不同粒度铁粉在金刚石薄壁钻胎体中的影响研究

曾 柳,张红林,彭乃聪

(河北小蜜蜂工具集团有限公司，河北 石家庄 050800)

目前国内外金刚石薄壁钻市场竞争越来越激烈，对产品要求是高效率、高品质、低成本，在成本压力下，薄壁钻胎体逐渐由原来的钴基、WC基转为铁基。铁和钴同为Ⅷ副族元素，许多性能和钴相近，资源丰富却价格低廉，大批科研人员和厂家都在研究如何进一步提高铁粉在胎体中的百分比，在保证或提高产品性能的基础上降低成本，而细粉、超细粉是近年来研究的重点。本文在铁基胎体的基础上，探讨通过添加不同粒度的铁粉对产品各方面性能的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验原材料

原材料主要有Fe、Cu、Sn、Ni、WC以及国内某品牌合金粉，其中铁粉为市场采购的同种工艺制备的不同粒度的粉末，分别为-200目、-300目、-500目、-800目、-1200目，纯度均在99.4%以上，合金粉HY成分为Fe-Cu-Sn-Co。

1.2 实验设备

冷压、烧结设备：200kN的四柱液压机、金海威80kW热压烧结机

实验分析设备：BR120-4S型高精度多功能电子比重计、HR-150A型洛式硬度计、GNT100电子万能试验机、JSM-IT100型扫描电镜

钻切设备：XMF-205钻机 功率3500W 转速700r/min

1.3 配方设计

胎体中的其他组分固定，Fe粉分别采用两种粒度搭配或单一粒度，配方如下：

表1 不同粒度Fe粉搭配组成的配方

1.4 实验方法

上述胎体配方统一搭配浓度为30%左右(35/40、40/45、45/50等粒度组成)的金刚石，混料各2kg。通过理论计算得出理论投料值，统一投料值规定为6.5g，在四柱液压机上采取双向压制的方法冷压制坯，压力统一为20MPa，在电子比重计上分别测试出刀头的密度，分析不同粒度铁粉组成对胎体压缩性的影响。

压制好的毛坯刀头采用热压烧结机进行烧结，烧结工艺统一为850°C，100kN，保温2min，烧结模具尺寸统一为Φ63薄壁工程钻波纹模具(24×3.5×10)，烧结后采用电子比重计、洛氏硬度计分别测量出刀头的密度、硬度，分析不同粒度铁粉对胎体致密性的影响。另采用相同烧结工艺，制作50mm×10mm×5mm样块在跨距为40mm的电子万能试验机上测试抗弯强度，分析不同铁粉对胎体抗弯强度的影响；采用JSM-IT100型扫描电镜对胎体断口形貌进行观察。

烧结好的刀头通过高频焊接焊在Φ63薄壁工程钻杆上，通过钻切公司标准试块(混凝土标号为425，试块厚度为240mm，由4层9排18mm钢筋组成)，分析不同粒度铁粉组成的胎体在实际应用中对薄壁工程钻锋利度和寿命的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 铁粉粒度对胎体压缩性和成型性的影响

粉末的压缩性[1]是指粉末在压制过程中被压紧的能力；成型性[1]是指压制后粉末压坯保持既定形状的能力[1]。粉末的压缩性和成型性不好都会对产品批量生产带来很大影响。

密度越高，说明胎体的压缩性越好，从图1可以看出，随着Fe粉粒度越来越细，冷压坯的密度越来越小，胎体的压缩性越来越差；从图2可以看出，不同粒度的Fe粉不同配比的搭配，冷压坯的密度各不相同，但是合理的搭配能取得更好的密度，胎体的压缩性也能达到更好的值，综合图1和图2来看，不同粒度Fe粉合理的搭配较单一Fe粉的压缩性能要好。

图1 单一粒度铁粉对冷压坯密度的影响 Fig.1 The effects of iron powder in single particle size on the density of cold-pressed compact

图2 组合粒度铁粉对冷压坯密度的影响Fig.2 The effects of iron powder in multiple particle sizes on the density of cold-pressed compact

成型方面，7号配方压出的压坯最为松软，稍微用力就出现掉边掉角的现象，成型性较差，而1号、2号、8号压坯四边平整，较为结实，成型性较好。可以得出Fe粉越细成型性越差的结论，但是采用粗细两种不同粒度的Fe粉合理搭配胎体，成型性会有一定程度的改善。

分析得出，粉末在自由堆积时，由于粉末颗粒相接触是随机的，颗粒表面形状的不规则性以及颗粒之间的摩擦力的存在使粉末存在较高的孔隙度。由于颗粒间的相互摩擦或支撑而搭架，增大孔隙率，从而形成拱桥效应[1]。粉末表面光滑或颗粒较粗大时，拱桥效应越小，越好压制成型，粉末颗粒越小，比表面积越大，颗粒间粘结力越大，拱桥效应越大，越难压制成型，而粗细粒度搭配时，细粒度粉末可以起填充作用，对压缩性和成型性有一定的改善。

2.2 铁粉粒度搭配对胎体烧结性能的影响

通过在相同烧结工艺下，检测不同粒度铁粉搭配的刀头的流料量，密度，硬度、抗弯强度以及刀头断口SEM分析来分析铁粉粒度对胎体烧结性能的影响。

从图3可以看出随着配方中Fe粉粒度变细，流料值呈增加的趋势，7号配方中Fe细粉含量最高，其流料值也最高，从流料量说明此烧结工艺对7号配方来说烧结温度偏高，应适当降低烧结温度。分析得出，根据表面能理论，颗粒越细，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大，在烧结过程中，细颗粒的粉末较粗颗粒的粉末更容易扩散[2]，相对所需要的烧结热能也会偏低。胎体中在添加细颗粒粉末时，烧结工艺应进行适当的调整，才能避免过烧及烧死板结[3]等现象。

图3 刀头的流料值图Fig.3 The flow value of blade head

从图4、图5、图6曲线可以看出铁粉越细，胎体的密度、硬度、抗弯强度越高，7号配方的密度、硬度、抗弯强度最高。从图4、图5、图6还可以分析出两种不同粒度的铁粉搭配，也是铁粉越细，胎体的密度、硬度、抗弯强度值越高，如3、4、5号配方，同样为20%的-200目铁粉分别搭配10%的-500目、-800目、-1200目铁粉，5号配方的密度、硬度、抗弯强度值最高；5、6、7、8号配方中分别含有10%、15%、30%、5%的-1200目Fe粉，7号配方胎体的密度、硬度、抗弯强度值最高。

图4 胎体烧结密度Fig.4 The carcass sintering density

图5 胎体烧结硬度Fig.5 The carcass sintering hardness

图6 胎体抗弯强度 Fig.6 The carcass bending strength

根据表面能的理论[4]可以知道，颗粒越细，比表面越大，表面能也就越高，粉末具有的活性也就越大。烧结过程中，细粒度的粉末比粗粒度的粉末更容易扩散[5]，在进行高温加压的情况下，细粒度的粉末较粗粒度的粉末更能有效地填补胎体粉末之间的空隙，使胎体的抗弯强度、硬度、密度都能得到有效的提升。

不同粒度铁粉刀头断口SEM分析

图7-1 1号配方2000倍断口形貌图Fig.7-1 Fracture morphology with 2000 times with No 1 composition

图7-2 3号配方2000倍断口形貌Fig.7-2 Fracture morphology with 2000 times with No 3 composition

图7-3 4号配方2000倍断口形貌Fig.7-3 Fracture morphology with 2000 times with No 4composition

图7-4 5号配方2000倍断口形貌Fig.7-4 Fracture morphology with 2000 times with No 5composition

图7-1、2、3、4分别为1号、3号、4号、5号配方的产品在相同烧结工艺下胎体的断口形貌。从图中可以看出，5号配方含10%-1200目铁粉的胎体组织最为细腻、均匀、连续、致密、孔隙最小，1号配方全部为-200目铁粉的胎体组织中的晶粒明显地比5号的要大，孔隙率也要多。粉末越细，表面能越高，活性越大，在试验烧结温度压力下，加速扩散流动，分布均匀使胎体获得更好的力学性能。由此分析得出，一定量的细颗粒的铁粉就能改善整体胎体的烧结组织状态。

2.3 不同粒度的铁粉组成对薄壁钻的锋利度和寿命的影响

将不同编号配方烧好的刀头焊接成Φ63的薄壁钻头，钻切公司标准试块，用秒表测出每钻通一个孔(240mm深)所需的时间，计算得出钻切速度；每个编号的配方钻切15 个孔为标准，测出最后刀头磨损的程度，按有效使用刀头高度为9mm计算出钻头的钻切寿命，具体数据如表2：

表2 不同粒度的铁粉对薄壁钻钻切速度和寿命的影响

从表2数据对比可以看出：8号配方25%的-200目的铁粉搭配5%的-1200的铁粉做出的薄壁钻的钻切速度最快，寿命中等；7号配方30%-1200目铁粉的速度最慢，寿命最长；1号配方30%的-200目铁粉的寿命最短，速度和手感均还不错。由此可以看出铁粉越细薄壁钻钻切速度越慢，寿命越长，但是两种不同粒度的铁粉搭配时，合理的搭配比例可以使速度和寿命都有所提升，根据实际切割需求，合理的搭配不同粒度的铁粉能够达到更加理想的效果。

3 结论

(1)Fe粉越细成型性越差，但是采用粗细两种不同粒度的Fe粉合理搭配对胎体成型性有一定的改善作用。

(2)Fe粉越细，胎体的密度、硬度、抗弯强度越高；细粒度的Fe粉含量越高，胎体的密度、硬度、抗弯强度越高。

(3)Fe粉越细，烧结后的胎体组织越细，孔隙率越低，更加致密；加入一定量的细颗粒铁粉就能改善整体胎体的烧结组织状态。

(4)合理搭配不同粒度的铁粉能够达到更加理想的钻切效果。