相同骨架相含量下W基和WC基金属结合剂烧结性能对比分析

谢德龙，林 峰，方啸虎，潘晓毅，陈 超，肖乐银，秦建新，彭少波，陈家荣

(广西超硬材料重点实验室,国家特种矿物材料工程技术研究中心,中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，桂林 541004)

金属结合剂一般采用铁、铜、镍、锡、钴等作为结合材料[1]，具有强度高、韧性好、对金刚石磨粒把持力好、耐热性好等优点[2]。但是，由于金属元素的耐磨性相对较差，在面对钻探、切割等高负荷场合，金属结合剂工具的使用寿命会受到较大影响，因此，金属结合剂中需添加一些高强度、高硬度、高耐磨性的成分，以此提高金刚石工具的综合使用性能。这些添加成分称之为骨架相[3]。

WC、TiC、W2C等是常用的骨架相材料，在制品中已有广泛应用[4]。但是，由于WC等是共价键结构，在烧结过程中，与金属元素存在着较高的界面能，会一定程度影响烧结质量[5]。W作为一种金属元素，本身具有较高的硬度和韧性，可作为骨架相材料使用，同时，W与其它金属还具有较好的相容性，在烧结时与金属元素间的扩散作用更强，理论上能提高烧结质量[6]。本文以金刚石工具中常用的WC-Cu基金属结合剂为基础，通过添加其它元素形成结合剂配方体系，并用相同重量的金属W替代WC进行烧结实验，对比研究在相同骨架相含量下两种结合剂配方体系的烧结性能，以期为金属结合剂中骨架相材料的使用提供实验指导和应用依据。

1 实验

1.1 配方设计

金属结合剂的配方组成如表1所示。其中，1#配方的骨架相为WC，2#配方的骨架相为W。

表1 配方组成 (wt%)

1.2 预合金粉的热压烧结

根据表1中每种配方的理论密度和石墨模具的体积，计算出理论投料量，两种配方的试样经装料、冷压成型后，将冷压试样置于国产真空热压烧结炉内烧结，真空度为0.1Pa,压力为25MPa,烧结温度为850℃，烧结保温保压时间为6min[7]，烧结试样的尺寸规格为30mm×12mm×6mm。

1.3 力学性能测试及结构表征

采用TH300型洛氏硬度计和CMT4304液压万能材料试验机分别测试烧结体试样的硬度和三点抗弯强度；用日本D/max-rA10型X射线衍射仪对烧结体试样进行物相分析，确定物相组成；用日本JSM-6700F型扫描电镜观察烧结体试样断口形貌。通过测定空白胎体与含30%(体积分数)金刚石颗粒的烧结体试样的三点抗弯强度，从而间接计算金刚石结合剂对金刚石的包镶强度[8]，用强度损失率σ来表示，其计算公式如下：

式中：所用金刚石的粒度为40/45目，σB为不含金刚石的胎体的三点抗弯强度；σD为含30%(体积分数)金刚石的胎体的三点抗弯强度。

采用排水法测量烧结体试样的密度，并通过排水法测定的密度与理论密度的比值计算求得相对致密度，它是试样烧结致密程度的重要指标。

2 结果与讨论

2.1 烧结体力学性能分析

两种配方体系下烧结体的力学性能如表2所示：

表2 两种配比体系烧结体的力学性能

图1所示为两种配方体系结合剂在相同烧结工艺条件下的力学性能对比。对比表2和图1中的数据可以看出，1#配方体系的烧结性能要略好于2#配方体系的烧结性能，但2#配方体系对金刚石的把持力相对较高。1#烧结体的相对密度高于2#结合剂烧结体，其原因为：WC的熔点为2870℃，W的熔点为3400℃，在结合剂中骨架相的比例达到了40%，占比较高。根据粉末烧结理论，烧结温度应为熔点的60%～70%，因此，当W含量较高时烧结温度也应该更高。而本实验过程中的烧结温度是相同的，都为850℃，此时，2#结合剂因为烧结温度不够，烧结过程进行得相对不充分，使得孔隙尺寸相对较大且孔隙总数较多，宏观表现为烧结体的相对密度较低。烧结不充分也导致了2#试样的三点抗弯强度、硬度等其它力学性能的降低。

2#试样的强度损失率较低，即2#结合剂对金刚石的包镶能力要更好一些，这是因为W是一种强碳化物形成元素，当金刚石表面存在着一定量的W粉并烧结时，从750℃开始，金刚石表面就会有WC、W2C等生成，特别是在结合剂中存在着Co元素时，还会有W3Co3C、W4Co2C等生成[9]，也就是说，W基金属结合剂对金刚石表面有一定的冶金结合，从而提高了结合剂对金刚石的把持力。

图1 两种配方体系烧结体力学性能对比图Fig.1 Mechanical property curves of the two sintered matrixes

2.2 空白烧结体断口形貌分析

图2为两种配比条件下烧结体的SEM电镜图片。当放大10000倍时，由图可知，1#试样的烧结体断口表面处比较光滑致密，只有断裂时由于拉拔作用形成的窝状结构。2#试样的烧结体断口处存在着明显的空隙，在微观层次上比较松散。其原因在于：2#金属结合剂由于W的熔点较高，导致结合剂的烧结温度偏低。根据烧结理论，烧结体内原子扩散及迁移不充分，空位消除受到影响，在烧结时就会产生较多空洞缺陷。这与其力学性能的分析相一致。

图2 空白胎体断口形貌图Fig.2 Fracture morphologies of the blank matrix

2.3 含金刚石试样断口形貌分析

图3为分别含30%浓度金刚石试样的断口SEM电镜图片。由图可知，不同烧结体内结合剂基质材料在与金刚石接触时都有一定的间隙，说明对金刚石的包镶主要以机械包镶为主。1#试样的金刚石颗粒表面比较光滑，结合剂基质材料对金刚石基本没有粘覆；2#试样的金刚石颗粒表面明显粘覆有一层基质材料，其原因在于：W是一种强碳化物形成元素，在烧结过程时，W元素会与金刚石颗粒发生一定的化学反应，并且有资料表明金刚石和钨发生化学反应的热力学条件并不苛刻，普通结合剂的烧结温度即能满足化学反应的热力学条件[10]。因此，大量金属基质材料会粘覆在金刚石颗粒表面，在一定程度上提高了结合剂对金刚石颗粒的把持能力，这也与强度损失率的测试结果相一致。

图3 含金刚石试样断口SEM图Fig.3 SEM images of the diamond contained matrix samples

3 结 论

对相同骨架相含量下W基和WC基金属结合剂的烧结性能进行了对比分析，对结合剂烧结体的微观结构进行了表征，并金刚石包镶情况做了研究，主要结论如下：

(1)在相同的烧结工艺条件下，WC基金属结合剂的烧结性能相对较好，三点抗弯强度、硬度等力学性能指标要略高于W基金属结合剂，但对于强度损失率而言W基金属结合剂要更低，即W基金属结合剂对金刚石具有相对较好的把持力。

(2)由于烧结温度的影响，W基金属结合剂的烧结质量相对较差，烧结过程进行得不充分，SEM电镜照片表明该结合剂烧结体内具有较多的孔隙。

(3)含金刚石烧结体试样的SEM电镜照片表明，两种结合剂对金刚石颗粒的把持均以机械包镶为主，但由于W是一种强碳化物形成元素，结合剂金属基质材料会对金刚石颗粒有一定的粘覆，因此该结合剂对金刚石颗粒的把持作用相对较好一些。

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