添加富铁预合金粉CSB-2的热压金刚石钻头胎体性能研究

李静仪，段隆臣，周天盛，莫松林

(桂林金刚石工业有限公司，广西 桂林 541199)

1 引言

利用最低的成本制造优质高效的钻头成为当今钻头行业发展的一个趋势，Fe的资源丰富，价格便宜，Fe与Co为同族元素，铁基胎体经过一定的烧结工艺与成分调整，也能具备优良的胎体性能[1,2]。由于Fe基胎体应用存在的潜力，已有相当数量的研究人员对Fe基胎体进行了各方面的研究工作，并取得了一定的成果，证明了Fe基金刚石工具的优势，但仍存在着一些问题有待解决。有研究证明，900℃以下的烧结温度下，Fe基胎体对金刚石的刻蚀作用不影响工具的性能[3-5]。但在钻头领域中，为保证胎体的强度，目前仍有相当部分胎体中碳化物骨架材料含量较高，并且胎体与钢体要求连接牢固，这两个因素导致钻头烧结温度均较其他金刚石切割工具高，通常需达到900℃以上才能获得较好的性能。高温条件下热压Fe基金刚石钻头胎体性能及胎体与金刚石微观结构的研究较少，针对这个问题，本文选取一种Fe含量40%以上并含Cu、Sn、Zn、P、稀土等元素的预合金粉CSB-2作为胎体的粘结成分添加到胎体中去，在980℃的温度下烧结，研究富铁胎体铁的预合金化对胎体的性能、组织结构等方面的影响，以期为热压钻头胎体预合金化研究和富铁胎体的应用提供一定的依据。

2 实验

2.1 实验材料

本实验制作钻头胎体的基本配方粉末有Fe、WC、Cu、Ni、Co、Sn、Zn、Fe-25P(P元素的添加形式)，为湖南冶金材料研究所生产的粉末，粒度为-200目～400目。采用的金刚石牌号为MBD8，粒度为45/50，添加浓度为75%。富铁的预合金粉采用河南卡斯通有限公司生产的CSB-2预合金粉，规格参数见表1：

表1 CSB-2规格参数

2.2 试样制备

本文研究铁预合金粉以及预合金化程度对胎体性能的影响，设置胎体的目标成分一致，为：WC(30%)、Fe(24.44%)、Cu(19.9%)、Sn(2.47%)、Zn(0.62%)、P(2.53%)、Ni(15%)、Co(5%)，在胎体中添加CSB-2的含量分别为0%、30%、50%，在SM-100A自动智能烧结机上烧结，烧结工艺为980℃、20MPa、保温3min。

表2 实验方案设计

2.3 性能测试及结构表征

实验采用HV-1000维氏硬度计测试胎体的硬度；采用CTM-2500微机控制电子万能材料试验机测试空白胎体及含金刚石胎体的三点抗弯强度，试样尺寸为5mm×5mm×30mm；采用XJJ-50简支梁冲击试验机测试胎体的冲击韧性，试样尺寸为10mm×10mm×55mm；采用MG-2000摩擦磨损试验机表征胎体的耐磨性能，试样尺寸为8.5mm×8.5mm×15mm；采用场发射扫描电子显微镜(FEG-SEM )观察胎体的组织结构及断口形貌。

胎体对金刚石的包镶力是胎体的重要性能之一，本文采用强度损失率来间接表征胎体对金刚石的包镶性能，如式(1)所示。

(1)

其中：σ空—空白胎体的抗弯强度，MPa；σD—含金刚石胎体的抗弯强度，MPa。

3 实验结果与讨论

3.1力学性能分析

实验测得的胎体硬度、抗弯强度及冲击韧性见表3及图1～图3。

表3 胎体力学性能

图1 胎体的硬度与磨失量Fig.1 Hardness and wear weight loss of matrix

图2 胎体的抗弯强度及强度损失率Fig.2 Bending strength and ratio loss of matrix

图3 胎体的冲击韧性Fig.3 Impact toughness of matrix

从图1中可以看出，随着CSB-2含量的增加，胎体的硬度增大，耐磨性增强；图2中CSB-2含量增加能增强空白胎体和含金刚石胎体的抗弯强度，强度损失率的变化趋势可以说明CSB-2能增强胎体对金刚石的把持力；图3中冲击韧性与胎体的硬度、抗弯强度的变化趋势一致，均随着CSB-2的含量增加而增强。在同样配方和相同烧结条件下，胎体的力学性能表现说明，预合金化能提高胎体的力学性能，并且预合金化程度越高，胎体中预合金粉末含量越大，胎体的性能越好。文献[6]指出，胎体在烧结过程中随着时间的进行会经历不完全致密化、固结、重结晶及结晶长大三个阶段，在固结范围内，胎体的硬度浮动最小，达到稳定的状态。故在做胎体设计时为使胎体保持稳定的硬度，常常设法拓宽胎体的固结范围。

胎体的各项力学性能受胎体的组织结构及致密度影响，胎体组织均匀细化、致密性好，胎体的力学性能就好，尤其是胎体的抗弯强度与冲击强度。胎体组织均匀、孔隙率小，在受力时，应力在胎体中传递均匀，胎体就能承受更大的作用力；胎体组织不均、致密性差，胎体中的孔隙等就容易在受力时成为薄弱点，造成胎体强度下降。

预合金粉是通过预合金化的手段将几种金属或非金属熔融后再制造而成的粉末，在这个过程中，粉末的性质、颗粒已经发生了一定的变化。将预合金粉用于钻头胎体，在烧结时，预合金粉由于经过预合金化，粉末之间已经形成了固溶体或其他化合物，烧结时能缩短合金化过程，在同样的烧结温度压力条件下，预合金粉较单质的机械混粉熔融快，为烧结过程提供了更多的液相，并包裹金刚石与骨架材料，使烧结过程进行更充分，从而提高了胎体的力学性能。

3.2 胎体断口形貌分析

图4～图5为不同CSB-2含量的空白胎体断口SEM扫描图。图4表明，随着CSB-2的含量增大，胎体的颗粒度变细，胎体的孔隙率也得到了改善，胎体变得更加致密，这与前文的胎体力学性能的改变相一致。图5中可以看出，0%含量的胎体断裂主要以脆性断裂为主，随着CSB-2的含量增大，胎体断口的韧窝断裂特征逐渐明显，50%的胎体断口处能观察到比较大的韧窝与撕裂棱，胎体的断裂方式由脆性断裂到韧-脆性断裂过渡。

图4 空白胎体断口SEM100×a.0%；b.30%；c.50%Fig.4 Fig.4 Fracture morphology of the matrix without diamond (100×)

图5 空白胎体断口SEM1000×a.0%；b.30%；c.50%Fig.5 Fracture morphology of the matrix without diamond (1000×)

3.3 金刚石形貌分析

图6为含金刚石胎体的断口形貌图。可以观察到在980℃时，三种胎体断口的金刚石表面均比较粗糙，0%的胎体断口上，金刚石上布满“花纹”，30%含量的胎体断口上金刚石表面观察到“针孔”形貌， 50%含量的金刚石上观察到的是“浮凸”形貌，这些形貌证明了在980℃的条件下，本文研究的富铁胎体对金刚石存在着一定的腐蚀作用[7]，但随着CSB-2含量的增大，胎体对金刚石的刻蚀作用呈现减弱的趋势。

图6 含金刚石胎体断口SEM400×a.0%；b.30%；c.50%Fig.6 Fracture morphology of the matrix with diamond (400×)

分析胎体对金刚石的腐蚀作用，从王岚、郭西缅[8,9]的研究中可以知道，Fe对金刚石的腐蚀实际上是金刚石中的C原子溶于γ-Fe中，并在远离金刚石的一侧以石墨的方式析出，在同等的烧结条件下，CSB-2的添加使得胎体对金刚石的刻蚀程度呈现出不同的表现，根据王岚等人的研究成果，可以猜测，CSB-2预合金粉中Fe与Cu、Sn、Zn、P等元素合金化使Fe主要以Fe-Cu、Fe-P等固溶体的形式存在， Fe的晶体结构发生了一定的改变，降低了C原子在Fe中的溶解度，从而缓解了胎体对金刚石的腐蚀作用。

图7为金刚石能谱分析的结果，CSB-2合金粉含量的不同使得金刚石微区能谱结果产生一定的差异，含量为0%的胎体断口上，金刚石的能谱结果中只检测到了C元素，30%含量的金刚石能谱上除了C元素，还检测到了Cu、W、Fe元素，50%含量的金刚石能谱上检测到C、P、Fe、Co、Ni、Cu几种元素， 表明CSB-2使胎体对金刚石的润湿性变强，烧结时更多的胎体元素在金刚石表面润湿铺展。

图7 断口金刚石EDS分析a.0%；b.30%；c.50%Fig.7Fig.7 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis of diamond

3 结论

(1)富铁预合金粉CSB-2的添加使胎体的硬度、抗弯强度、冲击韧性及耐磨性及胎体的包镶性能都得到了提高，预合金粉的含量越多，提高的效果越明显。

(2)富铁预合金粉CSB-2使胎体的颗粒细化，组织结构更致密，使胎体的塑性增强。

(3)980℃烧结温度下的富铁胎体对金刚石存在一定的刻蚀，但预合金粉胎体对金刚石的刻蚀较单质胎体弱，预合金粉含量增加，刻蚀作用呈现减弱的趋势。预合金粉能增强胎体对金刚石的包镶能力。

综合添加富铁合金粉CSB-2的热压金刚石钻头胎体的力学性能及断口形貌的表征，虽Fe基胎体与纯钴基胎体的性能相比仍有一定的差距，但当今金刚石工具行业竞争激烈，伴随钻头市场萎缩，基于生产与经济效益，Fe基胎体仍有相当的潜力。

[1] 谭松成, 杨洋. 热压金刚石钻头铁基胎体机械性能的研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程,2009(170):49-52．

[2] Li W, Zhan J, Wang S, et al. Characterizations and mechanical properties of impregnated diamond segment using Cu-Fe-Co metal matrix[J]. Rare Metals, 2012,31(1): 81-87．

[3] 许华松, 杨俊德, 陈威. 保温时间对Fe基金刚石钻头性能的影响[J]. 超硬材料工程,2016,(4):1-5.

[4] 孙毓超, 宋月清, 等. 金刚石工具制造理论与实践[M].郑州：郑州大学出版社, 2005.5.

[5] 谢德龙, 万隆, 宁春旭, 等. Fe基预合金粉的结构及低温烧结性能研究[J]. 人工晶体学报,2015,44(1):1～6.

[6] 谢北萍, 段隆臣, 孟大维. 金刚石工具胎体材料机械性能概述[J]. 超硬材料工程,2008,20(4):21-24.

[7] 孙毓超. 金刚石工具与金属学基础[M].北京：中国建材工业出版社,1999.10.

[8] 王岚, 郭西缅. 单晶金刚石在铁基合金中的形态与行为[J]. 北京科技大学学报,1996,18(5):428-431.

[9] 郭西缅, 王岚. Fe对金刚石刻蚀反应的相分析[J]. 北京科技大学学报,1997,19(2):165-167.