李春月,羅亨萍,李 煒

(1.湖北銀天鉆石科技有限公司,湖北 鄂州 436000; 2.四川立合微航金屬材料有限公司，四川 瀘州 646000)

1 引言

近年來，隨著金剛石工具應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，國內(nèi)外金剛石制品市場競爭愈趨激烈，產(chǎn)品價格暴跌，而環(huán)保風(fēng)暴更加促進金剛石制品原材料的大幅上漲，傳統(tǒng)Co基、WC基、Cu基等胎體已不適應(yīng)市場需求。因此，在當前對金剛石工具行業(yè)高效率、高品質(zhì)、低成本的要求下，鐵基胎體由于價格低廉的特點成為金剛石工具行業(yè)的研究熱點和重點，深入研究開發(fā)高鐵基胎體有著重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

高鐵基胎體的研究方向有如下兩類：一是使用超細粉末，因為粉末越細，其燒結(jié)溫度越低，可以避免高溫?zé)Y(jié)對金剛石的損傷，同時胎體材料晶粒度細小，合金元素更容易均勻化，對胎體的性能改善有促進作用；二是使用鐵基預(yù)合金粉，胎體材料不存在組分偏析，性能更加優(yōu)異[1]。當前，如何將超細和預(yù)合金粉兩個概念應(yīng)用到高鐵基金剛石工具胎體的研究開發(fā)中日益得到重視與關(guān)注。

預(yù)合金粉末的制備主要有機械合金化法、擴散法、霧化法和化學(xué)法等，其中，由于化學(xué)法具有成分均一、顆粒細小、工藝中無有毒物質(zhì)，具有環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，能夠改進其它制粉方法的不足，故越來越受到關(guān)注[2]。以往研究都是以鐵含量為40%～60%的鐵基胎體[3]為論述對像，而本文在前人對鐵基胎體研究的基礎(chǔ)上，利用化學(xué)方法制備超細Fe-Cu-Sn-P預(yù)合金粉末，并開發(fā)鐵含量大于70%的高鐵基胎體金剛石工具，研究了超細Fe-Cu-Sn-P預(yù)合金粉末在高鐵基金剛石工具中的作用。

2 實驗

2.1 原材料

制備高鐵基胎體原材料主要有Fe粉、Cu粉、Sn粉、磷鐵粉以及四川立合微航金屬材料有限公司采用化學(xué)法生產(chǎn)的超細鐵基預(yù)合金粉末，粉末牌號為A；為對比化學(xué)法和霧化粉的性能差異，同時試驗了國內(nèi)某廠家水霧化方法制備的相同成分的Fe-Cu-Sn-P預(yù)合金粉末，牌號標記為B；其中Fe粉為-200目還原Fe粉，純度為99.5%；Cu粉和Sn粉均為-325目；試驗中選用40/45和45/50粒度的金剛石組合使用，體積濃度為12%；預(yù)合金粉末成分及相關(guān)參數(shù)見表1所示。

表1 預(yù)合金粉成分及相關(guān)參數(shù)

2.2 材料制備

制備胎體的配方各元素含量為：Fe質(zhì)量分數(shù)70%～80%、Cu質(zhì)量分數(shù)12%～16%，Sn質(zhì)量分數(shù)5%～7%，P質(zhì)量分數(shù)1%～3%，各胎體試樣的配方見表2所示；10個試樣選用相同的金剛石濃度和配比；用精度為0.001g的FA100XN電子分析天平稱量粉末，在V型混料機中混粉4h，液體石蠟作為潤濕劑；在2000kN四柱液壓機上采用雙向壓制方法冷壓制坯，壓制壓力為400MPa；燒結(jié)試驗在鐘罩爐中進行，燒結(jié)溫度為(910±5℃)，燒結(jié)壓力為3MPa，保溫時間為60min，氫氣保護，隨爐冷卻。

2.3 性能測試

用阿基米德法在密度天平上測試試樣的密度；在HR-150A型洛氏硬度計上測試試樣的洛氏硬度，采用HRB度量；根據(jù)GB/T 1481-1998和GB/T 11106-1989測試合金粉對胎體壓制成型性的影響，即壓縮性和成型性，試樣尺寸為Φ17mm×15 mm的圓柱試樣；為測試上述十個配方的切割性能，同時壓制了規(guī)格為Φ114mm×1.2mm×1.8mm×12mm的8齒的圓鋸片；在Instron 3369型試驗機上測試試樣的抗彎強度，試樣尺寸為40 mm×8 mm×3 mm，跨距為25mm，加載速度為1.0mm/min；相對密度為試樣燒結(jié)后的實際密度與理論密度的比值；利用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣斷口形貌做掃描分析；采用云石機切割2cm厚五蓮紅石材進行切割性能測試，試驗所有結(jié)果均取5個試驗平均值做為最終實驗結(jié)果。

表2 胎體試樣配方

3 結(jié)果分析

3.1 合金粉含量對胎體壓制成型性的影響

粉末的壓制成型性包括壓縮性和成型性兩個方面。壓縮性是指粉末在壓制過程中被壓緊的能力；成型性是指壓制后，粉末壓坯保持既定形狀的能力[4]。在金剛石制品行業(yè)，胎體的壓制成型性的優(yōu)劣是配方設(shè)計考慮的一個重要因素，因此，本文重點研究了預(yù)合金粉末含量對胎體壓制成型性的影響。采用在400MPa壓力下生坯的密度和相對密度表征試樣的壓縮性，如圖1-a和1-b所示。

由圖1可知，添加相同含量B的生坯密度和相對密度均高于添加A的生坯。從圖1-b可知，隨A含量增加，生坯的相對密度在A3試樣出現(xiàn)最大值，然后出現(xiàn)相對密度降低的情況；隨B含量增加，生坯的相對密度越來越高，B4配方的相對密度達到最大值。說明在高鐵基胎體中需控制合金粉的添加比例才能保證生坯具有最佳的壓縮性能，本實驗中添加30%A粉末的生坯具有最佳的壓縮性能。

圖2為合金粉含量對生坯抗壓強度即成形性的影響，抗壓強度計算公式為：

圖1-a 合金粉含量對生坯壓制密度的影響Fig.1-a The effect of pre-alloyed powder content on pressed density

圖1-b 合金粉含量對生坯相對密度的影響Fig.1-b The effect of pre-alloyed powder content on relative density of pressing

σd：抗壓強度，N/mm2；

Fd：試樣所承受的最大載荷，N；

A0：試樣原始橫截面積，mm2。

圖2 合金粉含量對生坯抗壓強度的影響Fig.2 The effect of pre-alloyed powder content on compressive strength of pressing

從圖2可知，凡添加相同含量A的生坯抗壓強度均高于添加B的生坯。隨A含量增加，生坯的抗壓強度逐漸增大，在A4試樣出現(xiàn)最大值。隨著配方中B含量的增加，生坯的抗壓強度逐漸減小。說明在高鐵基胎體中添加化學(xué)法預(yù)合金粉末的成型性明顯高于添加水霧化預(yù)合金粉末的成型性，霧化合金粉添加量越多，胎體的成型性越差。而添加化學(xué)法預(yù)合金粉可以改善胎體的成型性，在本實驗中，添加A粉末含量為50%時成型性最優(yōu)。

分析可知，預(yù)合金粉末的形貌、粒度及粒度組成不同時，在壓制過程中的行為是不同的。一般來說，粉末越細，流動性越差，在充填模腔時越困難，越容易形成搭橋。由于粉末細，其松裝密度就低，在壓模中充填容積就大，這樣在壓制過程中模沖的運動距離和粉末之間的內(nèi)摩擦力都會增加，壓力損失隨之加大，影響壓坯密度的均勻分布，圖3-a和圖3-b是A和B粉末的形貌對比。

由圖可知，B的形貌屬近球形，A的形貌屬典型的不規(guī)則形狀超細粉末。在B1-B5試樣中，由于粒度較細的B可以填充到粗顆粒的還原鐵粉間隙中，在粒度組成最合適的B4配方中，相對密度出現(xiàn)了最大值。而在A1-A5試樣中，由于化學(xué)法粉末A粒度非常細，添加到高鐵基胎體中導(dǎo)致粉末的流動性變差，在壓制過程中，隨著A含量增加，壓力損失也增加，因此壓縮性能較差，而成型性反而提高。這是由于細粉末顆粒間的接觸點較多，接觸面積增加。本文中，超細粉A容易填充到大顆粒的Fe粉、Cu粉、Sn粉和磷鐵粉空隙中，因此在壓制添加A的高鐵基胎體時，生坯抗壓強度增加，彈性后效減少，易于得到高致密度的合格胎體壓坯[5]。

圖3-a A粉末SEM照片F(xiàn)ig.3-a The SEM photo of pre-alloyed powder A

圖3-b B粉末SEM照片F(xiàn)ig.3-b The SEM photo of pre-alloyed powder B

3.2 合金粉含量對胎體燒結(jié)硬度和抗彎強度的影響

硬度和抗彎強度是評價胎體性能好壞的重要參數(shù)，也是胎體燒結(jié)工藝水平的重要反映。合金粉含量對胎體硬度和抗彎強度的影響如圖4-a和圖4-b所示。由圖可知，在相同燒結(jié)工藝下，添加相同含量A的試樣硬度和抗彎強度均高于添加B的試樣；試樣的硬度和抗彎強度隨合金粉含量的增加而有所提高，合金粉含量達到50%以后，試樣的硬度和抗彎強度提高幅度變緩。

根據(jù)表面能理論分析可知，顆粒越細，比表面越大，表面能也就越高，粉體具有的活性也就越大。胎體試樣可以看作是由富溶質(zhì)粉末顆粒和與分布在其周圍的溶劑粉末顆粒構(gòu)成的。燒結(jié)就是促進溶質(zhì)原子在溶劑基體中的擴散，同時也是促進溶劑原子在溶質(zhì)原子中的擴散的過程，這是一種互擴散，壓坯可以看作是由許許多多的小的溶質(zhì)和溶劑顆粒擴散偶組成的，顯然，粉末粒度越細形成的擴散偶越多[6]。本實驗中，由于化學(xué)法粉末A(5000目)的粒度要比霧化粉末B(-300目)細很多，因此在燒結(jié)過程中，超細粒度的A粉末比相對較粗粒度的B粉末更容易擴散，在進行坯體顆粒的重新堆積排列、物質(zhì)擴散均化、孔隙球化時，超細粒度的粉末進行得更快。在相同燒結(jié)溫度和時間的條件下，超細粒度粉體進行的球化過程比粗粒度粉體的球化過程更完全，胎體的力學(xué)行為，如硬度、抗彎強度、彈性模量等通常隨粉末粒度的減小而增加。因此，本實驗中添加超細預(yù)合金粉A降低了試樣A1-A5的燒結(jié)溫度，使其胎體的致密度更高，硬度和抗彎強度均高于B1-B5。

圖4-a 合金粉含量對燒結(jié)硬度的影響Fig.4-a The effect of pre-alloyed powder content on sintering hardness

圖4-b 合金粉含量對抗彎強度的影響Fig.4-b The effect of pre-alloyed powder content on bending strength

3.3 合金粉含量對高鐵基金剛石鋸片切割性能的影響

為驗證上述試樣在金剛石圓鋸片中的性能表現(xiàn)，本文制備了Φ114的常規(guī)干切片，表3為合金粉含量在實際生產(chǎn)過程對鋸片壓制、燒結(jié)和切割性能的影響。由表3可知，在壓制生坯過程中，試樣A1-A5、B1和B2可以壓制成型，B3、B4和B5三個試樣由于成型性較差，壓制不能成型。由于粉末A和B的形貌、粒度差異較大，結(jié)合上述各試樣壓制成型性試驗結(jié)果可知，添加化學(xué)法粉末有助于提高胎體的成型性?？紤]到添加粉末A后胎體流動性較差，因此在實際生產(chǎn)過程中需對其添加量進行控制。本文在鋸片燒結(jié)過程中，根據(jù)各胎體試樣的燒結(jié)狀態(tài)對燒結(jié)溫度進行調(diào)整，隨著A含量增加，鋸片的燒結(jié)溫度隨之大幅降低，其中A5的燒結(jié)溫度比A1的燒結(jié)溫度降低35℃。從表3切割測試結(jié)果可知，合金粉含量達到40%以后鋸片切割五蓮紅的鋒利度得到明顯提升。

表3 合金粉含量對鋸片生產(chǎn)和切割性能的影響

圖5-a和圖5-b分別是A4和B2的鋸片斷口形貌組織，由圖可知，A4試樣胎體對金剛石的包鑲較好，而B2試樣胎體對金剛石包鑲較差，并且B2胎體組織中有金剛石脫落的現(xiàn)象。這都說明超細化學(xué)法鐵銅錫磷預(yù)合金粉的添加降低了配方的燒結(jié)溫度，提高了胎體對金剛石的包鑲能力，胎體組織得到細化，致密度得到提高。

圖5-a 試樣A4的斷口形貌Fig.5-a The fracture surface of sample A4

圖5-b 試樣B2的斷口形貌Fig.5-b The fracture surface of sample B2

4 結(jié)論

(1)添加化學(xué)法超細鐵銅錫磷預(yù)合金粉末有助于提高胎體的壓制成型性，在實際生產(chǎn)中，鑒于成型性和流動性的綜合考慮，建議添加比例控制在30%～50%。

(2)隨著超細鐵銅錫磷預(yù)合金粉末含量的增加，試樣的硬度和抗彎強度隨之提高，合金粉含量達到50%以后試樣的硬度和抗彎強度提高幅度變緩。

(3)隨著超細鐵銅錫磷預(yù)合金粉末含量的增加，胎體的燒結(jié)溫度隨之降低，其中A5的燒結(jié)溫度比A1的燒結(jié)溫度降低35℃。

(4)超細鐵銅錫磷預(yù)合金粉末含量達到40%以后，鋸片切割五蓮紅的鋒利度得到了明顯提升。