馬銀龍，孫友宏，2，高 科，劉寶昌，2，張獻振，李小洋

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026

2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室，長春 130012

3.中煤科工集團西安研究院，西安 710077

0 引言

除金剛石參數(shù)（質(zhì)量、目數(shù)、濃度）外，影響金剛石工具性能的另一個重要因素是胎體材料。胎體的主要作用是牢固包鑲金剛石和調(diào)整工具的磨損速度，胎體材料的性能決定了金剛石工具的壽命和時效［1－3］。

目前，金剛石工具的胎體配方主要有碳化鎢（WC）基［4－5］、鈷（Co）基、鐵（Fe）基、鎢（W）基等［6］。WC基復(fù)合胎體的燒結(jié)溫度高，胎體洛氏硬度（HRC）與耐磨性能較好，并對金剛石的損壞較小；因此其作為金剛石鉆頭胎體配方應(yīng)用較為廣泛［7－10］。要鉆進不同巖性的地層，就要有適當(dāng)?shù)奶ンw性能與之相配［7－8］；因此，胎材料體性能的可調(diào)節(jié)性對金剛石工具的胎體設(shè)計具有實際意義。

筆者研究WC基胎體材料的主要目的是在制備工藝一定的前提下，通過控制配方中某些成分保持不變、另外一些成分含量改變來研究改變的成分對胎體材料HRC、抗彎強度（σ）的影響，并通過定量分析得出WC質(zhì)量分數(shù)與胎體的HRC擬合函數(shù)，用來指導(dǎo)胎體材料的性能調(diào)整。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

WC粉：200目，純度99.9%。663青銅（ZQSn663）粉：300目，純度99.9%。硬質(zhì)合金（YG6）粉：300目，純度99.9%。錳（Mn）粉：200目，純度99.9%。Co粉：300目，純度99.9%。鎳（Ni）粉：300目，純度99.9%。

1.2 制備工藝

本次試驗共設(shè)計了10種WC基復(fù)合胎體材料配方（表1），胎體試樣規(guī)格為（長×寬×高）38mm×8mm×5mm，每種配方燒制3個試樣。胎體材料各成分按照一定質(zhì)量比使用JH2D－6型三維搖滾式混料機混合24h后，采用0.000 1g電子天平稱量，均勻放入石墨模具中。試樣采用蘇州工業(yè)園區(qū)騰龍機械有限公司生產(chǎn)的TLZK2001真空熱壓燒結(jié)機進行熱壓燒結(jié)制備。具體參數(shù)如下：加壓方式為限位加壓；初始壓力3MPa；當(dāng)溫度到900℃時，加壓到9MPa；當(dāng)溫度到達970℃時，壓力達到13 MPa，此時進行保溫、保壓。升溫方式為均勻升溫：升溫時間6min，保溫時間5min；加熱方式為中頻感應(yīng)加熱；測溫方式為紅外測溫；冷卻條件為840℃出爐，在保溫沙中自然冷卻。模具材料為高強石墨。

表1 WC基胎體材料配方Table1 WC matrix formula -wB／%

1.3 測試

復(fù)合胎體材料硬度測試采用HRS－150數(shù)顯洛氏硬度計，數(shù)顯洛氏金剛石壓頭實測精度為：圓錐角α＝120°4′、頂端球面半徑R＝0.200mm。硬度測試前試樣測試面要放在2 000目的砂紙上進行拋光處理，在每種配方（3個試樣）胎體的壓制面上測試6個點，取3個試樣上共18測試點的平均值作為此配方的洛氏硬度測試值（表2）。用液壓式萬能試驗機配合抗彎強度測試儀和壓力傳感器組合形式采取3點彎曲法測試試樣的跨距為24mm，加載速度為0.4mm／min。測試具有破壞性，每個試樣只能測試一個數(shù)據(jù)，每種胎體材料配方的抗彎強度測試值為3個數(shù)據(jù)的平均值（表2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌

試樣熱壓燒結(jié)后，采用熱場發(fā)射掃描電鏡檢測其顯微形貌和組織形式，為避免表層空氣氧化，采用配方Ⅳ新鮮斷口取樣。分別將試樣斷口放大32 000倍（圖1a）和2 000倍（圖1b）進行分析。圖片中暗色為液相，白色為固相?？梢钥闯?，固相分布較為均勻，周圍被液相所填充，并且顆粒細?。?00nm）。從顯微形貌可以得出WC基復(fù)合胎體材料屬于較理想的粉末冶金液－固連接。

表2 洛氏硬度與抗彎強度Table2 HRCand bending strength

圖1 碳化鎢基復(fù)合胎體材料顯微組織Fig.1 Microstructures of WC matrix composites

2.2 各成分含量與硬度、抗彎強度的關(guān)系

胎體的硬度指標在某些特定條件下與胎體的耐磨性、抗沖蝕性一致（如胎體配方相同的條件下，硬度越高胎體的耐磨性與抗沖蝕性越高）。對于孕鑲鉆頭胎體的強度不能簡單地認為越高越好，而應(yīng)根據(jù)所鉆進的巖層合理選擇。鉆頭胎體應(yīng)具有足夠的抗彎強度，在使用中不掉塊、不崩落，能適應(yīng)于孔底復(fù)雜的工作條件。因此，研究胎體HRC和σ與胎體材料組分的內(nèi)在聯(lián)系及HRC和σ的關(guān)系具有實際應(yīng)用意義。

分析WC基復(fù)合胎體材料中各成分對HRC、σ的影響，最后結(jié)合各成分的影響情況綜合得出WC與ZQSn663質(zhì)量與胎體HRC、σ關(guān)系及HRC與σ的關(guān)系。

YG6是由94%WC和6%Co合成的，兼有WC與Co的雙重作用。為了更好地總結(jié)、分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，把YG6按質(zhì)量比（94∶6）拆分成 WC與Co相對應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)，處理后的數(shù)據(jù)按照HRC降冪排列得到表3。通過表3可以看出，隨著胎體HRC減小，ZQSn663的質(zhì)量分數(shù)有增加的趨勢，WC的質(zhì)量分數(shù)有減少的趨勢，其他成分變化趨勢并不明顯。隨著胎體硬度升高，Ni、Mn、Co的質(zhì)量分數(shù)的變化可以分為2個階段：第一階段，三者之間差距較大，胎體HRC較低（w（Ni）＞6%，4%＞w（Co）＞3%）；第二階段，三者比例適當(dāng)，胎體HRC均勻提高（5.5%＞w（Ni）＞3%，3.5%＞w（Co）＞0.9%，w（Mn）＞4%）。

為了更加清晰地了解ZQSn663和WC與胎體材料HRC的關(guān)系，作出隨著HRC升高WC、ZQSn663質(zhì)量分數(shù)的變化圖（圖2）。由圖2可知，在w（WC）＜59.1%范圍內(nèi)，胎體HRC隨著 WC質(zhì)量分數(shù)增加而升高，ZQSn663的質(zhì)量分數(shù)曲線恰好與WC質(zhì)量分數(shù)曲線相反；從而可以判定胎體HRC主要由WC質(zhì)量分數(shù)控制。由圖3可知，當(dāng)WC質(zhì)量分數(shù)達到58.1%的時候，雖然 WCZQSn663質(zhì)量分數(shù)增大，但是胎體HRC并不增高（如配方Ⅵ與配方Ⅶ）。

在Ni、Co、Mn質(zhì)量分數(shù)一定時，比較 WC與ZQSn663對HRC的影響。配方ⅢCo的質(zhì)量分數(shù)是配方Ⅳ的4.3倍、胎體HRC相差1.8‰、σ相差14.7%；配方ⅧCo的質(zhì)量分數(shù)是配方Ⅶ的4.3倍、胎體HRC相差8.8‰、σ相差19.8%。它對HRC的影響不是很大，對σ的影響較大。

因此，只要Ni、Mn、Co質(zhì)量分數(shù)相同就可以認為只有WC與ZQSn663兩個變量影響胎體的硬度和抗彎強度。分別比較兩者差值及其質(zhì)量分數(shù)對胎體硬度的影響，可知并不是二者差值越大越好，應(yīng)該有一個最佳的比例關(guān)系。圖3為Ni、Co、Mn質(zhì)量分數(shù)一定時，WC和 WC－ZQSn663質(zhì)量分數(shù)與HRC關(guān)系曲線。由表3和圖3可以看出：當(dāng)w（WC）＜59.1%時，抗彎強度隨著其值增加有升高趨勢；WC－ZQSn663的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)該控制在20%以內(nèi)，ZQSn663的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)該控制在25%以上，這樣的配方才具有較好的硬度與抗彎強度。由圖3可以觀察出，WC與WC－ZQSn663質(zhì)量分數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)，胎體硬度變化趨勢是相同的。因此，依據(jù)以上分析應(yīng)用最小二乘原理，擬合出胎體配方的硬度分段函數(shù)：

表3 YG6拆分后的配方數(shù)據(jù)Table3 Matrix data after conversion of YG6

圖2 WC、ZQSn663質(zhì)量分數(shù)與HRC的關(guān)系Fig.2 Change of WC，ZQSn663contents with HRC

式中：X 為 WC質(zhì)量分數(shù)，%，50.0＜X≤59.1；YHRC為胎體洛氏硬度值（HRC）。

圖3 Ni、Co、Mn質(zhì)量分數(shù)一定時 WC、WC－ZQSn663的質(zhì)量分數(shù)與HRC的關(guān)系Fig.3 Change of WC，WC－ZQSn663contents with HRC when contents of Ni，Co，Mn are certain

2.3 硬度與抗彎強度關(guān)系

從表3、圖4中可以看出，在本文研究范圍內(nèi)胎體硬度高的一般抗彎強度也高，如配方Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ。測試結(jié)果與理論分析的結(jié)果一致：強度高的胎體相應(yīng)的硬度也高，這樣的胎體耐磨蝕性也有所提高。

經(jīng)過綜合分析，各成分的質(zhì)量分數(shù)控制如下：50.0%＜w（WC）＜59.1%，3.0% ＜w（Ni）＜6.5%，0.9% ＜w（Co）＜3.5%，w（ZQSn663）＞25%，w（WC－ZQSn 663）＜20%。胎體硬度按照公式（1）計算出 WC質(zhì)量分數(shù)，然后按質(zhì)量比推算出YG6的質(zhì)量分數(shù)。

圖4 WC質(zhì)量分數(shù)與抗彎強度關(guān)系Fig.4 Relationship between WC content and bending strength

3 結(jié)論

1）Mn在本次研究的配方中質(zhì)量分數(shù)小，僅為3.0%～5.5%，因此只能得出w（Mn）＞4%時，碳化鎢基復(fù)合胎體材料的性能較好。

2）熱壓燒結(jié)碳化鎢基胎體材料的硬度和抗彎強度隨WC的質(zhì)量分數(shù)在一定范圍內(nèi)非線性增加，碳化鎢基復(fù)合胎體材料的硬度與抗彎強度具有內(nèi)在聯(lián)系，硬度高的復(fù)合胎體材料抗彎強度往往也高。

3）在復(fù)合胎體材料配方中各個成分的質(zhì)量分數(shù)都應(yīng)在一個合理的范圍內(nèi)，才能保證良好的機械性能，經(jīng)過綜合分析得出，最佳配方為：w（WC）＜59.1%，w（ZQSn663）＞25%，3% ＜w（Ni）＜6.5%，0.9% ＜ w （Co）＜3.5%，w（WCZQSn663）＜20%。

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