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有限公司，河北 石家莊 050800)

目前國內外金剛石薄壁鉆市場競爭越來越激烈，對產品要求是高效率、高品質、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，資源豐富卻價格低廉，大批科研人員和廠家都在研究如何進一步提高鐵粉在胎體中的百分比，在保證或提高產品性能的基礎上降低成本，而細粉、超細粉是近年來研究的重點。本文在鐵基胎體的基礎上，探討通過添加不同粒度的鐵粉對產品各方面性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原材料

原材料主要有Fe、Cu、Sn、Ni、WC以及國內某品牌合金粉，其中鐵粉為市場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 實驗設備

冷壓、燒結設備：200kN的四柱液壓機、金海威80kW熱壓燒結機

實驗分析設備：BR120-4S型高精度多功能電子比重計、HR-150A型洛式硬度計、GNT100電子萬能試驗機、JSM-IT100型掃描電鏡

鉆切設備：XMF-205鉆機 功率3500W 轉速700r/min

1.3 配方設計

胎體中的其他組分固定，Fe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 實驗方法

上述胎體配方統一搭配濃度為30%左右(35/40、40/45、45/50等粒度組成)的金剛石，混料各2kg。通過理論計算得出理論投料值，統一投料值規定為6.5g，在四柱液壓機上采取雙向壓制的方法冷壓制坯，壓力統一為20MPa，在電子比重計上分別測試出刀頭的密度，分析不同粒度鐵粉組成對胎體壓縮性的影響。

壓制好的毛坯刀頭采用熱壓燒結機進行燒結，燒結工藝統一為850°C，100kN，保溫2min，燒結模具尺寸統一為Φ63薄壁工程鉆波紋模具(24×3.5×10)，燒結后采用電子比重計、洛氏硬度計分別測量出刀頭的密度、硬度，分析不同粒度鐵粉對胎體致密性的影響。另采用相同燒結工藝，制作50mm×10mm×5mm樣塊在跨距為40mm的電子萬能試驗機上測試抗彎強度，分析不同鐵粉對胎體抗彎強度的影響；采用JSM-IT100型掃描電鏡對胎體斷口形貌進行觀察。

燒結好的刀頭通過高頻焊接焊在Φ63薄壁工程鉆桿上，通過鉆切公司標準試塊(混凝土標號為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際應用中對薄壁工程鉆鋒利度和壽命的影響。

2 實驗結果與討論

2.1 鐵粉粒度對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對產品批量生產帶來很大影響。

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，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號配方壓出的壓坯最為松軟，稍微用力就出現掉邊掉角的現象，成型性較差，而1號、2號、8號壓坯四邊平整，較為結實，成型性較好。可以得出Fe粉越細成型性越差的結論，但是采用粗細兩種不同粒度的Fe粉合理搭配胎體，成型性會有一定程度的改善。

分析得出，粉末在自由堆積時，由于粉末顆粒相接觸是隨機的，顆粒表面形狀的不規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[1]。粉末表面光滑或顆粒較粗大時，拱橋效應越小，越好壓制成型，粉末顆粒越小，比表面積越大，顆粒間粘結力越大，拱橋效應越大，越難壓制成型，而粗細粒度搭配時，細粒度粉末可以起填充作用，對壓縮性和成型性有一定的改善。

2.2 鐵粉粒度搭配對胎體燒結性能的影響

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

從圖3可以看出隨著配方中Fe粉粒度變細，流料值呈增加的趨勢，7號配方中Fe細粉含量最高，其流料值也最高，從流料量說明此燒結工藝對7號配方來說燒結溫度偏高，應適當降低燒結溫度。分析得出，根據表面能理論，顆粒越細，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大，在燒結過程中，細顆粒的粉末較粗顆粒的粉末更容易擴散[2]，相對所需要的燒結熱能也會偏低。胎體中在添加細顆粒粉末時，燒結工藝應進行適當的調整，才能避免過燒及燒死板結[3]等現象。

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，胎體的密度、硬度、抗彎強度越高，7號配方的密度、硬度、抗彎強度最高。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，胎體的密度、硬度、抗彎強度值越高，如3、4、5號配方，同樣為20%的-200目鐵粉分別搭配10%的-500目、-800目、-1200目鐵粉，5號配方的密度、硬度、抗彎強度值最高；5、6、7、8號配方中分別含有10%、15%、30%、5%的-1200目Fe粉，7號配方胎體的密度、硬度、抗彎強度值最高。

圖4 胎體燒結密度Fig.4 The carcass sintering density

圖5 胎體燒結硬度Fig.5 The carcass sintering hardness

圖6 胎體抗彎強度 Fig.6 The carcass bending strength

根據表面能的理論[4]可以知道，顆粒越細，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大。燒結過程中，細粒度的粉末比粗粒度的粉末更容易擴散[5]，在進行高溫加壓的情況下，細粒度的粉末較粗粒度的粉末更能有效地填補胎體粉末之間的空隙，使胎體的抗彎強度、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號配方2000倍斷口形貌Fig.7-3 Fracture morphology with 2000 times with No 4composition

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

2.3 不同粒度的鐵粉組成對薄壁鉆的鋒利度和壽命的影響

將不同編號配方燒好的刀頭焊接成Φ63的薄壁鉆頭，鉆切公司標準試塊，用秒表測出每鉆通一個孔(240mm深)所需的時間，計算得出鉆切速度；每個編號的配方鉆切15 個孔為標準，測出最后刀頭磨損的程度，按有效使用刀頭高度為9mm計算出鉆頭的鉆切壽命，具體數據如表2：

表2 不同粒度的鐵粉對薄壁鉆鉆切速度和壽命的影響

從表2數據對比可以看出：8號配方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號配方30%-1200目鐵粉的速度最慢，壽命最長；1號配方30%的-200目鐵粉的壽命最短，速度和手感均還不錯。由此可以看出鐵粉越細薄壁鉆鉆切速度越慢，壽命越長，但是兩種不同粒度的鐵粉搭配時，合理的搭配比例可以使速度和壽命都有所提升，根據實際切割需求，合理的搭配不同粒度的鐵粉能夠達到更加理想的效果。

3 結論

(1)Fe粉越細成型性越差，但是采用粗細兩種不同粒度的Fe粉合理搭配對胎體成型性有一定的改善作用。

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

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

(4)合理搭配不同粒度的鐵粉能夠達到更加理想的鉆切效果。