超细Fe粉和Cu粉在金刚石薄壁工程钻中的应用研究

2019-01-16张许红王成军胡伟立李忠林

金刚石与磨料磨具工程 2018年6期

张许红，王成军，胡伟立，李忠林

(河北省金刚石工具工程技术研究中心，石家庄 050035)

在通用型金刚石工具领域，应用最多的2种金属粉料是Fe粉和Cu粉，二者质量分数之和在50%～80%，甚至可达90%以上。通过添加不同功能的单质粉料或合金粉料，可以在很大范围内对Fe-Cu基胎体的耐磨性、硬度和强度等力学性能参数进行调整，以适应金刚石锯片、金刚石薄壁工程钻、金属结合剂金刚石磨盘等各类产品的加工特点。

目前，金刚石工具行业常用的Fe粉和Cu粉，主要采用电解法、还原法、雾化法或羰基法制备。电解法制备的Fe粉和Cu粉纯度高，粉末呈树枝状或海绵状，具有较好的压制成型性，广泛应用于金属结合剂金刚石工具中，其粒度范围为10～100 μm，被统称为普通粉。随着金属粉料制备技术的提高，超细化金属粉料在金属结合剂胎体中的应用也越来越广泛，所谓的超细粉定义为粒径完全小于30 μm的粉体[1]。由于其颗粒尺寸大幅降低，超细金属粉料可以增强合金粉末的烧结活性，从而降低烧结温度，避免高温烧结对金刚石造成的损伤，同时胎体的成分更加均匀，工具的性能更加稳定。近年来，超细预合金粉末在金刚石工具胎体中的应用研究越来越多，取得了很好的应用效果[2]，而对单质金属超细粉末在金刚石工具胎体中的应用研究较少，尤其是应用最为广泛的Fe粉和Cu粉在胎体配方中占比大，对工具的生产工艺和性能都有较大的影响[3-4]。

因此，选用普通Fe粉、普通Cu粉、超细Fe粉、超细Cu粉、羰基Ni粉等为原材料，选用成熟的Fe-Cu基和Fe-Cu-Ni基薄壁工程钻胎体配方，配方组元中Fe粉和Cu粉所占比例之和均大于70%，对比测试超细粉和普通粉对2种胎体试样的烧结硬度、应力-应变、烧结结合界面的影响规律，并制作钻头对比测试其钻切性能，以探索超细Fe粉和Cu粉在薄壁工程钻产品中的适用情况。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

试验中使用的原材料均为工业级金属粉末，其性能指标如表1所示。用BT-9300H激光粒度分布仪测试试验原材料粒度尺寸的累积百分比，粉末粒度测试结果如图1所示。

表1 金属粉末性能指标

图1 粉末粒度测试结果

1.2 试验方法

选用成熟的Fe-Cu基和Fe-Cu-Ni基2种薄壁工程钻胎体配方，用SMVB80K1型真空热压烧结机，通过热压烧结工艺制备试验样品，烧结保温压力为35 MPa，保温时间为3 min，试样尺寸为40 mm×3.2 mm×8 mm，试验胎体编号及烧结温度如表2所示。

表2 试验胎体编号及烧结温度

用HR150型洛氏硬度计和WDW-100G微机控制高温万能实验机分别对试样的硬度和应力-应变进行测试；用VEGA3 LMH型扫描电镜分析烧结体试样的磨抛界面；用Z1Z-200M型台式钻机加水湿钻C40钢筋混凝土(2层φ18 mm钢筋)，测试钻头的钻切性能；用体视显微镜分析刀头顶刃磨损状态。

2 实验结果及分析

2.1 粉末颗粒形貌

图2为A、B、C、D 4种胎体配方粉料SEM图片。

(a)A(b)B(c)C(d)D图2 4种胎体粉料SEM图

从图2中可看出：C、D与A、B相比，粉末粒度更细、活性更高、团聚性更强。由于超细粉体易发生团聚，从而导致超细粉体的优越性能无法得到体现，甚至可能使材料的性能劣化[5]，在实际使用过程中需要借助合适的分散剂来进行处理。

2.2 烧结体结合界面分析

将烧结胎体试样断口磨抛后，采用SEM观察胎体中各种粉料经过烧结之后的结合状态，结果如图3所示。从图3中可看出：C、D界面各种粉料颗粒的尺寸更小、结合更致密、分布更均匀。这是由于C、D配方超细粉平均粒径较小，粉体的扩散激活能降低，致密化初始温度降低，而且完成塑性流动所需时间也会明显缩短，因此致密化速率加快，致密度增大。

(a)A(b)B(c)C(d)D图3 4种配方烧结体结合界面的SEM观察及过

2.3 胎体烧结硬度

4种胎体烧结洛氏硬度检测结果如表3所示。从表3中数据可知：加入超细Fe粉和Cu粉，Fe-Cu基烧结体C的洛氏硬度比A的高6.25%，而Fe-Cu-Ni基胎体D的洛氏硬度比B的高12.20%。

表3 4种胎体烧结硬度

分析可知，对于超细Fe-Cu-Ni基配方，随着Fe、Cu 2种粉体粒度的减小，烧结胎体材料的晶粒尺寸也随之变小，且材料的硬度与晶粒尺寸符合霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式[6]：

H=H0+Kd-1/2

(1)

其中：H为材料的硬度，H0和K对不同材料分别对应不同的常数，d为材料平均晶粒尺寸。

2.4 胎体应力-应变分析

用WDW-100G微机控制高温万能实验机测试的胎体试样弯曲时的应力-应变曲线如图4所示。从图4中可看出：对于Fe-Cu基胎体，随着应力值增大，C试样比A试样的应变量略微偏大；而对于Fe-Cu-Ni基胎体，随着应力值增大，试样B先发生断裂，其最终应变量约为试样D最终应变量的50%。

图4 胎体试样弯曲时的应力-应变曲线

从图4中可以得出：Fe-Cu基胎体采用超细粉后应力-应变曲线比较接近。这主要是因为Fe粉和Cu粉之间在固态甚至液态条件下几乎不互溶，Fe粉颗粒只是镶嵌到Cu粉颗粒中，而并没有形成合金；而Fe-Cu-Ni基胎体中，由于引进了可以和Fe粉、Cu粉无限固溶的Ni粉形成合金，则采用超细粉后胎体的合金化程度提高，使得胎体的抗弯能力大幅提高。另外，粉末粒度减小后，烧结胎体材料的晶粒尺寸变小，材料的应力与晶粒尺寸也符合霍尔-佩奇公式。

2.5钻头钻切性能分析

采用A、B、C、D 4种胎体，添加相同的金刚石磨料，制备102 mm规格薄壁工程钻产品并测试其使用性能。钻头编号与胎体编号相同，其钻切速度测试结果如图5所示。

图5 钻头钻切速度测试结果

从图5可看出：A钻头与C钻头钻切速度相当，后者的速度慢4.5%、寿命长21.6%；B钻头和D钻头相比，后者的速度慢16.2%、寿命长82.5%。其原因主要是由于Fe-Cu基胎体采用超细Fe粉和Cu粉，胎体的硬度和强度变化不明显；而Fe-Cu-Ni基采用超细Fe粉和Cu粉后，胎体的硬度和强度有较明显的提高，磨粒出露慢，与当前试验工况不太匹配。