王帥,呂智,林峰,謝德龍,潘曉毅

(1.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004; 3.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;4.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

Sn含量對(duì)WC基金剛石鉆頭的性能影響研究①

王帥1,呂智2,3,4,林峰2,3,4,謝德龍2,3,4,潘曉毅2,3,4

(1.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004; 3.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;4.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

文章以WC-Cu-Co基金屬結(jié)合劑為基礎(chǔ),研究Sn含量對(duì)結(jié)合劑性能的影響。對(duì)不同Sn含量配方的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、磨損失重、硬度進(jìn)行了測(cè)試,最后通過(guò)微鉆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際鉆進(jìn)效果。研究結(jié)果表明:隨著Sn含量的增加,胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度τ0、磨損失重Δm值和硬度HRB均呈現(xiàn)出先上升然后逐漸下降的趨勢(shì),Sn含量為4%左右時(shí),胎體具有最好的力學(xué)性能和最小的磨損失重。微鉆實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了Sn含量為4%的鉆頭配方具有較長(zhǎng)的壽命和較高的效率。

Sn含量;金剛石鉆頭;力學(xué)性能;磨損失重;微鉆實(shí)驗(yàn)

引言

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 胎體配方設(shè)計(jì)

在保持其它成分不變的情況下,通過(guò)調(diào)整Sn和Cu在配方中的含量來(lái)研究胎體的性能,不同Sn含量的配方依次編號(hào)為SN-,對(duì)應(yīng)的含30%金剛石胎體亦依次編號(hào)為SN30-。具體配方組成見(jiàn)表1。

表1 胎體配方組成Table 1 Ingredient proportion of matrix

1.2 胎體的熱壓燒結(jié)和后續(xù)處理

按照表1中的配方進(jìn)行混料、冷壓成型,然后置于國(guó)產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié),真空度為0.1Pa,壓力為30MPa,燒結(jié)溫度為840℃,燒結(jié)保溫保壓時(shí)間為6min,燒結(jié)試樣的尺寸規(guī)格為30mm×12mm× 6mm。試樣燒結(jié)完后,待其冷卻至室溫后拆模,用 200目砂紙去除表面毛刺,含金剛石胎體用剛玉砂輪進(jìn)行去毛刺處理。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試及結(jié)構(gòu)表征

采用TH300型洛氏硬度計(jì)和CMT4304液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試胎體試樣的硬度和三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度,用DHM-1型砂輪磨耗試驗(yàn)機(jī)測(cè)試磨損失重,采用排水法測(cè)量胎體試樣的密度,用日本JSM-6700F型掃描電鏡觀察燒結(jié)后試樣的形貌。通過(guò)測(cè)定含30%(體積濃度)同種粒度金剛石燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度,間接計(jì)算不同溫度下此配方體系對(duì)金剛石的包鑲強(qiáng)度,用強(qiáng)度損失率σ來(lái)表示,其計(jì)算公式如下:

σ=(τ0-τ1)τ0×100%。

其中:τ0為不同Sn含量胎體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度;τ1為對(duì)應(yīng)含30%金剛石胎體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度;所用金剛石的粒度為45/50目。

1) 掃描幀：聚束模式針對(duì)一定區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行成像，波束在方位向完成一個(gè)掃描范圍Δθ為一掃描幀。一掃描幀的波束范圍掃描范圍為α～β(|α-β|=Δθ)，α為波束起始指向角，β為波束終止指向角。

1.4 微鉆實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

為了測(cè)試不同Sn含量金剛石鉆頭配方的具體鉆進(jìn)效果,制做直徑為8mm、高10mm的微鉆頭。用夾子夾緊固定在鉆機(jī)上,對(duì)厚度為30mm、巖石可鉆性為7～8級(jí)的花崗巖進(jìn)行鉆進(jìn)。其中鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/min,水的添加量約為1L/min,具體微鉆實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。在微鉆實(shí)驗(yàn)中,每個(gè)孔用秒表記錄鉆頭從開(kāi)始到鉆穿花崗巖塊所消耗的時(shí)間。每個(gè)鉆頭鉆進(jìn)40個(gè)孔后,用千分尺測(cè)量鉆頭的高度消耗,計(jì)算公式為:Δh=h1-h2;其中h1為鉆前鉆頭高度;h2為鉆后鉆頭高度。然后通過(guò)計(jì)算得出鉆頭的理論壽命。鉆頭的效率用鉆頭鉆進(jìn)每個(gè)孔所消耗的時(shí)間表示,計(jì)算公式為:其中T/40;T為鉆進(jìn)40個(gè)孔消耗的總時(shí)間。

圖1 微鉆實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 The model of micro-drilling experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的每種試樣及對(duì)應(yīng)的含30%金剛石試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 試樣三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度及損失率Table 2 Three-point bending strength and loss ratio of the testing samples

為便于對(duì)比分析,把表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果制成圖(圖2)。由圖2可知隨著Sn含量的升高,Cu含量的降低,胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度先增大后逐漸減小,含金剛石的胎體也有同樣的結(jié)果。Sn含量為4%時(shí),空白胎體和含金剛石胎體都有最高的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度,分別為1248MPa和848MPa,Sn含量超過(guò)6%后,空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度都呈逐漸降低的趨勢(shì)。

圖2 不同Sn含量試樣三點(diǎn)抗彎強(qiáng)Fig.2 Three-point bending strength of the testing samples of different Sn content

對(duì)比SN-1,SN-2和SN-3三個(gè)試樣配方,三者的Sn含量依次相差2%,但SN1和SN2的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度僅僅只相差了20MPa,而SN-3相對(duì)SN-2抗彎強(qiáng)度減小了大約170MPa左右,下降幅度較大。再對(duì)比三者的含金剛石胎體數(shù)據(jù),強(qiáng)度損失率依次為37.3%、32.1%和35.2%,在Sn含量為4%時(shí),強(qiáng)度損失率達(dá)到最低。Sn含量為2%時(shí),空白胎體強(qiáng)度和4%時(shí)只相差了20MPa左右,但含金剛石胎體卻相差了80MPa左右。Sn含量為6%時(shí),含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度相比4%時(shí)明顯減小,由于本身強(qiáng)度不高,所以強(qiáng)度損失率相比SN-1較低。造成上述結(jié)果的原因是:當(dāng)Sn含量為2%時(shí),燒結(jié)過(guò)程中Sn可以提供一定的液相,使整個(gè)燒結(jié)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行得相對(duì)充分,但是由于Sn含量相對(duì)較低,在燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間一定的情況下,擴(kuò)散只能進(jìn)行到一定的程度,胎體中形成的合金和固溶體含量相對(duì)較低,此時(shí)Cu含量相對(duì)較高,胎體的整體強(qiáng)度由Cu、Co等金屬和它們形成的部分合金提供,所以強(qiáng)度相比4%時(shí)低。當(dāng)在胎體中加入金剛石,在燒結(jié)過(guò)程中擴(kuò)散就更難進(jìn)行,這時(shí)少量的液相Sn就不能充分發(fā)揮幫助燒結(jié)體擴(kuò)散、致密的作用,胎體中形成的合金和固溶體進(jìn)一步減少,部分WC也不能和Co、Cu等金屬相充分接觸,而在局部呈聚集狀態(tài),所以含金剛石胎體的強(qiáng)度損失率較高。當(dāng)Sn含量為4%時(shí),Sn可以更加充分地發(fā)揮其在燒結(jié)過(guò)程中提供液相、幫助擴(kuò)散的作用,此時(shí)胎體中形成了更多的合金和固溶體,固溶強(qiáng)化作用明顯,胎體強(qiáng)度進(jìn)一步提高;其次適量的液相Sn在擴(kuò)散過(guò)程中使胎體局部產(chǎn)生了更強(qiáng)的毛細(xì)現(xiàn)象,毛細(xì)管力使整個(gè)胎體更加致密,強(qiáng)度提高;再者液相Sn促使WC在胎體中分布得更加均勻,WC的彌散強(qiáng)化作用有所增強(qiáng),強(qiáng)度也會(huì)有所上升。含金剛石的胎體在燒結(jié)擴(kuò)散過(guò)程中也可以進(jìn)行得更加充分,所以此時(shí)強(qiáng)度損失率相對(duì)較低。當(dāng)Sn含量達(dá)到6%或者更多時(shí),胎體在燒結(jié)過(guò)程中Sn開(kāi)始流失,并帶走部分Cu和Co,加之此時(shí)Cu含量相對(duì)較低,胎體的中間相會(huì)明顯減少,胎體失去了強(qiáng)度支撐,所以胎體強(qiáng)度會(huì)大大降低,此時(shí)含金剛石胎體的強(qiáng)度也就跟著有所降低。

2.2 磨損失重和硬度

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的胎體的硬度和磨損失重結(jié)果見(jiàn)表3。SN-1由于Sn含量比較低,所以燒結(jié)后的胎體重量幾乎沒(méi)有減少,從SN-2試樣開(kāi)始,燒結(jié)后胎體的重量呈一直減小的趨勢(shì),說(shuō)明隨著Sn含量的增加,胎體整體流料越來(lái)越嚴(yán)重。從SN-2開(kāi)始,胎體的磨損失重越來(lái)越高,造成的原因是:Sn含量過(guò)高,在流失時(shí)帶走了胎體中的Cu和Co等中間相,造成胎體在局部出現(xiàn)了一定量的孔洞,而Sn含量越高,這種孔洞的數(shù)量就會(huì)越多,在磨損時(shí)這些有孔洞的地方結(jié)合力比較弱會(huì)很快被磨損掉,所以磨損失重隨著Sn含量的升高持續(xù)上升。

胎體的硬度整體上相差不大,SN-2稍微高出了一點(diǎn)。原因是HRB值代表了燒結(jié)體中各種相、空隙等綜合形成的微小整體局域的抗壓入能力,檢測(cè)所用的儀器鋼球直徑是1/16mm,在這個(gè)尺度范圍內(nèi), WC含量越高胎體的硬度會(huì)越大,實(shí)驗(yàn)中所有配方的WC含量都是相同的,所以硬度差別不大。其次SN -2胎體在燒結(jié)過(guò)程中,Sn、Cu、Co等金屬形成了較多的合金相和固溶體,固溶強(qiáng)化作用較為明顯,并且液相Sn在擴(kuò)散過(guò)程中在胎體局部產(chǎn)生了更多的毛細(xì)管力,使整個(gè)胎體更加致密,胎體對(duì)WC的局部支撐作用相對(duì)更強(qiáng)一些,整體硬度稍微有所上升。

表3 試樣的硬度和磨損失重Table 3 rigidity and wear weight loss of the testing samples

2.3 致密度

致密度的結(jié)果見(jiàn)表4。SN-2的致密度在所有的試樣中是最高的,說(shuō)明Sn含量為4%時(shí),燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行得比較充分。胎體中Cu和Co的含量相對(duì)較高,如果Sn的含量太高,在流失時(shí)會(huì)帶走部分的Cu和Co,造成胎體局部出現(xiàn)空隙,致密度降低,并且Sn含量過(guò)高時(shí),在燒結(jié)過(guò)程中胎體中的其它基質(zhì)成分也會(huì)隨之流失和減少,在擴(kuò)散過(guò)程中胎體局部產(chǎn)生的毛細(xì)管力不足會(huì)使胎體進(jìn)一步收縮使整個(gè)胎體更加致密,所以Sn含量不宜過(guò)高,以4%左右最為合適。

表4 致密度Table 4 Density

2.4 試樣SEM分析

為了進(jìn)一步觀察胎體斷面的表面形貌,做了Sn含量為2%、4%和10%胎體的掃描電鏡,見(jiàn)圖3。從對(duì)比中可以觀察到,Sn含量為2%的胎體空隙比較少,胎體斷面多成韌窩狀,胎體局部有一些顆粒成聚集狀態(tài)。這說(shuō)明Sn含量不足時(shí),粉料擴(kuò)散進(jìn)行得不夠徹底,燒結(jié)不夠充分,導(dǎo)致在局部一部分WC顆粒呈聚集狀態(tài),但此時(shí)胎體中的Cu含量相對(duì)較高,Cu和Co幾乎沒(méi)有流失,少量的液相Sn和Cu、Co等金屬也能產(chǎn)生一定量的合金和固溶體,它們對(duì)胎體有較強(qiáng)的強(qiáng)度支撐作用,所以此時(shí)整個(gè)胎體還是具有較高的強(qiáng)度的。Sn含量為4%的胎體空隙相比2%的更少,胎體斷面韌窩狀較多,并且局部幾乎沒(méi)有呈聚集狀態(tài)的WC。雖然此時(shí)胎體中Cu含量有所降低,對(duì)胎體的強(qiáng)度支撐作用會(huì)有所減小,但Sn含量的上升使胎體在燒結(jié)過(guò)程中粉料擴(kuò)散的比較充分,Sn和Cu易形成固溶體和合金,此時(shí)絕大部分Sn以合金或者固溶體形式存在,幾乎沒(méi)有流失,胎體中形成了更多的合金或者固溶體,Sn的固溶強(qiáng)化作用明顯,胎體的強(qiáng)度反而增加;其次游離態(tài)的Sn可以在一定程度上使WC盡可能地和Cu、Co等金屬相以及它們形成的合金相充分接觸,這樣在一定程度上防止了WC顆粒間的聚集,有效降低了內(nèi)應(yīng)力,提高了WC的彌散強(qiáng)化作用,這樣在一定程度上也能提高胎體的力學(xué)強(qiáng)度;再次適量液相Sn在擴(kuò)散過(guò)程中在胎體局部產(chǎn)生了更強(qiáng)的毛細(xì)顯現(xiàn),使整個(gè)胎體更加致密,強(qiáng)度提升。Sn含量為10%時(shí),整個(gè)胎體局部出現(xiàn)了很多空隙,胎體斷面韌窩狀較少,這說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中流料比較嚴(yán)重,并且在局部也有一定的顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是Sn含量過(guò)高時(shí),在燒結(jié)過(guò)程中Sn會(huì)大量流失,流失的過(guò)程中帶走大量的Cu和Co,而WC顆粒由于只接觸到少量的Cu和Co,所以部分WC顆粒間呈聚集狀態(tài);另一方面此時(shí)配方中Cu含量達(dá)到最低,Sn和Cu之間雖然易形成固溶體,但此時(shí)Cu含量相對(duì)較低,行成的固溶體有限,并且大部分Sn是以液相流失的,并且流失時(shí)會(huì)帶走一部分金屬化合物,整個(gè)胎體的中間相減少較多,胎體失去了強(qiáng)度支撐作用,所以此時(shí)整個(gè)胎體強(qiáng)度較低,斷面韌窩狀較少。

圖3 不同Sn含量胎體掃描電鏡下的斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of the matrix of different Sn content under scanning electron microscope

2.5 微鉆試驗(yàn)

為了驗(yàn)證Sn含量為4%的胎體是不是具有較好的力學(xué)和磨損性能,取Sn含量為2%,4%,6%的配方進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn),其結(jié)果見(jiàn)表5。由微鉆結(jié)果可知Sn含量為4%的鉆頭不僅有較長(zhǎng)的壽命,效率也相對(duì)較高,這和前面的力學(xué)測(cè)試結(jié)果和致密度測(cè)試結(jié)果是吻合的。

表5 不同Sn含量鉆頭微鉆試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The micro-drilling experiment result of bits of different Sn content

3 總結(jié)

(1)隨著Sn含量的增加,胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度τ0、磨損失重Δm值和硬度HRB均呈現(xiàn)出先上升然后逐漸下降的趨勢(shì),Sn含量為4%左右時(shí),胎體中能夠形成較多的合金相和固溶體,固溶強(qiáng)化和WC的彌散強(qiáng)化作用使胎體具有較好的力學(xué)性能和較小的磨損失重。

(2)Sn含量較高的胎體在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的流料現(xiàn)象,胎體中的其它成分會(huì)隨著Sn流失,導(dǎo)致整個(gè)胎體出現(xiàn)較多的空隙,并伴有局部顆粒聚集現(xiàn)象。

(3)微鉆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Sn含量為4%的鉆頭配方具有較長(zhǎng)的壽命和較高的效率,適合進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

[1] 孫毓超.金剛石工具胎體中合金元素的作用[C].2003年鄭州國(guó)際超硬材料研討會(huì)論文集,2004,9.

[2] 盧安軍,秦海清,雷曉旭,等.Ni對(duì)自由燒結(jié)金剛石工具胎體性能的影響[J].超硬材料工程,2014,2;35-39.

[3] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999.

[4] 劉志環(huán),潘曉毅,林峰,等.深孔鉆頭在新工藝條件下的配方設(shè)計(jì)初步研究[C].第六屆鄭州國(guó)際超硬材料及制品研討會(huì)論文集,2013;242.

[5] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985.

Study of the Influence of Sn Content on the Performance of WC-Base Diamond Drill Bit

WANG Shuai1,LV Zhi2,3,4,LIN Feng2,3,4,XIE De-long2,3,4,PAN Xiao-yi2,3,4
(1.College of Materials Science and Engineering,Guilin University of technology,Guilin,China 541004; 2.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004; 3.Chinese National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin 541004; 4.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material,Guilin 541004)

Based on the performance of WC-Cu-Co metal bond,the influence of Sn content on the performance of the bond has been studied.Three-point bending strength,wear weight loss and rigidity of the diamond bits of different Sn content have been tested and the actual dilling effect has been verified by micro-drilling experiment.The result shows that with the increase of the Sn content,the three-point bending strengthτ0,wear weight lossΔm and rigidity HRB of the matrix all increase and then decrease.The matrix presents the best mechanical property and the minimum wear weight loss when the Sn content is at 4%.Micro-drilling experiment has further verified that bits with 4%Sn content are more durable and effective.

Sn content;diamond bit;mechanical property;wear weight loss;micro-drilling experiment

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0005-05

2014-09-19

王帥,男,(1988-),桂林理工大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)槌膊牧霞爸破贰?/p>

科技部科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào):2013EG115007);廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室);廣西自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2013GXNSFAA019320);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):桂科攻1348008-3);中色集團(tuán)科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2013KJJH11);桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):20140104-4)