超細(xì)CeO2粉末對(duì)鐵基合金工具胎體組織性能的影響

魏世超，周 強(qiáng)，羅 莉，溫 祿，潘錫翔

（江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，江西 贛州 341000）

金剛石工具性能卓越，是石油勘探、礦山開采、石材切割以及機(jī)械加工等行業(yè)最重要的高效加工工具。近年來金剛石工具的需求量越來越大，對(duì)金剛石工具性能的要求也越來越高，特別是對(duì)不同的加工對(duì)象提出了不同的性能要求。金剛石制品性能除金剛石外，主要取決于其胎體材料配方。

金剛石工具中常用的鐵基胎體有較高的硬度，且價(jià)格低廉，但鐵粉容易氧化使粉末表面活性下降，燒結(jié)后胎體對(duì)金剛石的把持作用降低。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)胎體配方進(jìn)行了深入研究，如加入稀土元素等。

對(duì)于稀土在金剛石工具中的作用，目前的主流觀點(diǎn)是稀土元素能改善金剛石制品胎體材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化胎體材料的力學(xué)機(jī)械性能，同時(shí)能大大提高和改善胎體的抗氧化性與耐磨性[1]。

樓白楊等[2]在金剛石鋸片胎體合金中加入稀土元素，可細(xì)化胎體組織，提高合金燒結(jié)后的致密度，增強(qiáng)金剛石顆粒與胎體合金之間的黏結(jié)強(qiáng)度，經(jīng)稀土合金化的刀頭具有較高的硬度和耐磨性；XU等[3]在3種不同金屬基體中添加稀土元素，結(jié)果均表明含稀土的復(fù)合胎體材料硬度更高，金剛石包鑲能力更強(qiáng)，還能降低胎體燒結(jié)溫度。

據(jù)文獻(xiàn)[4]報(bào)道，在鐵基胎體中加入稀土元素能改善金屬結(jié)合劑的力學(xué)性能，并提高鐵基胎體材料對(duì)金剛石的把持力；且超細(xì)稀土氧化物有更好的流動(dòng)性和表面活性，能降低胎體的燒結(jié)溫度，有利于其均勻化和致密化。

且中國稀土資源豐富，價(jià)格較低，因此在鐵基胎體中加入超細(xì)稀土CeO2，探究其對(duì)鐵基胎體力學(xué)性能的影響。本文在實(shí)驗(yàn)室制備超細(xì)稀土CeO2，在Fe-Cu-Ni-Sn-Co體系胎體材料基礎(chǔ)上，研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CeO2對(duì)胎體材料組織與性能的影響，分析了CeO2對(duì)Fe-Cu-Ni-Sn-Co體系胎體材料組織性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 粉末原料

以CuSn15合金粉、FeCu30合金粉及FeCu40Ni12Sn7Co10合金粉，3種合金粉粒度均為300目以細(xì)，純度為99.5%；CeO2粉末，粉末顆粒呈枝晶狀，一次顆粒粒徑達(dá)亞微米級(jí)，為0.2μm～1.0μm。于行星式球磨機(jī)球磨罐內(nèi)高能球磨（濕磨），球磨轉(zhuǎn)速為300r/min，球料比為：4：1，液固比為0.5：1，球磨時(shí)間6h；物料經(jīng)真空干燥、過300目篩，得到預(yù)合金粉末。

1.2 胎體試樣的制備

按照Fe-Cu45Ni2Sn5Co2目標(biāo)成分配比，每組試樣稀土CeO2加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00%、0.25%、0.50%、0.75%，具體試樣粉末組成見表1。在搖臂式混料機(jī)上按球料質(zhì)量比1：2混合6h?；旌系姆哿舷壤鋲撼尚偷玫嚼鋲核嘏鳎傺b入熱壓模具熱壓燒結(jié)，得到35mm×5mm×5mm的胎體材料試樣，如圖1所示。胎體燒結(jié)設(shè)備為SM80型熱壓機(jī)，燒結(jié)工藝參數(shù)見表2。

表1 鐵基胎體配方表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω/%)

圖1 胎體燒結(jié)試樣

表2 熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)

1.3 性能測(cè)試與表征

胎體試樣密度根據(jù) GB/T3850—2015《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測(cè)定方法-排水法》進(jìn)行測(cè)量[5]；采用HVS-10008數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試胎體試樣硬度；采用TESCAN MIRA3 LMH掃描電鏡對(duì)原材料粉末及胎體試樣形貌進(jìn)行觀察；胎體抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法在CMT-5205D電子萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，測(cè)試時(shí)跨距為14.5mm。每組試樣單個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目重復(fù)檢測(cè)5個(gè)（次），最終數(shù)據(jù)取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胎體相對(duì)密度的影響

表3是不同胎體試樣熱壓燒結(jié)后的相對(duì)密度（相對(duì)密度=實(shí)測(cè)密度/理論密度）。表3中CeO2含量增加，胎體的相對(duì)密度增加，胎體致密化越好。胎體密度受粉末粒度、壓坯強(qiáng)度和燒結(jié)溫度的影響，超細(xì)CeO2粉末有良好的流動(dòng)性，這是導(dǎo)致胎體致密化的主要原因[6]。同時(shí)，熱壓過程使CeO2粉末顆粒發(fā)生位移和重排，超細(xì)的CeO2由于塑性流動(dòng)填充部分鐵基合金胎體孔洞，較高的相對(duì)密度有利于強(qiáng)化金剛石顆粒與胎體合金的黏結(jié)，增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力，提高金剛石工具使用壽命[7]。

表3 胎體試樣的相對(duì)密度

2.2 CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胎體力學(xué)性能的影響

圖2 CeO2含量對(duì)胎體硬度的影響

圖2 是不同CeO2含量對(duì)胎體硬度的影響。添加CeO2后，胎體硬度增加，呈現(xiàn)先增加后緩慢減少再增加的趨勢(shì)，在CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時(shí)，硬度達(dá)到最大值300HV0.1，比不加CeO2時(shí)的260HV0.1提高了15.4%。表明CeO2在制備高硬度金剛石工具胎體時(shí)具有促進(jìn)作用，但在其最優(yōu)添加量需做進(jìn)一步研究。

圖3 CeO2含量對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響

圖3 是不同CeO2含量對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響。隨著CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵基胎體抗彎強(qiáng)度呈整體下降趨勢(shì)，添加0.25%的CeO2后，強(qiáng)度從峰值的1512MPa快速下降至1182MPa；之后變化幅度減小，在0.50%時(shí)又有小幅提升；CeO2含量為0.75%時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最低值1130MPa。

2.3 胎體斷口組織分析

圖4是不同CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配方熱壓燒結(jié)得到的胎體斷口微觀組織形貌。從圖4中可知：原始胎體未加稀土配方試樣合金的組織比較疏松、粗大,韌窩粗大明顯（圖4a）；添加CeO2粉末經(jīng)燒結(jié)后的胎體斷口組織更加均勻、細(xì)密，且隨CeO2含量增加，韌窩逐漸變小，深度更淺，呈逐漸變細(xì)的趨勢(shì)（圖4b～圖4d）。

這是因?yàn)槲醇酉⊥習(xí)r，胎體高溫?zé)Y(jié)后部分金屬化合物形成固溶體，高熔點(diǎn)金屬粉末被這些固溶體包裹住，使其空隙增大，致密化度低。添加稀土CeO2后，韌窩的尺寸與合金胎體的塑性變形特性有關(guān)，韌窩越小，表明材料的韌性斷裂值越小，且胎體材料以脆性斷裂為主，抗彎強(qiáng)度有所降低；同時(shí)，稀土氧化物質(zhì)點(diǎn)彌散分布在基體中，能夠起釘扎作用，抑制基體變形，使胎體內(nèi)部的空隙球化、圓化明顯[8]。況且，超細(xì)CeO2粉末表面能較高，燒結(jié)活性大，加上鐵基合金組分均勻分布擴(kuò)散路程縮短，可減少要遷移的原子數(shù)量[9]。因此，在相同的燒結(jié)溫度下，添加超細(xì)CeO2粉末燒結(jié)得到的胎體致密度較高，合金均勻化程度高，可以提高胎體的硬度。

圖4 不同CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)胎體試樣斷口形貌（a）0% ；（b）0.25% ；（c）0.5% ；（d）0.75%

3 結(jié)論

（1）在鐵基預(yù)合金粉末中添加超細(xì)CeO2粉末，燒結(jié)后胎體的相對(duì)密度提高，并隨CeO2粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體組織致密化越好。

（2）添加CeO2后，胎體硬度增加，在CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時(shí)，硬度達(dá)到最大值300H0.1，比不加CeO2時(shí)的提高了15.4%；加入CeO2會(huì)使鐵基胎體的抗彎強(qiáng)度快速下降，但隨CeO2添加量的進(jìn)一步增加而下降減緩。

（3）原始鐵基胎體合金的顯微組織較疏松，空隙較大，致密化程度低；添加CeO2粉末燒結(jié)后的胎體斷口組織更均勻、細(xì)密，且隨著CeO2含量的增加，韌窩逐漸變小，深度更淺。