艾 昆， 李靜儀， 段隆臣， 賈永江， 譚松成， 方小紅

(1. 中石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司， 鄭州 450000) (2. 桂林金剛石工業(yè)有限公司， 廣西 桂林 541199) (3. 中國地質大學 工程學院， 武漢 430074)

由于鐵資源豐富且價格便宜，熱壓富鐵基金剛石鉆頭成為近年來金剛石工具的一個研究熱點[1-5]。要獲得性能良好的鐵基(富鐵)金剛石復合材料，需要解決下列問題[6-9]：一是燒結溫度高且控溫范圍窄；二是熱壓燒結時鐵元素容易侵蝕金剛石從而降低鉆頭性能；三是鐵粉活性大、易氧化，從而對鐵基胎體性能產生嚴重影響。

針對上述問題，選取一種Fe質量分數40%以上，并同時含有Cu、Sn、Zn、P、稀土等元素的預合金粉CSB-2，通過在胎體配方中添加質量分數0%～50%的CSB-2預合金粉，胎體中Fe以單質粉形式、單質粉與預合金粉混合形式以及預合金粉形式加入，并分別在900、940、980、1020 ℃下進行熱壓燒結制備胎體試樣。通過測試熱壓富鐵基胎體的密度、顯微硬度、抗彎強度、沖擊韌性等力學性能指標，優(yōu)選出合理的預合金粉CSB-2添加量和燒結溫度，從而提高熱壓富鐵基金剛石鉆頭胎體的各項性能并推廣應用。

1 試驗方法及過程

1.1 熱壓胎體配方和試驗方案設計

以CSB-2預合金粉為基礎，WC為胎體骨架材料，Ni、Co為胎體中間材料，調整胎體性能。CSB-2預合金粉中Fe、Cu含量較高，是主要的黏結成分。熱壓金剛石鉆頭胎體配方中，WC質量分數一般在20%～40%之間，本試驗取WC質量分數為30%。

富鐵預合金粉采用某公司生產的CSB-2預合金粉，具體規(guī)格參數如下：粒度尺寸≤74 μm、理論密度7.84 g/cm3、硬度90～100 HRB、燒結溫度870 ℃。主要成分及質量分數：Fe(48.89%)、Cu(39.87%)、Sn(4.94%)、Zn(1.23%)、P(4.57%)、稀土(0.50%)。

為研究CSB-2預合金粉質量分數和燒結溫度對熱壓胎體性能的影響，設計不同預合金粉質量分數的熱壓富鐵基胎體配方和熱壓燒結溫度。具體試驗方案如表1所示，胎體配方中各元素的質量比相同(如配方1所示)。燒結溫度分別為900、940、980和1020 ℃，含WC、Ni和Co的質量分數分別為30%、15%和5%。

1.2 試樣制備

試樣的制備主要包括胎體粉料的計算、混合、裝模和熱壓燒結等多個過程。胎體試樣制備流程如圖1所示。

表1 試驗方案設計

圖1 胎體試樣制備流程圖

試驗采用三維混料機干磨法混合胎體粉末，球磨時間為24 h?；炝辖Y束后，粉末過篩(孔徑0.100 mm)，混合粉末的分散度及粒度得到了很大的改善，達到試驗要求。球磨用硬質合金研磨球的規(guī)格(直徑)為15 mm、10 mm、5 mm，體積比為27∶8∶1。

用SM-100A自動智能燒結機進行燒結，升溫速度為100 ℃/min，保溫時間為3 min，燒結預壓力為1 MPa，燒結全壓為15 MPa。

1.3 試驗內容

用萬能電子天平(精度為0.001 g)稱量試樣質量。參照試驗條件室溫下水的密度計算試樣的密度值D。用HV-1000 型維氏硬度計進行硬度測試[11]，每個配方測6個位置的硬度值，取平均值。將胎塊制作成5 mm×5 mm×30 mm 的標準試樣，在CTM2500微機控制型電子萬能材料試驗機上，用三點彎曲法測抗彎強度。加載速度為10～20 mm/min，跨距24.5 mm；每個配方燒制3個空白胎體試樣，3個含金剛石試樣。在XJJ-50型沖擊試驗機上進行沖擊韌性試驗，每個配方3個試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。

2 試驗結果及分析

2.1 致密度

測量并計算不同含量CSB-2預合金粉配方在900、940、980、1020 ℃下燒結的胎體致密度(實測密度與理論密度的比值)，其變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知：熱壓燒結溫度相同時，富鐵基胎體的致密度隨著CSB-2預合金粉質量分數的增大而增大。本試驗的4種燒結溫度下，以配方6燒結的胎體其致密度比以配方1燒結的胎體的致密度分別提高了7.68、6.44、3.91、3.28個百分點。當熱壓燒結溫度高于940 ℃之后，增大CSB-2預合金粉質量分數對提高胎體致密度的影響程度逐漸減小，但即使在熱壓燒結溫度高達1020 ℃時，CSB-2預合金粉質量分數高的胎體致密度仍比低質量分數時有所提高。

圖2 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基胎體致密度的影響

由圖2還可知：當CSB-2預合金粉的質量分數相同時，熱壓燒結溫度的升高有利于提高胎體的致密度；但當燒結溫度高于980 ℃之后，胎體致密度曲線趨于平緩或有小幅度下降，說明在試驗的4個溫度點中980 ℃是理想的燒結溫度。CSB-2預合金粉質量分數為0%～30%時，胎體致密度隨溫度升高的增加幅度大，特別是相較于單質混粉胎體(配方1)而言，熱壓燒結溫度對提高胎體致密度有顯著作用；隨著CSB-2預合金粉質量分數(40%～50%)增大，胎體配方的預合金化程度提高，胎體致密度對燒結溫度的敏感性逐漸減弱，說明900～980 ℃均可視為理想的燒結溫度；超過980 ℃，胎體的致密度反而有所下降。CSB-2預合金粉質量分數50%的胎體在900 ℃下燒結的致密度近96%，比單質金屬粉(CSB-2預合金粉質量分數0%)的胎體在1020 ℃下燒結的致密度高出近4個百分點，說明在胎體致密度要求相同的情況下，添加CSB-2預合金粉可顯著降低燒結溫度。這在金剛石工具制造過程中有利于節(jié)能和保護金剛石。

2.2 顯微硬度

添加質量分數為0%～50%的CSB-2預合金粉在900、940、980、1020 ℃下燒結的胎體維氏硬度如圖3。

由圖3可知：在上述4種熱壓燒結溫度條件下，胎體的維氏硬度均隨著CSB-2預合金粉質量分數的增加而增大，當CSB-2預合金粉質量分數占50%(6#配方)時，胎體顯微硬度比單質混粉胎體(1#配方)分別提高17.31%、16.52%、20.35%、27.99%；當CSB-2預合金粉質量分數相同，且熱壓燒結溫度為900、940和980 ℃時，胎體試樣的維氏硬度均隨著燒結溫度的升高而增大，胎體配方中CSB-2質量分數每增加10%，維氏硬度增大1%～5%；但當燒結溫度繼續(xù)升高到1020 ℃后，胎體的維氏硬度均出現(xiàn)一定程度的減小，說明燒結溫度不宜超過980 ℃。由試驗結果還可知：隨著CSB-2預合金粉質量分數的增加，胎體維氏硬度在高溫時的降低程度呈減小趨勢，胎體維氏硬度對溫度的敏感性減弱。

圖3 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基胎體維氏硬度的影響

2.3 抗彎強度

不同CSB-2預合金粉質量分數下的空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強度指標隨熱壓燒結溫度的變化規(guī)律分別如圖4、圖5所示。

圖4 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基空白胎體抗彎強度的影響

由圖4可知：在4種熱壓燒結溫度下，熱壓富鐵基空白胎體的抗彎強度均隨著CSB-2預合金粉質量分數的增大而提高，表明金剛石鉆頭胎體配方的預合金化對提高鉆頭胎體抗彎強度具有良好的促進作用。在4種試驗溫度下，CSB-2質量分數為50%時的空白胎體抗彎強度相比配方1的單質混粉胎體分別提高了71.17%、64.84%、77.06%和94.43%。當CSB-2預合金粉質量分數一定時，空白胎體的抗彎強度整體隨燒結溫度的升高呈先增大后減小的趨勢。除CSB-2質量分數為20%之外，其他幾組不同CSB-2質量分數的空白胎體均在燒結溫度為980 ℃時得到最大的抗彎強度。

圖5 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基含金剛石胎體抗彎強度的影響

由圖5可知：對于含金剛石的熱壓富鐵基胎體而言，其抗彎強度在4種試驗燒結溫度下仍然具有隨著CSB-2質量分數的增加而增大的趨勢，且在燒結溫度相對較低時抗彎強度增加更為顯著。在燒結溫度為1020 ℃時，CSB-2質量分數為10%和20%的情況下對含金剛石胎體抗彎強度指標的影響不顯著；而當CSB-2質量分數為30%～50%時，胎體抗彎強度提高明顯。在CSB-2質量分數一定時，含金剛石的熱壓富鐵基胎體抗彎強度均隨著燒結溫度的升高出現(xiàn)一定程度的降低。眾所周知，含金剛石胎體的抗彎強度主要取決于胎體與金剛石的界面結合情況或強度，結合強度高，則含金剛石胎體的抗彎強度高，反之則低。這說明溫度的提高損傷了金剛石表面，惡化了胎體與金剛石之間的結合。

在胎體中添加金剛石顆粒后將導致試件的抗彎強度降低，其對應的強度損失率(即添加金剛石后的胎體試樣的抗彎強度較之不添加金剛石胎體試樣的抗彎強度的損失率)如圖6所示。

由圖6可知：在熱壓富鐵基鉆頭胎體中添加金剛石顆粒之后，均會導致胎體抗彎強度產生一定的強度損失。其中，不同質量分數CSB-2在900 ℃熱壓燒結的胎體的抗彎強度損失最少，說明此溫度對于加入CSB-2預合金粉的胎體是一個合適的燒結溫度；但對于沒有加入CSB-2預合金粉的胎體來說，抗彎強度損失最少的燒結溫度是1020 ℃，這說明用單質金屬粉混合的胎體需要比加入預合金粉的胎體具有更高的燒結溫度。

圖6 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基含金剛石胎體抗彎強度損失率的影響

2.4 抗沖擊韌性

CSB-2預合金粉質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基胎體抗沖擊韌性的影響如圖7所示。

圖7 CSB-2質量分數和燒結溫度對熱壓富鐵基胎體抗沖擊韌性的影響

由圖7可知：在4種試驗燒結溫度下，熱壓富鐵基胎體的抗沖擊韌性均隨CSB-2預合金粉質量分數的增加而增大，且其增大幅度存在臨界加量，臨界加量之前，胎體的抗沖擊韌性相對較低，而高于臨界加量后抗沖擊韌性顯著提高。CSB-2的最少臨界加量在20%～30%。在4種試驗燒結溫度下，熱壓富鐵基胎體的抗沖擊韌性隨著CSB-2預合金粉質量分數的增加分別增大了287.38%、312.82%、250.00%和187.18%。

由圖7還可知：在相同燒結溫度條件下，當CSB-2預合金粉的質量分數不超過20%時，熱壓富鐵基胎體的抗沖擊韌性隨著燒結溫度的升高而提高。當CSB-2質量分數達到30%及以上時，熱壓富鐵基胎體的抗沖擊韌性隨著燒結溫度的升高先提高后降低，最高臨界燒結溫度為940 ℃，即燒結溫度超過940 ℃，胎體的抗沖擊韌性會下降。

3 結論

(1)添加CSB-2預合金粉對熱壓富鐵基胎體的力學性能影響顯著。在4種試驗溫度下，隨著CSB-2質量分數的增加，胎體的致密度、顯微硬度、抗彎強度和抗沖擊韌性分別最大提高了7.68個百分點、27.99%、94.43%和312.82%。

(2)熱壓富鐵基胎體預合金化有利于提高胎體力學性能和降低胎體燒結溫度。試驗結果表明，CSB-2預合金粉質量分數應大于30%，最佳燒結溫度為940～980 ℃。