李鳴鳳，方小紅，段隆臣，譚松成

（中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢 430074）

預(yù)合金粉末具有不易氧化、保存方便、能簡化金剛石工具制作工藝、提高胎體性能等優(yōu)點[1]，在金剛石鉆頭領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。因此，對預(yù)合金粉末的研究也越來越多。然而，隨著鉆進環(huán)境的復(fù)雜化，鉆頭胎體的性能需求越來越高，加上鉆頭胎體材料還應(yīng)具有成本低且對環(huán)境無污染等特點，故發(fā)現(xiàn)和研究新的胎體材料及配方對金剛石鉆頭制造領(lǐng)域具有重要意義。

非晶粉末是將仍處于熔融態(tài)的金屬快速冷卻至室溫后制得的金屬粉末，由于其金屬內(nèi)部的原子仍保持著熔融態(tài)時的無序狀態(tài)，此種粉末也被稱為金屬玻璃[2]。

鐵基非晶粉末是以鐵為主要元素的非晶預(yù)合金粉末。其成本較低，同時也具有力學(xué)性能好、燒結(jié)活性高等特點。目前，鐵基非晶粉末主要用于偶氮染料[3-4]和激光熔覆涂層材料[5-7]等領(lǐng)域。當鐵基非晶粉末作為激光熔覆涂層材料時，其涂層組織在快速冷卻時來不及長大，生長為細小的晶粒結(jié)構(gòu)；此結(jié)構(gòu)致密，使得制備出的非晶復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性能[5]。同時，非晶粉末在激光作用下還會發(fā)生晶化反應(yīng)，影響其熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對熔覆層性能的優(yōu)化調(diào)控[6]。然而，鐵基非晶粉末在金剛石工具領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究較少。

為研究鐵基非晶粉末的加入對鐵基預(yù)合金粉末胎體性能的影響，將不同質(zhì)量分數(shù)的鐵基非晶粉末加入到基礎(chǔ)粉末（即鐵基預(yù)合金粉末）中，燒結(jié)成胎體后測試其力學(xué)性能，并對鐵基非晶粉末進行DSC 及XRD測試，探究鐵基非晶粉末特性對胎體性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗用粉末如表1所示，鐵基預(yù)合金粉末為試驗基礎(chǔ)粉，鐵基非晶粉末為試驗添加粉，2 種粉末均為安泰特種粉業(yè)有限公司生產(chǎn)的霧化預(yù)合金粉末。

表1 試驗粉末Tab.1 Powder in experiment

鐵基預(yù)合金粉末元素組成及質(zhì)量分數(shù)為：Fe，65%；Cu，20%；Ni，7%；Sn，8%。鐵基非晶粉末元素組成及質(zhì)量分數(shù)為：Fe，69%～76%；W，8%～10%；Cr，4%～6%；Ni，3%；Si，5%；B，2%～4%；Mo，2%～3%。

采用PRO G2 臺式掃描電鏡（荷蘭Phenom）觀察試驗粉末微觀形貌。圖1、圖2分別為鐵基預(yù)合金粉末和鐵基非晶粉末的SEM 圖。從圖1和圖2可以看出：2 種粉末均非單質(zhì)金屬機械混合粉末，雖顆粒粒徑大小不一，但合金化結(jié)構(gòu)均勻，為典型預(yù)合金粉末形貌。

圖1 鐵基預(yù)合金粉末微觀形貌Fig.1 Micromorphology of Fe-base pre-alloyed powder

圖2 鐵基非晶粉末微觀形貌Fig.2 Micromorphology of Fe-base amorphous powder

1.2 試樣制備

在基礎(chǔ)粉末中分別添加質(zhì)量分數(shù)為0，5%，10%和15%的鐵基非晶粉末，制成胎體后測試其洛氏硬度Hr、三點抗彎強度σb及磨損率η。

用萬能電子天平（精度為0.001 g）分別稱取所需質(zhì)量的基礎(chǔ)粉末和鐵基非晶粉末，后置于混料瓶中，再放入HSW-10 三維混料機中球磨混料12 h，混合均勻后裝入石墨磨具中，在SM-100A 自控智能燒結(jié)機（長江精工）上進行熱壓燒結(jié)，燒制出8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm和5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm 共2 種尺寸的試樣。表2為熱壓燒結(jié)時的燒結(jié)參數(shù)，圖3為燒結(jié)工藝曲線。

表2 熱壓燒結(jié)參數(shù)Tab.2 Parameters of hot pressing sintering

圖3 燒結(jié)工藝曲線Fig.3 Sintering curve

1.3 性能測試與表征

使用洛氏硬度計（HR-150A，溫州韋度）檢測試樣的硬度；采用電子萬能材料試驗機（CTM2500/10kN，上海協(xié)強儀器)測試試樣三點抗彎強度；利用金剛石磨耗比試驗機（HYMH-25，吉林峰遠精密電子設(shè)備)檢測并計算試樣的磨損率；利用差示掃描量熱儀（STA 449F3，德國NETZSCH）對鐵基非晶粉末熱性能進行分析；利用X 射線衍射儀（D8 Advance，德國Bruker)對鐵基非晶粉末進行物相組成分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 洛氏硬度測試

洛氏硬度測試試樣尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm，每種胎體配方重復(fù)試驗3 次，在每個胎體試樣的上下端各測4 個點，取24 個點的數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果，得出圖4所示的燒結(jié)胎體的硬度曲線。

由圖4可知：隨著鐵基非晶粉末質(zhì)量分數(shù)的增加，胎體的硬度也呈增加的趨勢。未加入鐵基非晶時，胎體硬度僅為104.6 HRB；當加入的鐵基非晶粉末的質(zhì)量分數(shù)為10%時，胎體的硬度提高至107.7 HRB，提高了3.0%；當加入的鐵基非晶粉末的質(zhì)量分數(shù)達15%時，硬度達到了110.0 HRB，提高了5.2%。

圖4 硬度曲線Fig.4 Hardness curve

2.2 三點抗彎強度測試

抗彎強度測試試樣尺寸為5.0 mm×5.0 mm×30.0 mm，每一種胎體配方重復(fù)試驗3 次。設(shè)置矩形跨距為24.5 mm，負荷控制為10 N/s，測出其抗彎強度值后取平均值，得到圖5的添加不同質(zhì)量分數(shù)鐵基非晶粉末的胎體試樣的抗彎強度變化曲線。

圖5 抗彎強度曲線Fig.5 Bending strength curve

由圖5可知：隨鐵基非晶粉末質(zhì)量分數(shù)的增加，胎體的抗彎強度先增大后減小，但總體上還是增加的。加入質(zhì)量分數(shù)為0，5%，10%，15%的鐵基非晶粉末后，胎體抗彎強度分別為610，750，965 和790 MPa。與未加鐵基非晶粉末的胎體相比，加入質(zhì)量分數(shù)為5%，10%，15%的鐵基非晶粉末的胎體抗彎強度分別提高了23.0%，58.2%和29.5%，均對提高胎體抗彎強度有良好效果。

2.3 磨損率測試

磨耗比測試試樣尺寸為8.5 mm×8.5 mm×15.0 mm。將磨耗比試驗機次數(shù)設(shè)置為10 次，位移設(shè)置為0.025 mm，位移系數(shù)為200，將每個試樣放在試驗機上磨耗3 min，測出磨損前與磨損后試樣的質(zhì)量，用式（1）計算其磨損率η：

其中：m前為磨損前試樣的質(zhì)量，m后為磨損后試樣的質(zhì)量。

每種試樣重復(fù)測量3 次取平均值，得出如圖6所示的磨損率曲線。

圖6 磨損率曲線Fig.6 Wear rate curve

由圖6可知：未加入鐵基非晶粉末時，胎體磨損率為3.3，加入鐵基非晶后，胎體的磨損率降低了很多。加入質(zhì)量分數(shù)為5%鐵基非晶粉末后，胎體的磨損率下降至1.5，降低了54.5%；加入質(zhì)量分數(shù)為15%鐵基非晶粉末后，胎體磨損率下降至0.6，降低了81.8%。說明鐵基非晶粉末能顯著降低胎體的磨損率，提高胎體的耐磨性能。

2.4 DSC 與XRD 測試

為深入研究鐵基非晶粉末影響胎體性能的機理，對鐵基非晶粉末進行了差示掃描量熱（DSC）分析[8]，得到其DSC 曲線圖7。

圖7 鐵基非晶粉末的DSC 曲線Fig.7 DSC curve of Fe-based amorphous powder

從圖7可以看出：在燒結(jié)溫度為500～700 ℃時，鐵基非晶粉末有一個晶化放熱峰。這是一個急劇放熱的過程，這一過程中存在著物質(zhì)由非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變[5]。同時，圖7中在1 000～1 200 ℃時有一個吸熱峰，是鐵基非晶粉末熔融時出現(xiàn)的。為了深入分析該晶化放熱過程，取鐵基非晶粉末于石墨模具中，分別在最高溫度為500 ℃及700 ℃下進行燒結(jié)試驗。理論而言，500 ℃燒結(jié)時不會發(fā)生晶化放熱，而700 ℃時則會發(fā)生明顯的晶化放熱[9]。分別對最高溫度為500 ℃及700 ℃下燒結(jié)的胎體進行X 射線衍射（XRD）測試及對比，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 500 ℃與700 ℃時的鐵基非晶粉末XRD 曲線對比Fig.8 Comparison of XRD curves of Fe-based amorphous powders at 500 ℃ and 700 ℃

圖8的黑色和紅色曲線分別為最高溫度是500 ℃和700 ℃時燒結(jié)胎體的XRD 曲線。當燒結(jié)的最高溫度為500 ℃時，其XRD 曲線在衍射角為25°～29°時有一個尖銳的晶體衍射峰，而在衍射角為41°～49°時出現(xiàn)了一個非晶相特有的“饅頭峰”；當燒結(jié)的最高溫度為700 ℃時，25°～29°處的衍射峰變高，而XRD 曲線上的“饅頭峰”消失，但在衍射角為45°處出現(xiàn)了一個強度高且十分尖銳的晶體衍射峰，同時在其他衍射角位置也出現(xiàn)了幾個晶體衍射峰。這表明在700 ℃時，胎體中的非晶態(tài)有部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。

在500 ℃和700 ℃時，加入鐵基非晶粉末后的試樣的XRD 物相分析結(jié)果如圖9、圖10 所示。由圖9、圖10 可知：2 種試樣中均測出了石英（SiO2）相，且表征SiO2的最強衍射峰的強度幾乎沒有改變，說明試樣中的SiO2含量基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生任何反應(yīng)或相變。同時，500 ℃時出現(xiàn)的NiSi 相在加熱至700 ℃時因融入了B 元素而轉(zhuǎn)化成了NiSiB 相，而B 對金剛石具有一定的潤濕性，能提高胎體的硬度和耐磨性；在500 ℃出現(xiàn)的CrFe 相也在加熱至700 ℃時融入了Si 元素而形成SiCrFe 相。Si 可以細化胎體晶粒，提高胎體的強度和耐磨性，并能改善胎體和金剛石的潤濕性，提高其對金剛石的包鑲能力[10]。因此，2 種晶化反應(yīng)促進了B元素和Si 元素與其他物相的融合，起到改善胎體性能的作用，從而提高了胎體的硬度、強度和耐磨性[11]。

圖9 500 ℃時試樣的XRD 曲線Fig.9 XRD curve of the sample at 500 ℃

圖10 700 ℃時試樣的XRD 曲線Fig.10 XRD curve of the sample at 700 ℃

3 結(jié)論

（1）在鐵基預(yù)合金粉末胎體中加入鐵基非晶粉末后，胎體的洛氏硬度、三點抗彎強度及耐磨性都有一定程度的提升，并隨加入的鐵基非晶粉末質(zhì)量分數(shù)的增加而呈上升的趨勢。未加入鐵基非晶粉末時，胎體的洛氏硬度、抗彎強度及磨損率分別為104.6 HRB、610 MPa、3.3；加入質(zhì)量分數(shù)為5%的鐵基非晶粉末后，胎體硬度幾乎不變，抗彎強度提高了23.0%，為750 MPa，磨損率降低了54.5%，為1.5；加入質(zhì)量分數(shù)為10%的鐵基非晶粉末后，胎體硬度和抗彎強度分別為107.7 HRB和965 MPa，分別提高了3.0%和58.2%，磨損率降至0.9，降低了72.7%；加入質(zhì)量分數(shù)為15% 的鐵基非晶粉末后，胎體硬度為110.0 HRB，提高了5.2%，抗彎強度為790 MPa，提高了29.5%，磨損率降至0.6，共降低了81.8%。

（2）在對鐵基非晶加熱過程中，在500～700 ℃，鐵基非晶粉末會有一個急劇放熱的過程，放出的熱量會推動胎體燒結(jié)，且有利于燒結(jié)出晶粒細小、質(zhì)量較好的胎體；同時，這個急劇放熱的過程是非晶相向晶體轉(zhuǎn)化的過程，B 元素融入NiSi 相形成NiSiB 相、Si 元素融入CrFe 相形成SiCrFe 相，使胎體結(jié)構(gòu)更加致密，提高了胎體的硬度、抗彎強度及耐磨性。