緊的能力；成型性[1]是指壓制后粉末壓坯保持既定形狀的能力[1]。粉末的壓縮性和成型性不好都會(huì)對(duì)產(chǎn)品批量生產(chǎn)帶來很大影響。

密度越高，說明胎體的壓縮性越好，從圖1可以看出，隨著Fe粉粒度越來越細(xì)，冷壓坯的密度越來越小，胎體的壓縮性越來越差；從圖2可以看出，不同粒度的Fe粉不同配比的搭配，冷壓坯的密度各不相同，但是合理的搭配能取得更好的密度，胎體的壓縮性也能達(dá)到更好的值，綜合圖1和圖2來看，不同粒度Fe粉合理的搭配較單一Fe粉的壓縮性能要好。

圖1 單一粒度鐵粉對(duì)冷壓坯密度的影響 Fig.1 The effects of iron powder in single particle size on the density of cold-pressed compact

圖2 組合粒度鐵粉對(duì)冷壓坯密度的影響Fig.2 The effects of iron powder in multiple particle sizes on the density of cold-pressed compact

成型方面，7號(hào)配方壓出的壓坯最為松軟，稍微用力就出現(xiàn)掉邊掉角的現(xiàn)象，成型性較差，而1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)壓坯四邊平整，較為結(jié)實(shí)，成型性較好?？梢缘贸鯢e粉越細(xì)成型性越差的結(jié)論，但是采用粗細(xì)兩種不同粒度的Fe粉合理搭配胎體，成型性會(huì)有一定程度的改善。

分析得出，粉末在自由堆積時(shí)，由于粉末顆粒相接觸是隨機(jī)的，顆粒表面形狀的不規(guī)則性以及顆粒之間的摩擦力的存在使粉末存在較高的孔隙度。由于顆粒間的相互摩擦或支撐而搭架，增大孔隙率，從而形成拱橋效應(yīng)[1]。粉末表面光滑或顆粒較粗大時(shí)，拱橋效應(yīng)越小，越好壓制成型，粉末顆粒越小，比表面積越大，顆粒間粘結(jié)力越大，拱橋效應(yīng)越大，越難壓制成型，而粗細(xì)粒度搭配時(shí)，細(xì)粒度粉末可以起填充作用，對(duì)壓縮性和成型性有一定的改善。

2.2 鐵粉粒度搭配對(duì)胎體燒結(jié)性能的影響

通過在相同燒結(jié)工藝下，檢測(cè)不同粒度鐵粉搭配的刀頭的流料量，密度，硬度、抗彎強(qiáng)度以及刀頭斷口SEM分析來分析鐵粉粒度對(duì)胎體燒結(jié)性能的影響。

從圖3可以看出隨著配方中Fe粉粒度變細(xì)，流料值呈增加的趨勢(shì)，7號(hào)配方中Fe細(xì)粉含量最高，其流料值也最高，從流料量說明此燒結(jié)工藝對(duì)7號(hào)配方來說燒結(jié)溫度偏高，應(yīng)適當(dāng)降低燒結(jié)溫度。分析得出，根據(jù)表面能理論，顆粒越細(xì)，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大，在燒結(jié)過程中，細(xì)顆粒的粉末較粗顆粒的粉末更容易擴(kuò)散[2]，相對(duì)所需要的燒結(jié)熱能也會(huì)偏低。胎體中在添加細(xì)顆粒粉末時(shí)，燒結(jié)工藝應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能避免過燒及燒死板結(jié)[3]等現(xiàn)象。

圖3 刀頭的流料值圖Fig.3 The flow value of blade head

從圖4、圖5、圖6曲線可以看出鐵粉越細(xì)，胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度越高，7號(hào)配方的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度最高。從圖4、圖5、圖6還可以分析出兩種不同粒度的鐵粉搭配，也是鐵粉越細(xì)，胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度值越高，如3、4、5號(hào)配方，同樣為20%的-200目鐵粉分別搭配10%的-500目、-800目、-1200目鐵粉，5號(hào)配方的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度值最高；5、6、7、8號(hào)配方中分別含有10%、15%、30%、5%的-1200目Fe粉，7號(hào)配方胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度值最高。

圖4 胎體燒結(jié)密度Fig.4 The carcass sintering density

圖5 胎體燒結(jié)硬度Fig.5 The carcass sintering hardness

圖6 胎體抗彎強(qiáng)度 Fig.6 The carcass bending strength

根據(jù)表面能的理論[4]可以知道，顆粒越細(xì)，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大。燒結(jié)過程中，細(xì)粒度的粉末比粗粒度的粉末更容易擴(kuò)散[5]，在進(jìn)行高溫加壓的情況下，細(xì)粒度的粉末較粗粒度的粉末更能有效地填補(bǔ)胎體粉末之間的空隙，使胎體的抗彎強(qiáng)度、硬度、密度都能得到有效的提升。

不同粒度鐵粉刀頭斷口SEM分析

圖7-1 1號(hào)配方2000倍斷口形貌圖Fig.7-1 Fracture morphology with 2000 times with No 1 composition

圖7-2 3號(hào)配方2000倍斷口形貌Fig.7-2 Fracture morphology with 2000 times with No 3 composition

圖7-3 4號(hào)配方2000倍斷口形貌Fig.7-3 Fracture morphology with 2000 times with No 4composition

圖7-4 5號(hào)配方2000倍斷口形貌Fig.7-4 Fracture morphology with 2000 times with No 5composition

圖7-1、2、3、4分別為1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)配方的產(chǎn)品在相同燒結(jié)工藝下胎體的斷口形貌。從圖中可以看出，5號(hào)配方含10%-1200目鐵粉的胎體組織最為細(xì)膩、均勻、連續(xù)、致密、孔隙最小，1號(hào)配方全部為-200目鐵粉的胎體組織中的晶粒明顯地比5號(hào)的要大，孔隙率也要多。粉末越細(xì)，表面能越高，活性越大，在試驗(yàn)燒結(jié)溫度壓力下，加速擴(kuò)散流動(dòng)，分布均勻使胎體獲得更好的力學(xué)性能。由此分析得出，一定量的細(xì)顆粒的鐵粉就能改善整體胎體的燒結(jié)組織狀態(tài)。

2.3 不同粒度的鐵粉組成對(duì)薄壁鉆的鋒利度和壽命的影響

將不同編號(hào)配方燒好的刀頭焊接成Φ63的薄壁鉆頭，鉆切公司標(biāo)準(zhǔn)試塊，用秒表測(cè)出每鉆通一個(gè)孔(240mm深)所需的時(shí)間，計(jì)算得出鉆切速度；每個(gè)編號(hào)的配方鉆切15 個(gè)孔為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)出最后刀頭磨損的程度，按有效使用刀頭高度為9mm計(jì)算出鉆頭的鉆切壽命，具體數(shù)據(jù)如表2：

表2 不同粒度的鐵粉對(duì)薄壁鉆鉆切速度和壽命的影響

從表2數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：8號(hào)配方25%的-200目的鐵粉搭配5%的-1200的鐵粉做出的薄壁鉆的鉆切速度最快，壽命中等；7號(hào)配方30%-1200目鐵粉的速度最慢，壽命最長(zhǎng)；1號(hào)配方30%的-200目鐵粉的壽命最短，速度和手感均還不錯(cuò)。由此可以看出鐵粉越細(xì)薄壁鉆鉆切速度越慢，壽命越長(zhǎng)，但是兩種不同粒度的鐵粉搭配時(shí)，合理的搭配比例可以使速度和壽命都有所提升，根據(jù)實(shí)際切割需求，合理的搭配不同粒度的鐵粉能夠達(dá)到更加理想的效果。

3 結(jié)論

(1)Fe粉越細(xì)成型性越差，但是采用粗細(xì)兩種不同粒度的Fe粉合理搭配對(duì)胎體成型性有一定的改善作用。

(2)Fe粉越細(xì)，胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度越高；細(xì)粒度的Fe粉含量越高，胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度越高。

(3)Fe粉越細(xì)，燒結(jié)后的胎體組織越細(xì)，孔隙率越低，更加致密；加入一定量的細(xì)顆粒鐵粉就能改善整體胎體的燒結(jié)組織狀態(tài)。

(4)合理搭配不同粒度的鐵粉能夠達(dá)到更加理想的鉆切效果。