添加富鐵預(yù)合金粉CSB-2的熱壓金剛石鉆頭胎體性能研究

李靜儀，段隆臣，周天盛，莫松林

(桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西 桂林 541199)

1 引言

利用最低的成本制造優(yōu)質(zhì)高效的鉆頭成為當(dāng)今鉆頭行業(yè)發(fā)展的一個趨勢，F(xiàn)e的資源豐富，價格便宜，F(xiàn)e與Co為同族元素，鐵基胎體經(jīng)過一定的燒結(jié)工藝與成分調(diào)整，也能具備優(yōu)良的胎體性能[1,2]。由于Fe基胎體應(yīng)用存在的潛力，已有相當(dāng)數(shù)量的研究人員對Fe基胎體進(jìn)行了各方面的研究工作，并取得了一定的成果，證明了Fe基金剛石工具的優(yōu)勢，但仍存在著一些問題有待解決。有研究證明，900℃以下的燒結(jié)溫度下，F(xiàn)e基胎體對金剛石的刻蝕作用不影響工具的性能[3-5]。但在鉆頭領(lǐng)域中，為保證胎體的強(qiáng)度，目前仍有相當(dāng)部分胎體中碳化物骨架材料含量較高，并且胎體與鋼體要求連接牢固，這兩個因素導(dǎo)致鉆頭燒結(jié)溫度均較其他金剛石切割工具高，通常需達(dá)到900℃以上才能獲得較好的性能。高溫條件下熱壓Fe基金剛石鉆頭胎體性能及胎體與金剛石微觀結(jié)構(gòu)的研究較少，針對這個問題，本文選取一種Fe含量40%以上并含Cu、Sn、Zn、P、稀土等元素的預(yù)合金粉CSB-2作為胎體的粘結(jié)成分添加到胎體中去，在980℃的溫度下燒結(jié)，研究富鐵胎體鐵的預(yù)合金化對胎體的性能、組織結(jié)構(gòu)等方面的影響，以期為熱壓鉆頭胎體預(yù)合金化研究和富鐵胎體的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

2 實驗

2.1 實驗材料

本實驗制作鉆頭胎體的基本配方粉末有Fe、WC、Cu、Ni、Co、Sn、Zn、Fe-25P(P元素的添加形式)，為湖南冶金材料研究所生產(chǎn)的粉末，粒度為-200目～400目。采用的金剛石牌號為MBD8，粒度為45/50，添加濃度為75%。富鐵的預(yù)合金粉采用河南卡斯通有限公司生產(chǎn)的CSB-2預(yù)合金粉，規(guī)格參數(shù)見表1：

表1 CSB-2規(guī)格參數(shù)

2.2 試樣制備

本文研究鐵預(yù)合金粉以及預(yù)合金化程度對胎體性能的影響，設(shè)置胎體的目標(biāo)成分一致，為：WC(30%)、Fe(24.44%)、Cu(19.9%)、Sn(2.47%)、Zn(0.62%)、P(2.53%)、Ni(15%)、Co(5%)，在胎體中添加CSB-2的含量分別為0%、30%、50%，在SM-100A自動智能燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)，燒結(jié)工藝為980℃、20MPa、保溫3min。

表2 實驗方案設(shè)計

2.3 性能測試及結(jié)構(gòu)表征

實驗采用HV-1000維氏硬度計測試胎體的硬度；采用CTM-2500微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)測試空白胎體及含金剛石胎體的三點抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為5mm×5mm×30mm；采用XJJ-50簡支梁沖擊試驗機(jī)測試胎體的沖擊韌性，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；采用MG-2000摩擦磨損試驗機(jī)表征胎體的耐磨性能，試樣尺寸為8.5mm×8.5mm×15mm；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEG-SEM )觀察胎體的組織結(jié)構(gòu)及斷口形貌。

胎體對金剛石的包鑲力是胎體的重要性能之一，本文采用強(qiáng)度損失率來間接表征胎體對金剛石的包鑲性能，如式(1)所示。

(1)

其中：σ空—空白胎體的抗彎強(qiáng)度，MPa；σD—含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度，MPa。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1力學(xué)性能分析

實驗測得的胎體硬度、抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性見表3及圖1～圖3。

表3 胎體力學(xué)性能

圖1 胎體的硬度與磨失量Fig.1 Hardness and wear weight loss of matrix

圖2 胎體的抗彎強(qiáng)度及強(qiáng)度損失率Fig.2 Bending strength and ratio loss of matrix

圖3 胎體的沖擊韌性Fig.3 Impact toughness of matrix

從圖1中可以看出，隨著CSB-2含量的增加，胎體的硬度增大，耐磨性增強(qiáng)；圖2中CSB-2含量增加能增強(qiáng)空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度，強(qiáng)度損失率的變化趨勢可以說明CSB-2能增強(qiáng)胎體對金剛石的把持力；圖3中沖擊韌性與胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度的變化趨勢一致，均隨著CSB-2的含量增加而增強(qiáng)。在同樣配方和相同燒結(jié)條件下，胎體的力學(xué)性能表現(xiàn)說明，預(yù)合金化能提高胎體的力學(xué)性能，并且預(yù)合金化程度越高，胎體中預(yù)合金粉末含量越大，胎體的性能越好。文獻(xiàn)[6]指出，胎體在燒結(jié)過程中隨著時間的進(jìn)行會經(jīng)歷不完全致密化、固結(jié)、重結(jié)晶及結(jié)晶長大三個階段，在固結(jié)范圍內(nèi)，胎體的硬度浮動最小，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。故在做胎體設(shè)計時為使胎體保持穩(wěn)定的硬度，常常設(shè)法拓寬胎體的固結(jié)范圍。

胎體的各項力學(xué)性能受胎體的組織結(jié)構(gòu)及致密度影響，胎體組織均勻細(xì)化、致密性好，胎體的力學(xué)性能就好，尤其是胎體的抗彎強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度。胎體組織均勻、孔隙率小，在受力時，應(yīng)力在胎體中傳遞均勻，胎體就能承受更大的作用力；胎體組織不均、致密性差，胎體中的孔隙等就容易在受力時成為薄弱點，造成胎體強(qiáng)度下降。

預(yù)合金粉是通過預(yù)合金化的手段將幾種金屬或非金屬熔融后再制造而成的粉末，在這個過程中，粉末的性質(zhì)、顆粒已經(jīng)發(fā)生了一定的變化。將預(yù)合金粉用于鉆頭胎體，在燒結(jié)時，預(yù)合金粉由于經(jīng)過預(yù)合金化，粉末之間已經(jīng)形成了固溶體或其他化合物，燒結(jié)時能縮短合金化過程，在同樣的燒結(jié)溫度壓力條件下，預(yù)合金粉較單質(zhì)的機(jī)械混粉熔融快，為燒結(jié)過程提供了更多的液相，并包裹金剛石與骨架材料，使燒結(jié)過程進(jìn)行更充分，從而提高了胎體的力學(xué)性能。

3.2 胎體斷口形貌分析

圖4～圖5為不同CSB-2含量的空白胎體斷口SEM掃描圖。圖4表明，隨著CSB-2的含量增大，胎體的顆粒度變細(xì)，胎體的孔隙率也得到了改善，胎體變得更加致密，這與前文的胎體力學(xué)性能的改變相一致。圖5中可以看出，0%含量的胎體斷裂主要以脆性斷裂為主，隨著CSB-2的含量增大，胎體斷口的韌窩斷裂特征逐漸明顯，50%的胎體斷口處能觀察到比較大的韌窩與撕裂棱，胎體的斷裂方式由脆性斷裂到韌-脆性斷裂過渡。

圖4 空白胎體斷口SEM100×a.0%；b.30%；c.50%Fig.4 Fig.4 Fracture morphology of the matrix without diamond (100×)

圖5 空白胎體斷口SEM1000×a.0%；b.30%；c.50%Fig.5 Fracture morphology of the matrix without diamond (1000×)

3.3 金剛石形貌分析

圖6為含金剛石胎體的斷口形貌圖?？梢杂^察到在980℃時，三種胎體斷口的金剛石表面均比較粗糙，0%的胎體斷口上，金剛石上布滿“花紋”，30%含量的胎體斷口上金剛石表面觀察到“針孔”形貌， 50%含量的金剛石上觀察到的是“浮凸”形貌，這些形貌證明了在980℃的條件下，本文研究的富鐵胎體對金剛石存在著一定的腐蝕作用[7]，但隨著CSB-2含量的增大，胎體對金剛石的刻蝕作用呈現(xiàn)減弱的趨勢。

圖6 含金剛石胎體斷口SEM400×a.0%；b.30%；c.50%Fig.6 Fracture morphology of the matrix with diamond (400×)

分析胎體對金剛石的腐蝕作用，從王嵐、郭西緬[8,9]的研究中可以知道，F(xiàn)e對金剛石的腐蝕實際上是金剛石中的C原子溶于γ-Fe中，并在遠(yuǎn)離金剛石的一側(cè)以石墨的方式析出，在同等的燒結(jié)條件下，CSB-2的添加使得胎體對金剛石的刻蝕程度呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)，根據(jù)王嵐等人的研究成果，可以猜測，CSB-2預(yù)合金粉中Fe與Cu、Sn、Zn、P等元素合金化使Fe主要以Fe-Cu、Fe-P等固溶體的形式存在， Fe的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，降低了C原子在Fe中的溶解度，從而緩解了胎體對金剛石的腐蝕作用。

圖7為金剛石能譜分析的結(jié)果，CSB-2合金粉含量的不同使得金剛石微區(qū)能譜結(jié)果產(chǎn)生一定的差異，含量為0%的胎體斷口上，金剛石的能譜結(jié)果中只檢測到了C元素，30%含量的金剛石能譜上除了C元素，還檢測到了Cu、W、Fe元素，50%含量的金剛石能譜上檢測到C、P、Fe、Co、Ni、Cu幾種元素， 表明CSB-2使胎體對金剛石的潤濕性變強(qiáng)，燒結(jié)時更多的胎體元素在金剛石表面潤濕鋪展。

圖7 斷口金剛石EDS分析a.0%；b.30%；c.50%Fig.7Fig.7 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis of diamond

3 結(jié)論

(1)富鐵預(yù)合金粉CSB-2的添加使胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及耐磨性及胎體的包鑲性能都得到了提高，預(yù)合金粉的含量越多，提高的效果越明顯。

(2)富鐵預(yù)合金粉CSB-2使胎體的顆粒細(xì)化，組織結(jié)構(gòu)更致密，使胎體的塑性增強(qiáng)。

(3)980℃燒結(jié)溫度下的富鐵胎體對金剛石存在一定的刻蝕，但預(yù)合金粉胎體對金剛石的刻蝕較單質(zhì)胎體弱，預(yù)合金粉含量增加，刻蝕作用呈現(xiàn)減弱的趨勢。預(yù)合金粉能增強(qiáng)胎體對金剛石的包鑲能力。

綜合添加富鐵合金粉CSB-2的熱壓金剛石鉆頭胎體的力學(xué)性能及斷口形貌的表征，雖Fe基胎體與純鈷基胎體的性能相比仍有一定的差距，但當(dāng)今金剛石工具行業(yè)競爭激烈，伴隨鉆頭市場萎縮，基于生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益，F(xiàn)e基胎體仍有相當(dāng)?shù)臐摿Α?/p>

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