預合金粉替代單質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

目前我國的金剛石工具產量巨大，是世界上金剛石工具的主要供應國之一。金屬基的金剛石工具用途廣泛，是使用和生產量最多的金剛石工具。在金剛石工具胎體制造方面，選用優質的金屬預合金粉取代傳統的單質元素粉末已成為行業發展的趨勢［1］，當今大量的預合金粉品種被開發出來，大部分的報道反饋了預合金粉能有效提高產品性能。相對使用單質粉而言，預合金粉有幾大優勢，一是能改善單質成分對金剛石的包鑲能力，二是使胎體組織更均勻質量更穩定，三是減少了昂貴的鈷粉用量，降低了材料成本［2-3］。預合金粉雖然有各種優勢，但實際工況中金剛石工具由于切割對象，切割參數，切割條件等的不同，胎體是種類繁多，這就需要我們研究預合金粉本身的性能，研究單質粉和預合金粉、預合金粉和預合金粉之間互相添加的性能。也就是研究預合金粉和單質粉對比性能如何變化，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預合金粉替換胎體配方中的Co、Fe、Cu、Sn單質粉，采用真空熱壓燒結的方法制備胎體試樣塊，并對比研究了不同程度替換的配方樣品的微觀組織和力學性能。

2 實驗方法

2.1 實驗原材料

實驗所用單質粉及預合金粉信息分別見表1和表2。

表1 實驗用單質粉信息Table 1 Info of metal simple powder

表2 實驗用預合金粉信息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粉和預合金粉，并添加0.5%的硬脂酸鋅作為增塑劑，在三維混料機中均勻混合60min。然后稱取一定劑量的混合粉料裝入冷壓模具中，將其壓成長方體塊狀試樣，設計的生坯試樣尺寸規格為30mm×12mm×6mm。

表3中，配方SY1為原始單質粉配方;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 單質粉及預合金粉配方Table 3 Formula of metal simple powder andpre-alloyed powder

2.3 熱壓燒結

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

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

2.4 表征方法及設備

2.4.1 采用數顯游標卡尺測量試樣的長(A)、寬(B)、厚(C)，算得試樣的體積V=A×B×C，采用電子天平測量試樣的重量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型洛氏硬度計檢測試樣的硬度;

2.4.4 采用萬能材料試驗機測量試樣的三點抗彎強度和斷裂時間。

3 結果與討論

3.1 不同配方樣塊的實際燒結溫度、壓力及厚度、致密度的比較和分析

由表5可以看出，在達到相近致密度的前提下，全部為單質粉的配方SY1(液相為Sn)的樣塊燒結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%)遠大于Sn的含量(2%)，更多的液相使得燒結所需的活化能降低。

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)，后三個配方的差異成分為Y1/Y2預合金粉(3～4μm)，粉末的粒度及顆粒形狀直接影響粉末的流動性，進而影響液相的流動填充效果，造成同樣燒結條件下的致密度差異［4］;可能原因二是燒結溫度偏高，液相生成的比較多且流動速度快，在冷卻過程中，胎體內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，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，這與所測的致密度結果一致;

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屬于配方中的軟質項，含量越高，硬度越低。

另外對比SY3/SY4/SY5的硬度結果可以看出，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度和斷裂時間的比較和分析

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

表7 各配方試樣塊的抗彎強度和斷裂時間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 結論

在真空熱壓條件下，當升溫、加壓速率和保溫、保壓時間相同，最終燒結致密度接近100%致密的條件下，比較了在本配方體系下單質粉、部分預合金粉和全預合金粉組成的胎體性能差異，得出下列結論:

(1)采用預合金粉Y1/Y2替換配方中的Co粉，試樣致密度有所下降;

(2)預合金粉Y1/Y2中的Cu使得配方中軟質項增多，硬度下降，抗彎強度和韌性提升;

(3)加入預合金粉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單質粉的。