添加富鐵預(yù)合金粉CSB-2的熱壓金剛石鉆頭胎體性能研究

李靜儀，段隆臣，周天盛，莫松林

(桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西 桂林 541199)

1 引言

利用最低的成本制造優(yōu)質(zhì)高效的鉆頭成為當(dāng)今鉆頭行業(yè)發(fā)展的一個趨勢，F(xiàn)e的資源豐富，價格便宜，F(xiàn)e與Co為同族元素，鐵基胎體經(jīng)過一定的燒結(jié)工藝與成分調(diào)整，也能具備優(yōu)良的胎體性能[1,2]。由于Fe基胎體應(yīng)用存在的潛力，已有相當(dāng)數(shù)量的研究人員對Fe基胎體進行了各方面的研究工作，并取得了一定的成果，證明了Fe基金剛石工具的優(yōu)勢，但仍存在著一些問題有待解決。有研究證明，900℃以下的燒結(jié)溫度下，F(xiàn)e基胎體對金剛石的刻蝕作用不影響工具的性能[3-5]。但在鉆頭領(lǐng)域中，為保證胎體的強度，目前仍有相當(dāng)部分胎體中碳化物骨架材料含量較高，并且胎體與鋼體要求連接牢固，這兩個因素導(dǎo)致鉆頭燒結(jié)溫度均較其他金剛石切割工具高，通常需達到900℃以上才能獲得較好的性能。高溫條件下熱壓Fe基金剛石鉆頭胎體性能及胎體與金剛石微觀結(jié)構(gòu)的研究較少，針對這個問題，本文選取一種Fe含量40%以上并含Cu、Sn、Zn、P、稀土等元素的預(yù)合金粉CSB-2作為胎體的粘結(jié)成分添加到胎體中去，在980℃的溫度下燒結(jié)，研究富鐵胎體鐵的預(yù)合金化對胎體的性能、組織結(jié)構(gòu)等方面的影響，以期為熱壓鉆頭胎體預(yù)合金化研究和富鐵胎體的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

2 實驗

2.1 實驗材料

本實驗制作鉆頭胎體的基本配方粉末有Fe、WC、Cu、Ni、Co、Sn、Zn、Fe-25P(P元素的添加形式)，為湖南冶金材料研究所生產(chǎn)的粉末，粒度為-200目～400目。采用的金剛石牌號為MBD8，粒度為45/50，添加濃度為75%。富鐵的預(yù)合金粉采用河南卡斯通有限公司生產(chǎn)的CSB-2預(yù)合金粉，規(guī)格參數(shù)見表1：

表1 CSB-2規(guī)格參數(shù)

2.2 試樣制備

本文研究鐵預(yù)合金粉以及預(yù)合金化程度對胎體性能的影響，設(shè)置胎體的目標(biāo)成分一致，為：WC(30%)、Fe(24.44%)、Cu(19.9%)、Sn(2.47%)、Zn(0.62%)、P(2.53%)、Ni(15%)、Co(5%)，在胎體中添加CSB-2的含量分別為0%、30%、50%，在SM-100A自動智能燒結(jié)機上燒結(jié)，燒結(jié)工藝為980℃、20MPa、保溫3min。

表2 實驗方案設(shè)計

2.3 性能測試及結(jié)構(gòu)表征

實驗采用HV-1000維氏硬度計測試胎體的硬度；采用CTM-2500微機控制電子萬能材料試驗機測試空白胎體及含金剛石胎體的三點抗彎強度，試樣尺寸為5mm×5mm×30mm；采用XJJ-50簡支梁沖擊試驗機測試胎體的沖擊韌性，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；采用MG-2000摩擦磨損試驗機表征胎體的耐磨性能，試樣尺寸為8.5mm×8.5mm×15mm；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEG-SEM )觀察胎體的組織結(jié)構(gòu)及斷口形貌。

胎體對金剛石的包鑲力是胎體的重要性能之一，本文采用強度損失率來間接表征胎體對金剛石的包鑲性能，如式(1)所示。

(1)

其中：σ空—空白胎體的抗彎強度，MPa；σD—含金剛石胎體的抗彎強度，MPa。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1力學(xué)性能分析

實驗測得的胎體硬度、抗彎強度及沖擊韌性見表3及圖1～圖3。

表3 胎體力學(xué)性能

圖1 胎體的硬度與磨失量Fig.1 Hardness and wear weight loss of matrix

圖2 胎體的抗彎強度及強度損失率Fig.2 Bending strength and ratio loss of matrix

圖3 胎體的沖擊韌性Fig.3 Impact toughness of matrix

從圖1中可以看出，隨著CSB-2含量的增加，胎體的硬度增大，耐磨性增強；圖2中CSB-2含量增加能增強空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強度，強度損失率的變化趨勢可以說明CSB-2能增強胎體對金剛石的把持力；圖3中沖擊韌性與胎體的硬度、抗彎強度的變化趨勢一致，均隨著CSB-2的含量增加而增強。在同樣配方和相同燒結(jié)條件下，胎體的力學(xué)性能表現(xiàn)說明，預(yù)合金化能提高胎體的力學(xué)性能，并且預(yù)合金化程度越高，胎體中預(yù)合金粉末含量越大，胎體的性能越好。文獻[6]指出，胎體在燒結(jié)過程中隨著時間的進行會經(jīng)歷不完全致密化、固結(jié)、重結(jié)晶及結(jié)晶長大三個階段，在固結(jié)范圍內(nèi)，胎體的硬度浮動最小，達到穩(wěn)定的狀態(tài)。故在做胎體設(shè)計時為使胎體保持穩(wěn)定的硬度，常常設(shè)法拓寬胎體的固結(jié)范圍。

胎體的各項力學(xué)性能受胎體的組織結(jié)構(gòu)及致密度影響，胎體組織均勻細化、致密性好，胎體的力學(xué)性能就好，尤其是胎體的抗彎強度與沖擊強度。胎體組織均勻、孔隙率小，在受力時，應(yīng)力在胎體中傳遞均勻，胎體就能承受更大的作用力；胎體組織不均、致密性差，胎體中的孔隙等就容易在受力時成為薄弱點，造成胎體強度下降。

預(yù)合金粉是通過預(yù)合金化的手段將幾種金屬或非金屬熔融后再制造而成的粉末，在這個過程中，粉末的性質(zhì)、顆粒已經(jīng)發(fā)生了一定的變化。將預(yù)合金粉用于鉆頭胎體，在燒結(jié)時，預(yù)合金粉由于經(jīng)過預(yù)合金化，粉末之間已經(jīng)形成了固溶體或其他化合物，燒結(jié)時能縮短合金化過程，在同樣的燒結(jié)溫度壓力條件下，預(yù)合金粉較單質(zhì)的機械混粉熔融快，為燒結(jié)過程提供了更多的液相，并包裹金剛石與骨架材料，使燒結(jié)過程進行更充分，從而提高了胎體的力學(xué)性能。

3.2 胎體斷口形貌分析

圖4～圖5為不同CSB-2含量的空白胎體斷口SEM掃描圖。圖4表明，隨著CSB-2的含量增大，胎體的顆粒度變細，胎體的孔隙率也得到了改善，胎體變得更加致密，這與前文的胎體力學(xué)性能的改變相一致。圖5中可以看出，0%含量的胎體斷裂主要以脆性斷裂為主，隨著CSB-2的含量增大，胎體斷口的韌窩斷裂特征逐漸明顯，50%的胎體斷口處能觀察到比較大的韌窩與撕裂棱，胎體的斷裂方式由脆性斷裂到韌-脆性斷裂過渡。

圖4 空白胎體斷口SEM100×a.0%；b.30%；c.50%Fig.4 Fig.4 Fracture morphology of the matrix without diamond (100×)

圖5 空白胎體斷口SEM1000×a.0%；b.30%；c.50%Fig.5 Fracture morphology of the matrix without diamond (1000×)

3.3 金剛石形貌分析

圖6為含金剛石胎體的斷口形貌圖。可以觀察到在980℃時，三種胎體斷口的金剛石表面均比較粗糙，0%的胎體斷口上，金剛石上布滿“花紋”，30%含量的胎體斷口上金剛石表面觀察到“針孔”形貌， 50%含量的金剛石上觀察到的是“浮凸”形貌，這些形貌證明了在980℃的條件下，本文研究的富鐵胎體對金剛石存在著一定的腐蝕作用[7]，但隨著CSB-2含量的增大，胎體對金剛石的刻蝕作用呈現(xiàn)減弱的趨勢。

圖6 含金剛石胎體斷口SEM400×a.0%；b.30%；c.50%Fig.6 Fracture morphology of the matrix with diamond (400×)

分析胎體對金剛石的腐蝕作用，從王嵐、郭西緬[8,9]的研究中可以知道，F(xiàn)e對金剛石的腐蝕實際上是金剛石中的C原子溶于γ-Fe中，并在遠離金剛石的一側(cè)以石墨的方式析出，在同等的燒結(jié)條件下，CSB-2的添加使得胎體對金剛石的刻蝕程度呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)，根據(jù)王嵐等人的研究成果，可以猜測，CSB-2預(yù)合金粉中Fe與Cu、Sn、Zn、P等元素合金化使Fe主要以Fe-Cu、Fe-P等固溶體的形式存在， Fe的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，降低了C原子在Fe中的溶解度，從而緩解了胎體對金剛石的腐蝕作用。

圖7為金剛石能譜分析的結(jié)果，CSB-2合金粉含量的不同使得金剛石微區(qū)能譜結(jié)果產(chǎn)生一定的差異，含量為0%的胎體斷口上，金剛石的能譜結(jié)果中只檢測到了C元素，30%含量的金剛石能譜上除了C元素，還檢測到了Cu、W、Fe元素，50%含量的金剛石能譜上檢測到C、P、Fe、Co、Ni、Cu幾種元素， 表明CSB-2使胎體對金剛石的潤濕性變強，燒結(jié)時更多的胎體元素在金剛石表面潤濕鋪展。

圖7 斷口金剛石EDS分析a.0%；b.30%；c.50%Fig.7Fig.7 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis of diamond

3 結(jié)論

(1)富鐵預(yù)合金粉CSB-2的添加使胎體的硬度、抗彎強度、沖擊韌性及耐磨性及胎體的包鑲性能都得到了提高，預(yù)合金粉的含量越多，提高的效果越明顯。

(2)富鐵預(yù)合金粉CSB-2使胎體的顆粒細化，組織結(jié)構(gòu)更致密，使胎體的塑性增強。

(3)980℃燒結(jié)溫度下的富鐵胎體對金剛石存在一定的刻蝕，但預(yù)合金粉胎體對金剛石的刻蝕較單質(zhì)胎體弱，預(yù)合金粉含量增加，刻蝕作用呈現(xiàn)減弱的趨勢。預(yù)合金粉能增強胎體對金剛石的包鑲能力。

綜合添加富鐵合金粉CSB-2的熱壓金剛石鉆頭胎體的力學(xué)性能及斷口形貌的表征，雖Fe基胎體與純鈷基胎體的性能相比仍有一定的差距，但當(dāng)今金剛石工具行業(yè)競爭激烈，伴隨鉆頭市場萎縮，基于生產(chǎn)與經(jīng)濟效益，F(xiàn)e基胎體仍有相當(dāng)?shù)臐摿Α?/p>

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