左宏森, 任 瑛, 翟煥煥

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

1 前言

隨著超硬材料工具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，鐵基結(jié)合劑因其物美價(jià)廉和對(duì)金剛石有較好的結(jié)合力而在我國(guó)金剛石工具中使用越來(lái)越多。鐵基結(jié)合劑金剛石產(chǎn)品通常磨耗量小，磨削比高，強(qiáng)度高，結(jié)合劑對(duì)金剛石潤(rùn)濕性好，使用壽命長(zhǎng)。與銅基結(jié)合劑相比其燒結(jié)溫度較高，可以使鐵基結(jié)合劑獲得較高的強(qiáng)度和韌性。但也有現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題需要考慮：一是高溫下因鐵元素的特殊結(jié)構(gòu)在控制不當(dāng)?shù)那闆r下很容易導(dǎo)致對(duì)金剛石過(guò)度腐蝕，從而影響金剛石工具的性能；二是高強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度和脆性，在制備金剛石工具時(shí)用作結(jié)合劑，不僅可以保持工具的高強(qiáng)度同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)磨加工時(shí)結(jié)合劑應(yīng)有的脆性。實(shí)際上，在上世紀(jì)80年代，國(guó)外已出現(xiàn)鑄鐵結(jié)合劑金剛石磨具[1-2]。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析鐵與鑄鐵成分不同含量時(shí)，對(duì)鐵基結(jié)合劑性能的作用，并通過(guò)SEM形貌觀測(cè)來(lái)分析對(duì)金剛石表面的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用真空熱壓法以節(jié)塊的方式來(lái)檢測(cè)試樣的力學(xué)性能，并觀察斷口的金剛石與結(jié)合劑處微觀組織形貌，最后用掃描電鏡觀察經(jīng)酸處理后的金剛石形貌特征。實(shí)驗(yàn)所用節(jié)塊尺寸為40×5×5，熱壓設(shè)備為RYJ-2000Z型，結(jié)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?？拐蹚?qiáng)度測(cè)定設(shè)備為GHT-4504多功能電子試驗(yàn)機(jī)。熱壓節(jié)塊經(jīng)過(guò)鹽酸和硝酸處理后將金剛石提純出來(lái)，進(jìn)行形貌觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在保持總鐵含量不變時(shí)，熱壓溫度760℃時(shí)，變化還原鐵粉末與鑄鐵粉末比例，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 鑄鐵含量不同時(shí)對(duì)節(jié)塊試樣性能的影響

從表1中發(fā)現(xiàn)，760℃熱壓時(shí)，鑄鐵成分含量增加時(shí)，在10%比例之內(nèi)，可以提高結(jié)合劑的硬度，超過(guò)比例15%后，硬度將稍有下降，但下降幅度很小。而對(duì)強(qiáng)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(shí)加金剛石前后結(jié)合劑硬度和強(qiáng)度下降的程度比較。

表2 含金剛石時(shí)試樣硬度與強(qiáng)度變化比較

*HRB1、σbb1分別為沒(méi)有金剛石時(shí)試樣的硬度與強(qiáng)度；HRB2、σbb2分別為加入金剛石后試樣的硬度與強(qiáng)度。

表2中反映出加入鑄鐵粉末前后，對(duì)鐵基結(jié)合劑硬度的變化幾乎沒(méi)有影響，對(duì)抗折強(qiáng)度的變化要比還原鐵粉時(shí)導(dǎo)致的強(qiáng)度下降幅度小。這說(shuō)明鑄鐵粉的加入對(duì)金剛石的把持能力還是提高了。

鑄鐵粉的使用對(duì)工藝參數(shù)的影響進(jìn)行三個(gè)溫度的試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2。圖1為鑄鐵比例為10%時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，圖2是鑄件比例為30%時(shí)的硬度與強(qiáng)度情況。

圖1 10%的鑄鐵含量在不同的溫度下對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(dāng)鑄鐵粉含量10%時(shí)，溫度提高將不利于硬度和強(qiáng)度的提高，但對(duì)于30%鑄鐵粉含量時(shí)，提高熱壓溫度將有助于強(qiáng)度的提高。而兩種成分隨溫度變化時(shí)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(jié)合劑對(duì)金剛石的結(jié)合力高低，結(jié)合力實(shí)際上是表面結(jié)合的作用[3-4]。為了研究鐵基結(jié)合劑對(duì)金剛石的表面作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)后的金剛石表面進(jìn)行了形貌觀察，見圖3、圖4。圖3為在無(wú)鑄鐵粉成分存在時(shí)鐵基結(jié)合劑節(jié)塊熱壓后，經(jīng)酸處理后不同倍數(shù)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(xiàn)了蜂窩狀的表面層，說(shuō)明鐵金屬成分對(duì)金剛石表面產(chǎn)生了明顯的侵蝕[5-6]。

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

當(dāng)結(jié)合劑中將部分鐵粉更換為鑄鐵粉時(shí)，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(duì)金剛石的侵蝕，但從圖4發(fā)現(xiàn)，鐵對(duì)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(jié)合劑觸角也可以反映出同樣的問(wèn)題。這在一定程度上也解釋了加入鑄鐵粉末后節(jié)塊強(qiáng)度下降幅度比純鐵結(jié)合劑小的結(jié)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(jié)論

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

(2)鑄鐵成分含量越高，適宜的熱壓燒結(jié)溫度也應(yīng)提高；

(3)無(wú)論是鐵基還是鑄鐵基結(jié)合劑，對(duì)金剛石均有侵蝕現(xiàn)象，但鑄鐵結(jié)合劑侵蝕程度較鐵基低。