鑄鐵粉末對鐵基結合劑金剛石工具性能的影響

左宏森, 任 瑛, 翟煥煥

(河南工業大學材料科學與工程學院,鄭州 450001)

1 前言

隨著超硬材料工具市場競爭的需要，鐵基結合劑因其物美價廉和對金剛石有較好的結合力而在我國金剛石工具中使用越來越多。鐵基結合劑金剛石產品通常磨耗量小，磨削比高，強度高，結合劑對金剛石潤濕性好，使用壽命長。與銅基結合劑相比其燒結溫度較高，可以使鐵基結合劑獲得較高的強度和韌性。但也有現實的問題需要考慮：一是高溫下因鐵元素的特殊結構在控制不當的情況下很容易導致對金剛石過度腐蝕，從而影響金剛石工具的性能；二是高強度高韌性并不全有利于金剛石工具的使用，特別是在磨加工時自銳性的保持。鑄鐵作為含碳量較高的鐵合金，具有較高的強度和脆性，在制備金剛石工具時用作結合劑，不僅可以保持工具的高強度同時也可以實現磨加工時結合劑應有的脆性。實際上，在上世紀80年代，國外已出現鑄鐵結合劑金剛石磨具[1-2]。本文通過實驗分析鐵與鑄鐵成分不同含量時，對鐵基結合劑性能的作用，并通過SEM形貌觀測來分析對金剛石表面的影響。

2 實驗

實驗采用真空熱壓法以節塊的方式來檢測試樣的力學性能，并觀察斷口的金剛石與結合劑處微觀組織形貌，最后用掃描電鏡觀察經酸處理后的金剛石形貌特征。實驗所用節塊尺寸為40×5×5，熱壓設備為RYJ-2000Z型，結合劑配方中鐵總含量控制在55%wt，其它成分有Cu、Ni、Sn等，金屬粉末粒度-300，金剛石粒度100/120。熱壓溫度740℃～780℃，壓力3Pa，保溫4min。抗折強度測定設備為GHT-4504多功能電子試驗機。熱壓節塊經過鹽酸和硝酸處理后將金剛石提純出來，進行形貌觀察。

3 實驗結果與分析

在保持總鐵含量不變時，熱壓溫度760℃時，變化還原鐵粉末與鑄鐵粉末比例，其實驗數據如表1。

表1 鑄鐵含量不同時對節塊試樣性能的影響

從表1中發現，760℃熱壓時，鑄鐵成分含量增加時，在10%比例之內，可以提高結合劑的硬度，超過比例15%后，硬度將稍有下降，但下降幅度很小。而對強度的影響則隨鑄鐵含量的增加卻不斷下降。表2為不同鑄鐵含量時加金剛石前后結合劑硬度和強度下降的程度比較。

表2 含金剛石時試樣硬度與強度變化比較

*HRB1、σbb1分別為沒有金剛石時試樣的硬度與強度；HRB2、σbb2分別為加入金剛石后試樣的硬度與強度。

表2中反映出加入鑄鐵粉末前后，對鐵基結合劑硬度的變化幾乎沒有影響，對抗折強度的變化要比還原鐵粉時導致的強度下降幅度小。這說明鑄鐵粉的加入對金剛石的把持能力還是提高了。

鑄鐵粉的使用對工藝參數的影響進行三個溫度的試驗，其實驗結果如圖1、圖2。圖1為鑄鐵比例為10%時的實驗情況，圖2是鑄件比例為30%時的硬度與強度情況。

圖1 10%的鑄鐵含量在不同的溫度下對強度和硬度的影響Fig.1 Effect of 10% cast iron on strength and hardness in different temperature

圖2 30%的鑄鐵含量在不同的溫度下對強度和硬度的影響Fig.2 Effect of 30% cast iron on strength and hardness in different temperature

從圖1圖2中可以看出，當鑄鐵粉含量10%時，溫度提高將不利于硬度和強度的提高，但對于30%鑄鐵粉含量時，提高熱壓溫度將有助于強度的提高。而兩種成分隨溫度變化時硬度的變化則基本相似。

金剛石工具的壽命在一定程度上大大取決于結合劑對金剛石的結合力高低，結合力實際上是表面結合的作用[3-4]。為了研究鐵基結合劑對金剛石的表面作用，對實驗后的金剛石表面進行了形貌觀察，見圖3、圖4。圖3為在無鑄鐵粉成分存在時鐵基結合劑節塊熱壓后，經酸處理后不同倍數下金剛石磨料表面的微觀形貌。很明顯，金剛石失去了原始的光滑表面，出現了蜂窩狀的表面層，說明鐵金屬成分對金剛石表面產生了明顯的侵蝕[5-6]。

圖4 有鑄鐵成分(30%wt)時金剛石表面與結合面形貌Fig.4 The diamond surface and bonding surface between diamond and binder with cast iron (30%wt)

當結合劑中將部分鐵粉更換為鑄鐵粉時，同樣熱壓工藝下，金剛石的表面形貌如圖4。圖中反映了鑄鐵粉的加入并不能克服鐵元素對金剛石的侵蝕，但從圖4發現，鐵對金剛石的侵蝕程度有所減低，表面侵蝕層深度較薄，圖5脫落坑中殘留的金屬結合劑觸角也可以反映出同樣的問題。這在一定程度上也解釋了加入鑄鐵粉末后節塊強度下降幅度比純鐵結合劑小的結果。

圖5 金剛石脫落留下的坑洞表面形貌(×10000)Fig.5 Hole surface formed by diamond shedding

4 結論

(1)用鑄鐵粉末代替還原鐵粉，可以提高結合劑的抗折強度并提高與金剛石的結合力；

(2)鑄鐵成分含量越高，適宜的熱壓燒結溫度也應提高；

(3)無論是鐵基還是鑄鐵基結合劑，對金剛石均有侵蝕現象，但鑄鐵結合劑侵蝕程度較鐵基低。