超細(xì)Fe粉和Cu粉在金剛石薄壁工程鉆中的應(yīng)用研究

張許紅， 王成軍， 胡偉立， 李忠林

(河北省金剛石工具工程技術(shù)研究中心， 石家莊 050035)

在通用型金剛石工具領(lǐng)域，應(yīng)用最多的2種金屬粉料是Fe粉和Cu粉，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和在50%～80%，甚至可達(dá)90%以上。通過添加不同功能的單質(zhì)粉料或合金粉料，可以在很大范圍內(nèi)對Fe-Cu基胎體的耐磨性、硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)金剛石鋸片、金剛石薄壁工程鉆、金屬結(jié)合劑金剛石磨盤等各類產(chǎn)品的加工特點。

目前，金剛石工具行業(yè)常用的Fe粉和Cu粉，主要采用電解法、還原法、霧化法或羰基法制備。電解法制備的Fe粉和Cu粉純度高，粉末呈樹枝狀或海綿狀，具有較好的壓制成型性，廣泛應(yīng)用于金屬結(jié)合劑金剛石工具中，其粒度范圍為10～100 μm，被統(tǒng)稱為普通粉。隨著金屬粉料制備技術(shù)的提高，超細(xì)化金屬粉料在金屬結(jié)合劑胎體中的應(yīng)用也越來越廣泛，所謂的超細(xì)粉定義為粒徑完全小于30 μm的粉體[1]。由于其顆粒尺寸大幅降低，超細(xì)金屬粉料可以增強(qiáng)合金粉末的燒結(jié)活性，從而降低燒結(jié)溫度，避免高溫?zé)Y(jié)對金剛石造成的損傷，同時胎體的成分更加均勻，工具的性能更加穩(wěn)定。近年來，超細(xì)預(yù)合金粉末在金剛石工具胎體中的應(yīng)用研究越來越多，取得了很好的應(yīng)用效果[2]，而對單質(zhì)金屬超細(xì)粉末在金剛石工具胎體中的應(yīng)用研究較少，尤其是應(yīng)用最為廣泛的Fe粉和Cu粉在胎體配方中占比大，對工具的生產(chǎn)工藝和性能都有較大的影響[3-4]。

因此，選用普通Fe粉、普通Cu粉、超細(xì)Fe粉、超細(xì)Cu粉、羰基Ni粉等為原材料，選用成熟的Fe-Cu基和Fe-Cu-Ni基薄壁工程鉆胎體配方，配方組元中Fe粉和Cu粉所占比例之和均大于70%，對比測試超細(xì)粉和普通粉對2種胎體試樣的燒結(jié)硬度、應(yīng)力-應(yīng)變、燒結(jié)結(jié)合界面的影響規(guī)律，并制作鉆頭對比測試其鉆切性能，以探索超細(xì)Fe粉和Cu粉在薄壁工程鉆產(chǎn)品中的適用情況。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗中使用的原材料均為工業(yè)級金屬粉末，其性能指標(biāo)如表1所示。用BT-9300H激光粒度分布儀測試試驗原材料粒度尺寸的累積百分比，粉末粒度測試結(jié)果如圖1所示。

表1 金屬粉末性能指標(biāo)

圖1 粉末粒度測試結(jié)果

1.2 試驗方法

選用成熟的Fe-Cu基和Fe-Cu-Ni基2種薄壁工程鉆胎體配方，用SMVB80K1型真空熱壓燒結(jié)機(jī)，通過熱壓燒結(jié)工藝制備試驗樣品，燒結(jié)保溫壓力為35 MPa，保溫時間為3 min，試樣尺寸為40 mm×3.2 mm×8 mm，試驗胎體編號及燒結(jié)溫度如表2所示。

表2 試驗胎體編號及燒結(jié)溫度

用HR150型洛氏硬度計和WDW-100G微機(jī)控制高溫萬能實驗機(jī)分別對試樣的硬度和應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行測試；用VEGA3 LMH型掃描電鏡分析燒結(jié)體試樣的磨拋界面；用Z1Z-200M型臺式鉆機(jī)加水濕鉆C40鋼筋混凝土(2層φ18 mm鋼筋)，測試鉆頭的鉆切性能；用體視顯微鏡分析刀頭頂刃磨損狀態(tài)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 粉末顆粒形貌

圖2為A、B、C、D 4種胎體配方粉料SEM圖片。

(a)A(b)B(c)C(d)D圖2 4種胎體粉料SEM圖

從圖2中可看出：C、D與A、B相比，粉末粒度更細(xì)、活性更高、團(tuán)聚性更強(qiáng)。由于超細(xì)粉體易發(fā)生團(tuán)聚，從而導(dǎo)致超細(xì)粉體的優(yōu)越性能無法得到體現(xiàn)，甚至可能使材料的性能劣化[5]，在實際使用過程中需要借助合適的分散劑來進(jìn)行處理。

2.2 燒結(jié)體結(jié)合界面分析

將燒結(jié)胎體試樣斷口磨拋后，采用SEM觀察胎體中各種粉料經(jīng)過燒結(jié)之后的結(jié)合狀態(tài)，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可看出：C、D界面各種粉料顆粒的尺寸更小、結(jié)合更致密、分布更均勻。這是由于C、D配方超細(xì)粉平均粒徑較小，粉體的擴(kuò)散激活能降低，致密化初始溫度降低，而且完成塑性流動所需時間也會明顯縮短，因此致密化速率加快，致密度增大。

(a)A(b)B(c)C(d)D圖3 4種配方燒結(jié)體結(jié)合界面的SEM觀察及過

2.3 胎體燒結(jié)硬度

4種胎體燒結(jié)洛氏硬度檢測結(jié)果如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可知：加入超細(xì)Fe粉和Cu粉，F(xiàn)e-Cu基燒結(jié)體C的洛氏硬度比A的高6.25%，而Fe-Cu-Ni基胎體D的洛氏硬度比B的高12.20%。

表3 4種胎體燒結(jié)硬度

分析可知，對于超細(xì)Fe-Cu-Ni基配方，隨著Fe、Cu 2種粉體粒度的減小，燒結(jié)胎體材料的晶粒尺寸也隨之變小，且材料的硬度與晶粒尺寸符合霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式[6]：

H=H0+Kd-1/2

(1)

其中：H為材料的硬度，H0和K對不同材料分別對應(yīng)不同的常數(shù)，d為材料平均晶粒尺寸。

2.4 胎體應(yīng)力-應(yīng)變分析

用WDW-100G微機(jī)控制高溫萬能實驗機(jī)測試的胎體試樣彎曲時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4中可看出：對于Fe-Cu基胎體，隨著應(yīng)力值增大，C試樣比A試樣的應(yīng)變量略微偏大；而對于Fe-Cu-Ni基胎體，隨著應(yīng)力值增大，試樣B先發(fā)生斷裂，其最終應(yīng)變量約為試樣D最終應(yīng)變量的50%。

圖4 胎體試樣彎曲時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4中可以得出：Fe-Cu基胎體采用超細(xì)粉后應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較接近。這主要是因為Fe粉和Cu粉之間在固態(tài)甚至液態(tài)條件下幾乎不互溶，F(xiàn)e粉顆粒只是鑲嵌到Cu粉顆粒中，而并沒有形成合金；而Fe-Cu-Ni基胎體中，由于引進(jìn)了可以和Fe粉、Cu粉無限固溶的Ni粉形成合金，則采用超細(xì)粉后胎體的合金化程度提高，使得胎體的抗彎能力大幅提高。另外，粉末粒度減小后，燒結(jié)胎體材料的晶粒尺寸變小，材料的應(yīng)力與晶粒尺寸也符合霍爾-佩奇公式。

2.5鉆頭鉆切性能分析

采用A、B、C、D 4種胎體，添加相同的金剛石磨料，制備102 mm規(guī)格薄壁工程鉆產(chǎn)品并測試其使用性能。鉆頭編號與胎體編號相同，其鉆切速度測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 鉆頭鉆切速度測試結(jié)果

從圖5可看出：A鉆頭與C鉆頭鉆切速度相當(dāng)，后者的速度慢4.5%、壽命長21.6%；B鉆頭和D鉆頭相比，后者的速度慢16.2%、壽命長82.5%。其原因主要是由于Fe-Cu基胎體采用超細(xì)Fe粉和Cu粉，胎體的硬度和強(qiáng)度變化不明顯；而Fe-Cu-Ni基采用超細(xì)Fe粉和Cu粉后，胎體的硬度和強(qiáng)度有較明顯的提高，磨粒出露慢，與當(dāng)前試驗工況不太匹配。

2.6 刀頭頂刃磨損狀態(tài)分析

采用體視顯微鏡觀察鉆切后4種鉆頭刀頭頂刃磨損狀態(tài)，如圖6所示。從圖6中看到：用超細(xì)金屬粉制作的C、D鉆頭，其耐磨性較強(qiáng)，且磨損表面比較細(xì)膩；B、D鉆頭刀頭頂刃金剛石有磨圓現(xiàn)象，尤其是D鉆頭，其胎體耐磨性過強(qiáng)，金剛石的出刃高度明顯降低，鉆頭的鉆切速度出現(xiàn)大幅衰減。

(a)A(b)B(c)C(d)D圖6 4種刀頭頂刃磨損狀態(tài)

造成以上刀頭頂刃磨損狀態(tài)差異的原因，主要是Fe-Cu基胎體采用超細(xì)Fe粉和Cu粉，胎體的耐磨性變化不明顯，而Fe-Cu-Ni基采用超細(xì)Fe粉和Cu粉后，胎體的耐磨性有較明顯的提高，使得金剛石的出刃高度有所降低。

3 結(jié)論

在Fe-Cu基和Fe-Cu-Ni基鉆頭配方胎體中，通過添加超細(xì)Fe粉、Cu粉與普通Fe粉、Cu粉進(jìn)行對比試驗，得出以下結(jié)論：

(1)超細(xì)金屬粉可將燒結(jié)體的洛氏硬度分別提高6.25%和12.20%；

(2)超細(xì)金屬粉可以使鉆頭的使用壽命分別提高21.6%和82.5%，使鉆頭的鉆切速度分別下降4.5%和16.2%；

(3)觀察超細(xì)粉制備鉆頭頂刃的磨損狀態(tài)，刀頭頂刃金屬胎體的磨損表面比較細(xì)膩、光滑，與鉆切材料的摩擦系數(shù)低，但是采用超細(xì)粉制備的Fe-Cu-Ni基胎體，胎體耐磨性過強(qiáng)，金剛石的出刃高度明顯降低。