預(yù)合金粉替代單質(zhì)粉制備金剛石工具胎體的研究

朱元昌

(桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004)

1 概述

目前我國(guó)的金剛石工具產(chǎn)量巨大，是世界上金剛石工具的主要供應(yīng)國(guó)之一。金屬基的金剛石工具用途廣泛，是使用和生產(chǎn)量最多的金剛石工具。在金剛石工具胎體制造方面，選用優(yōu)質(zhì)的金屬預(yù)合金粉取代傳統(tǒng)的單質(zhì)元素粉末已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)［1］，當(dāng)今大量的預(yù)合金粉品種被開發(fā)出來，大部分的報(bào)道反饋了預(yù)合金粉能有效提高產(chǎn)品性能。相對(duì)使用單質(zhì)粉而言，預(yù)合金粉有幾大優(yōu)勢(shì)，一是能改善單質(zhì)成分對(duì)金剛石的包鑲能力，二是使胎體組織更均勻質(zhì)量更穩(wěn)定，三是減少了昂貴的鈷粉用量，降低了材料成本［2-3］。預(yù)合金粉雖然有各種優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際工況中金剛石工具由于切割對(duì)象，切割參數(shù)，切割條件等的不同，胎體是種類繁多，這就需要我們研究預(yù)合金粉本身的性能，研究單質(zhì)粉和預(yù)合金粉、預(yù)合金粉和預(yù)合金粉之間互相添加的性能。也就是研究預(yù)合金粉和單質(zhì)粉對(duì)比性能如何變化，部分添加和全部使用，在元素成分相同或接近的胎體中性能又有什么不同，等等。

我們分別以 Cu85Sn15、Y1(Fe60Co25Cu15)、Y2(Fe66Co27Cu7)、Fe70Cu30預(yù)合金粉替換胎體配方中的Co、Fe、Cu、Sn單質(zhì)粉，采用真空熱壓燒結(jié)的方法制備胎體試樣塊，并對(duì)比研究了不同程度替換的配方樣品的微觀組織和力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)所用單質(zhì)粉及預(yù)合金粉信息分別見表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)用單質(zhì)粉信息Table 1 Info of metal simple powder

表2 實(shí)驗(yàn)用預(yù)合金粉信息Table 2 Info of metal pre-alloyed powder

2.2 冷壓成型

按照表3的配方稱取金屬單質(zhì)粉和預(yù)合金粉，并添加0.5%的硬脂酸鋅作為增塑劑，在三維混料機(jī)中均勻混合60min。然后稱取一定劑量的混合粉料裝入冷壓模具中，將其壓成長(zhǎng)方體塊狀試樣，設(shè)計(jì)的生坯試樣尺寸規(guī)格為30mm×12mm×6mm。

表3中，配方SY1為原始單質(zhì)粉配方;配方SY2是用Cu85Sn15替換配方SY1中的Sn和部分Cu;配方SY3是用Y1替換配方SY2中的Co;配方SY4是用Y2替換配方SY2中的Co;配方SY5是用Fe70Cu30替換配方SY3中的Fe和Cu。

表3 單質(zhì)粉及預(yù)合金粉配方Table 3 Formula of metal simple powder andpre-alloyed powder

2.3 熱壓燒結(jié)

將壓好的不同配方的壓坯分別放在真空熱壓爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)過程中保持升溫、加壓速率和保溫、保壓時(shí)間相同，只改變燒結(jié)溫度和保壓壓力。燒結(jié)后的樣塊厚度需在6±0.1mm的范圍內(nèi)，以保證各配方樣塊燒結(jié)后接近理想的100%致密，便于后續(xù)抗彎測(cè)試的對(duì)比分析。燒結(jié)工藝見表4(T1為最高保溫溫度，P1為最高保壓壓力)。

表4 真空熱壓燒結(jié)溫度及壓力Table 4 Temperature and pressure of vacuumhot-pressing sintering

2.4 表征方法及設(shè)備

2.4.1 采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的長(zhǎng)(A)、寬(B)、厚(C)，算得試樣的體積V=A×B×C，采用電子天平測(cè)量試樣的重量M，由公式算得試樣的致密度D=M/V/ρ理論×100%;

2.4.2 采用掃描電子顯微鏡(JEOL6701F，1.5kV)觀察試樣的微觀組織形貌;

2.4.3 采用TH300型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣的硬度;

2.4.4 采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和斷裂時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同配方樣塊的實(shí)際燒結(jié)溫度、壓力及厚度、致密度的比較和分析

由表5可以看出，在達(dá)到相近致密度的前提下，全部為單質(zhì)粉的配方SY1(液相為Sn)的樣塊燒結(jié)溫度和壓力要顯著大于其他液相為Cu85Sn15(SY2～4)的配方樣塊，這是由于Cu85Sn15的含量(12%)遠(yuǎn)大于Sn的含量(2%)，更多的液相使得燒結(jié)所需的活化能降低。

表5 各配方試樣塊最高保溫溫度(T1)、最高保溫壓力(P1)、厚度(C)及致密度(D)Table 5 Top temperature(T1)/top pressure(P1)/thickness(C)and relative density(D)of different formula samples

同樣的燒結(jié)溫度和壓力下，SY2的致密度要高于SY3/SY4/SY5，可能原因一是由于SY2配方的差異成分為Co(1～2μm)，后三個(gè)配方的差異成分為Y1/Y2預(yù)合金粉(3～4μm)，粉末的粒度及顆粒形狀直接影響粉末的流動(dòng)性，進(jìn)而影響液相的流動(dòng)填充效果，造成同樣燒結(jié)條件下的致密度差異［4］;可能原因二是燒結(jié)溫度偏高，液相生成的比較多且流動(dòng)速度快，在冷卻過程中，胎體內(nèi)的氣體還沒來得及溢出就形成了封閉的空隙［5］。

3.2 不同配方樣塊的斷口顯微形貌的比較和分析

由圖1可看出:

(1)相對(duì)于 SY1/SY2來看，SY3/SY4/SY5有更深的韌窩，韌窩的尺寸與合金胎體的塑性變形特性有關(guān)，韌窩越大，表明材料的韌性斷裂值越大［6］;

(2)SY1和SY2孔隙極少，相比之下SY3/SY4/SY5孔隙較多，這與所測(cè)的致密度結(jié)果一致;

3.3 不同配方樣塊硬度的比較和分析

由表6可以看出，SY1/SY2的硬度明顯高于SY3/SY4/SY5，這主要是由于預(yù)合金粉Y1/Y2中均含有Cu，因此SY3/SY4/SY5整體Cu含量要高于SY1/SY2，而Cu屬于配方中的軟質(zhì)項(xiàng)，含量越高，硬度越低。

另外對(duì)比SY3/SY4/SY5的硬度結(jié)果可以看出，加入Y1的試樣硬度高于Y2，加入Fe70Cu30合金粉的試樣硬度大于Fe和Cu的單質(zhì)粉。

表6 各配方試樣塊的硬度Table 6 Hardness of different formula samples

3.4 不同配方樣塊的抗彎強(qiáng)度和斷裂時(shí)間的比較和分析

在三點(diǎn)抗彎測(cè)試中，SY1/SY2的抗彎強(qiáng)度和斷裂時(shí)間都很接近，而將Co替換成預(yù)合金粉Y1/Y2后，SY3/SY4/SY5三個(gè)配方的試樣塊均在測(cè)試中未壓斷(詳見表7)，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度和韌性，這可能與Cu含量的增加以及預(yù)合金粉Y1/Y2的特性有關(guān)。

表7 各配方試樣塊的抗彎強(qiáng)度和斷裂時(shí)間Table 6 Bending strength and breakdown time of different formula samples

圖1 各配方試樣塊斷面SEM圖像——1K×(左)/10K×(右)Fig.1 The SEM images of fracture surface of different formula samples——1K×(left)/10K×(right)

4 結(jié)論

在真空熱壓條件下，當(dāng)升溫、加壓速率和保溫、保壓時(shí)間相同，最終燒結(jié)致密度接近100%致密的條件下，比較了在本配方體系下單質(zhì)粉、部分預(yù)合金粉和全預(yù)合金粉組成的胎體性能差異，得出下列結(jié)論:

(1)采用預(yù)合金粉Y1/Y2替換配方中的Co粉，試樣致密度有所下降;

(2)預(yù)合金粉Y1/Y2中的Cu使得配方中軟質(zhì)項(xiàng)增多，硬度下降，抗彎強(qiáng)度和韌性提升;

(3)加入預(yù)合金粉Y1的試樣硬度要高于加入Y2的，加入Fe70Cu30合金粉的試樣硬度高于加入Fe和Cu單質(zhì)粉的。