李鳴鳳，方小紅，段隆臣，譚松成

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢 430074）

預(yù)合金粉末具有不易氧化、保存方便、能簡(jiǎn)化金剛石工具制作工藝、提高胎體性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，在金剛石鉆頭領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)預(yù)合金粉末的研究也越來(lái)越多。然而，隨著鉆進(jìn)環(huán)境的復(fù)雜化，鉆頭胎體的性能需求越來(lái)越高，加上鉆頭胎體材料還應(yīng)具有成本低且對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)，故發(fā)現(xiàn)和研究新的胎體材料及配方對(duì)金剛石鉆頭制造領(lǐng)域具有重要意義。

非晶粉末是將仍處于熔融態(tài)的金屬快速冷卻至室溫后制得的金屬粉末，由于其金屬內(nèi)部的原子仍保持著熔融態(tài)時(shí)的無(wú)序狀態(tài)，此種粉末也被稱為金屬玻璃[2]。

鐵基非晶粉末是以鐵為主要元素的非晶預(yù)合金粉末。其成本較低，同時(shí)也具有力學(xué)性能好、燒結(jié)活性高等特點(diǎn)。目前，鐵基非晶粉末主要用于偶氮染料[3-4]和激光熔覆涂層材料[5-7]等領(lǐng)域。當(dāng)鐵基非晶粉末作為激光熔覆涂層材料時(shí)，其涂層組織在快速冷卻時(shí)來(lái)不及長(zhǎng)大，生長(zhǎng)為細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)；此結(jié)構(gòu)致密，使得制備出的非晶復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性能[5]。同時(shí)，非晶粉末在激光作用下還會(huì)發(fā)生晶化反應(yīng)，影響其熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層性能的優(yōu)化調(diào)控[6]。然而，鐵基非晶粉末在金剛石工具領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究較少。

為研究鐵基非晶粉末的加入對(duì)鐵基預(yù)合金粉末胎體性能的影響，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵基非晶粉末加入到基礎(chǔ)粉末（即鐵基預(yù)合金粉末）中，燒結(jié)成胎體后測(cè)試其力學(xué)性能，并對(duì)鐵基非晶粉末進(jìn)行DSC 及XRD測(cè)試，探究鐵基非晶粉末特性對(duì)胎體性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用粉末如表1所示，鐵基預(yù)合金粉末為試驗(yàn)基礎(chǔ)粉，鐵基非晶粉末為試驗(yàn)添加粉，2 種粉末均為安泰特種粉業(yè)有限公司生產(chǎn)的霧化預(yù)合金粉末。

表1 試驗(yàn)粉末Tab.1 Powder in experiment

鐵基預(yù)合金粉末元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Fe，65%；Cu，20%；Ni，7%；Sn，8%。鐵基非晶粉末元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Fe，69%～76%；W，8%～10%；Cr，4%～6%；Ni，3%；Si，5%；B，2%～4%；Mo，2%～3%。

采用PRO G2 臺(tái)式掃描電鏡（荷蘭Phenom）觀察試驗(yàn)粉末微觀形貌。圖1、圖2分別為鐵基預(yù)合金粉末和鐵基非晶粉末的SEM 圖。從圖1和圖2可以看出：2 種粉末均非單質(zhì)金屬機(jī)械混合粉末，雖顆粒粒徑大小不一，但合金化結(jié)構(gòu)均勻，為典型預(yù)合金粉末形貌。

圖1 鐵基預(yù)合金粉末微觀形貌Fig.1 Micromorphology of Fe-base pre-alloyed powder

圖2 鐵基非晶粉末微觀形貌Fig.2 Micromorphology of Fe-base amorphous powder

1.2 試樣制備

在基礎(chǔ)粉末中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，5%，10%和15%的鐵基非晶粉末，制成胎體后測(cè)試其洛氏硬度Hr、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度σb及磨損率η。

用萬(wàn)能電子天平（精度為0.001 g）分別稱取所需質(zhì)量的基礎(chǔ)粉末和鐵基非晶粉末，后置于混料瓶中，再放入HSW-10 三維混料機(jī)中球磨混料12 h，混合均勻后裝入石墨磨具中，在SM-100A 自控智能燒結(jié)機(jī)（長(zhǎng)江精工）上進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒制出8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm和5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm 共2 種尺寸的試樣。表2為熱壓燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)參數(shù)，圖3為燒結(jié)工藝曲線。

表2 熱壓燒結(jié)參數(shù)Tab.2 Parameters of hot pressing sintering

圖3 燒結(jié)工藝曲線Fig.3 Sintering curve

1.3 性能測(cè)試與表征

使用洛氏硬度計(jì)（HR-150A，溫州韋度）檢測(cè)試樣的硬度；采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（CTM2500/10kN，上海協(xié)強(qiáng)儀器)測(cè)試試樣三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度；利用金剛石磨耗比試驗(yàn)機(jī)（HYMH-25，吉林峰遠(yuǎn)精密電子設(shè)備)檢測(cè)并計(jì)算試樣的磨損率；利用差示掃描量熱儀（STA 449F3，德國(guó)NETZSCH）對(duì)鐵基非晶粉末熱性能進(jìn)行分析；利用X 射線衍射儀（D8 Advance，德國(guó)Bruker)對(duì)鐵基非晶粉末進(jìn)行物相組成分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 洛氏硬度測(cè)試

洛氏硬度測(cè)試試樣尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm，每種胎體配方重復(fù)試驗(yàn)3 次，在每個(gè)胎體試樣的上下端各測(cè)4 個(gè)點(diǎn)，取24 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果，得出圖4所示的燒結(jié)胎體的硬度曲線。

由圖4可知：隨著鐵基非晶粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體的硬度也呈增加的趨勢(shì)。未加入鐵基非晶時(shí)，胎體硬度僅為104.6 HRB；當(dāng)加入的鐵基非晶粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，胎體的硬度提高至107.7 HRB，提高了3.0%；當(dāng)加入的鐵基非晶粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%時(shí)，硬度達(dá)到了110.0 HRB，提高了5.2%。

圖4 硬度曲線Fig.4 Hardness curve

2.2 三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試

抗彎強(qiáng)度測(cè)試試樣尺寸為5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm，每一種胎體配方重復(fù)試驗(yàn)3 次。設(shè)置矩形跨距為24.5 mm，負(fù)荷控制為10 N/s，測(cè)出其抗彎強(qiáng)度值后取平均值，得到圖5的添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鐵基非晶粉末的胎體試樣的抗彎強(qiáng)度變化曲線。

圖5 抗彎強(qiáng)度曲線Fig.5 Bending strength curve

由圖5可知：隨鐵基非晶粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體的抗彎強(qiáng)度先增大后減小，但總體上還是增加的。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，5%，10%，15%的鐵基非晶粉末后，胎體抗彎強(qiáng)度分別為610，750，965 和790 MPa。與未加鐵基非晶粉末的胎體相比，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%的鐵基非晶粉末的胎體抗彎強(qiáng)度分別提高了23.0%，58.2%和29.5%，均對(duì)提高胎體抗彎強(qiáng)度有良好效果。

2.3 磨損率測(cè)試

磨耗比測(cè)試試樣尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm。將磨耗比試驗(yàn)機(jī)次數(shù)設(shè)置為10 次，位移設(shè)置為0.025 mm，位移系數(shù)為200，將每個(gè)試樣放在試驗(yàn)機(jī)上磨耗3 min，測(cè)出磨損前與磨損后試樣的質(zhì)量，用式（1）計(jì)算其磨損率η：

其中：m前為磨損前試樣的質(zhì)量，m后為磨損后試樣的質(zhì)量。

每種試樣重復(fù)測(cè)量3 次取平均值，得出如圖6所示的磨損率曲線。

圖6 磨損率曲線Fig.6 Wear rate curve

由圖6可知：未加入鐵基非晶粉末時(shí)，胎體磨損率為3.3，加入鐵基非晶后，胎體的磨損率降低了很多。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%鐵基非晶粉末后，胎體的磨損率下降至1.5，降低了54.5%；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%鐵基非晶粉末后，胎體磨損率下降至0.6，降低了81.8%。說(shuō)明鐵基非晶粉末能顯著降低胎體的磨損率，提高胎體的耐磨性能。

2.4 DSC 與XRD 測(cè)試

為深入研究鐵基非晶粉末影響胎體性能的機(jī)理，對(duì)鐵基非晶粉末進(jìn)行了差示掃描量熱（DSC）分析[8]，得到其DSC 曲線圖7。

圖7 鐵基非晶粉末的DSC 曲線Fig.7 DSC curve of Fe-based amorphous powder

從圖7可以看出：在燒結(jié)溫度為500～700 ℃時(shí)，鐵基非晶粉末有一個(gè)晶化放熱峰。這是一個(gè)急劇放熱的過(guò)程，這一過(guò)程中存在著物質(zhì)由非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變[5]。同時(shí)，圖7中在1 000～1 200 ℃時(shí)有一個(gè)吸熱峰，是鐵基非晶粉末熔融時(shí)出現(xiàn)的。為了深入分析該晶化放熱過(guò)程，取鐵基非晶粉末于石墨模具中，分別在最高溫度為500 ℃及700 ℃下進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。理論而言，500 ℃燒結(jié)時(shí)不會(huì)發(fā)生晶化放熱，而700 ℃時(shí)則會(huì)發(fā)生明顯的晶化放熱[9]。分別對(duì)最高溫度為500 ℃及700 ℃下燒結(jié)的胎體進(jìn)行X 射線衍射（XRD）測(cè)試及對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 500 ℃與700 ℃時(shí)的鐵基非晶粉末XRD 曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of XRD curves of Fe-based amorphous powders at 500 ℃ and 700 ℃

圖8的黑色和紅色曲線分別為最高溫度是500 ℃和700 ℃時(shí)燒結(jié)胎體的XRD 曲線。當(dāng)燒結(jié)的最高溫度為500 ℃時(shí)，其XRD 曲線在衍射角為25°～29°時(shí)有一個(gè)尖銳的晶體衍射峰，而在衍射角為41°～49°時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)非晶相特有的“饅頭峰”；當(dāng)燒結(jié)的最高溫度為700 ℃時(shí)，25°～29°處的衍射峰變高，而XRD 曲線上的“饅頭峰”消失，但在衍射角為45°處出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)度高且十分尖銳的晶體衍射峰，同時(shí)在其他衍射角位置也出現(xiàn)了幾個(gè)晶體衍射峰。這表明在700 ℃時(shí)，胎體中的非晶態(tài)有部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。

在500 ℃和700 ℃時(shí)，加入鐵基非晶粉末后的試樣的XRD 物相分析結(jié)果如圖9、圖10 所示。由圖9、圖10 可知：2 種試樣中均測(cè)出了石英（SiO2）相，且表征SiO2的最強(qiáng)衍射峰的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有改變，說(shuō)明試樣中的SiO2含量基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生任何反應(yīng)或相變。同時(shí)，500 ℃時(shí)出現(xiàn)的NiSi 相在加熱至700 ℃時(shí)因融入了B 元素而轉(zhuǎn)化成了NiSiB 相，而B(niǎo) 對(duì)金剛石具有一定的潤(rùn)濕性，能提高胎體的硬度和耐磨性；在500 ℃出現(xiàn)的CrFe 相也在加熱至700 ℃時(shí)融入了Si 元素而形成SiCrFe 相。Si 可以細(xì)化胎體晶粒，提高胎體的強(qiáng)度和耐磨性，并能改善胎體和金剛石的潤(rùn)濕性，提高其對(duì)金剛石的包鑲能力[10]。因此，2 種晶化反應(yīng)促進(jìn)了B元素和Si 元素與其他物相的融合，起到改善胎體性能的作用，從而提高了胎體的硬度、強(qiáng)度和耐磨性[11]。

圖9 500 ℃時(shí)試樣的XRD 曲線Fig.9 XRD curve of the sample at 500 ℃

圖10 700 ℃時(shí)試樣的XRD 曲線Fig.10 XRD curve of the sample at 700 ℃

3 結(jié)論

（1）在鐵基預(yù)合金粉末胎體中加入鐵基非晶粉末后，胎體的洛氏硬度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度及耐磨性都有一定程度的提升，并隨加入的鐵基非晶粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈上升的趨勢(shì)。未加入鐵基非晶粉末時(shí)，胎體的洛氏硬度、抗彎強(qiáng)度及磨損率分別為104.6 HRB、610 MPa、3.3；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鐵基非晶粉末后，胎體硬度幾乎不變，抗彎強(qiáng)度提高了23.0%，為750 MPa，磨損率降低了54.5%，為1.5；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鐵基非晶粉末后，胎體硬度和抗彎強(qiáng)度分別為107.7 HRB和965 MPa，分別提高了3.0%和58.2%，磨損率降至0.9，降低了72.7%；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% 的鐵基非晶粉末后，胎體硬度為110.0 HRB，提高了5.2%，抗彎強(qiáng)度為790 MPa，提高了29.5%，磨損率降至0.6，共降低了81.8%。

（2）在對(duì)鐵基非晶加熱過(guò)程中，在500～700 ℃，鐵基非晶粉末會(huì)有一個(gè)急劇放熱的過(guò)程，放出的熱量會(huì)推動(dòng)胎體燒結(jié)，且有利于燒結(jié)出晶粒細(xì)小、質(zhì)量較好的胎體；同時(shí)，這個(gè)急劇放熱的過(guò)程是非晶相向晶體轉(zhuǎn)化的過(guò)程，B 元素融入NiSi 相形成NiSiB 相、Si 元素融入CrFe 相形成SiCrFe 相，使胎體結(jié)構(gòu)更加致密，提高了胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度及耐磨性。