相同骨架相含量下W基和WC基金屬結合劑燒結性能對比分析

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,中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，桂林 541004)

金屬結合劑一般采用鐵、銅、鎳、錫、鈷等作為結合材料[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，金屬結合劑工具的使用壽命會受到較大影響，因此，金屬結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等是共價鍵結構，在燒結過程中，與金屬元素存在著較高的界面能，會一定程度影響燒結質量[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，在燒結時與金屬元素間的擴散作用更強，理論上能提高燒結質量[6]。本文以金剛石工具中常用的WC-Cu基金屬結合劑為基礎，通過添加其它元素形成結合劑配方體系，并用相同重量的金屬W替代WC進行燒結實驗，對比研究在相同骨架相含量下兩種結合劑配方體系的燒結性能，以期為金屬結合劑中骨架相材料的使用提供實驗指導和應用依據。

1 實驗

1.1 配方設計

金屬結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

根據表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，兩種配方的試樣經裝料、冷壓成型后，將冷壓試樣置于國產真空熱壓燒結爐內燒結，真空度為0.1Pa,壓力為25MPa,燒結溫度為850℃，燒結保溫保壓時間為6min[7]，燒結試樣的尺寸規格為30mm×12mm×6mm。

1.3 力學性能測試及結構表征

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體試樣斷口形貌。通過測定空白胎體與含30%(體積分數)金剛石顆粒的燒結體試樣的三點抗彎強度，從而間接計算金剛石結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)金剛石的胎體的三點抗彎強度。

采用排水法測量燒結體試樣的密度，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，它是試樣燒結致密程度的重要指標。

2 結果與討論

2.1 燒結體力學性能分析

兩種配方體系下燒結體的力學性能如表2所示：

表2 兩種配比體系燒結體的力學性能

圖1所示為兩種配方體系結合劑在相同燒結工藝條件下的力學性能對比。對比表2和圖1中的數據可以看出，1#配方體系的燒結性能要略好于2#配方體系的燒結性能，但2#配方體系對金剛石的把持力相對較高。1#燒結體的相對密度高于2#結合劑燒結體，其原因為：WC的熔點為2870℃，W的熔點為3400℃，在結合劑中骨架相的比例達到了40%，占比較高。根據粉末燒結理論，燒結溫度應為熔點的60%～70%，因此，當W含量較高時燒結溫度也應該更高。而本實驗過程中的燒結溫度是相同的，都為850℃，此時，2#結合劑因為燒結溫度不夠，燒結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較多，宏觀表現為燒結體的相對密度較低。燒結不充分也導致了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粉并燒結時，從750℃開始，金剛石表面就會有WC、W2C等生成，特別是在結合劑中存在著Co元素時，還會有W3Co3C、W4Co2C等生成[9]，也就是說，W基金屬結合劑對金剛石表面有一定的冶金結合，從而提高了結合劑對金剛石的把持力。

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

2.2 空白燒結體斷口形貌分析

圖2為兩種配比條件下燒結體的SEM電鏡圖片。當放大10000倍時，由圖可知，1#試樣的燒結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構。2#試樣的燒結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#金屬結合劑由于W的熔點較高，導致結合劑的燒結溫度偏低。根據燒結理論，燒結體內原子擴散及遷移不充分，空位消除受到影響，在燒結時就會產生較多空洞缺陷。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，不同燒結體內結合劑基質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，結合劑基質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材料，其原因在于：W是一種強碳化物形成元素，在燒結過程時，W元素會與金剛石顆粒發生一定的化學反應，并且有資料表明金剛石和鎢發生化學反應的熱力學條件并不苛刻，普通結合劑的燒結溫度即能滿足化學反應的熱力學條件[10]。因此，大量金屬基質材料會粘覆在金剛石顆粒表面，在一定程度上提高了結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 論

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

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

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

(3)含金剛石燒結體試樣的SEM電鏡照片表明，兩種結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，結合劑金屬基質材料會對金剛石顆粒有一定的粘覆，因此該結合劑對金剛石顆粒的把持作用相對較好一些。

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