W对热压烧结铁基金刚石工具胎体组织性能的影响

周 强 ，杨树忠 ，常德民 ，魏世超 ，罗 莉

（1.国家离子型稀土资源高效开发利用工程技术研究中心，江西 赣州 34100；2.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000；3.江西离子型稀土工程技术研究有限公司，江西 赣州 341000）

0 引言

金刚石俗称“金刚钻”，是由碳元素组成的晶体，具有极高的热传导性、体积模量和断裂临界张应力，以及极低的热膨胀和摩擦系数[1-2]，是天然存在的最硬的物质，莫氏硬度为10，显微硬度可达100 GPa，被广泛应用于工艺品、地质钻探、建筑、机械加工、玻璃和珠宝加工等行业。金刚石工具通常采用结合剂粉末作为原料，通过粉末冶金方法制备[3-4]，实现结合剂对金刚石的包镶和把持，并将之作为加工切削“刀刃”，实现对目标材料的去除加工。金刚石结合剂不仅需要牢固包镶金刚石，避免金刚石脱落，还需要与金刚石保持匹配的磨损速度，保证金刚石出刃高度，以持续发挥金刚石高硬、耐磨优势，提高加工效率[5]。金刚石工具的结合剂按照结合剂材料分类包括：陶瓷基胎体、树脂基胎体和金属基胎体，其中以金属基胎体金刚石工具应用最为广泛，占金刚石工具的2/3以上[6]。常用金属基胎体材料有Co基、Cu基、Fe基、Ni基等，Fe基胎体价格低廉，对金刚石润湿性和把持力较好，逐渐取代Co基胎体。

W具有高硬度、高强度、高耐磨性的特点[7-9]，与Fe、Co、Ni等具有很好的相容性，750℃以上就能够与金刚石反应生成碳化物[10]。在传统金刚石工具生产中常使用W作为胎体骨架相或弥散相，以改善金刚石工具使用效能。但W对金刚石工具胎体的强化作用往往基于生产实践的经验积累，对于添加W对铁基胎体材料与金刚石/胎体复合材料的组织和性能影响规律的研究较少。研究在机械合金化制备的铁基预合金粉中加入W，热压烧结制备铁基胎体材料与金刚石/胎体复合材料，分析W对胎体性能和显微组织的影响规律，为后续铁基结合剂开发提供参考。

1 试验

1.1 粉末原料

以单质 Fe 粉、Cu粉、Sn粉、Ni粉、Co粉为原料，采用机械合金化方法制备铁基预合金粉。其中Fe粉、Cu粉、Sn粉、Ni粉、Co粉纯度＞99.5%，粉末粒度≤74 μm，由长沙天久新材料有限公司生产；预合金粉末制备过程如下：首先，按照Fe-Cu44Ni2Sn6Co2元素配比称取单质粉末；于行星式球磨机球磨罐内高能球磨（湿磨），球磨转速为 300 r/min，球料比为：4∶1，液固比为0.5∶1，球磨时间6 h；物料经真空干燥、过50 μm孔径筛，得到预合金粉末。

W粉由厦门金鹭特种合金有限公司提供，D50为9.6 μm。金刚石由河南黄河旋风股份有限公司提供，粒径为 350～450 μm。

1.2 复合材料的制备

按照原料配比称取预合金粉末与W粉，并混合均匀。加入金刚石颗粒，并加入总质量0.2%液体石蜡作为润湿剂，再次混匀。将混合粉料冷压成型得到冷压素坯，装入热压模具热压烧结，得到35mm×5mm×5 mm胎体材料和金刚石/胎体复合材料试样。烧结温度为760℃，烧结压力为20MPa，保温时间为1.5min。

1.3 性能测试与表征

材料密度根据GB/T3850—1983《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法-排水法》进行测量[11]；采用200HRS-150型洛氏硬度计测试胎体材料硬度；采用TESCAN MIRA3 LMH扫描电镜对粉末及烧结体进行显微形貌观察，采用CMT-5205D电子万能材料力学试验机测试胎体及金刚石/胎体复合材料抗弯强度，铁基胎体对金刚石把持力用强度损失率η表示。η越大，说明胎体对金刚石把持能力越差；反之，把持能力越好。计算公式如式（1）。

式中：σ1为胎体材料抗弯强度，MPa；σ2为金刚石/胎体复合材料抗弯强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 粉末形貌

图1为机械合金化制备预合金粉和W粉SEM照片，图1（a）为机械合金化制备预合金粉末显微形貌，粉末呈片状，长宽尺寸约为25～50 μm厚度约为 1～2 μm；图 1（b）为 W 粉末照片，粉末呈球形或类球形，D50为9.6 μm，存在小颗粒粉末，粒度小于500 nm，粉末存在一定的团聚现象。经机械合金化，粉末尺寸较均匀，表面粗糙，由片层状粉末冷焊形成。机械合金化过程中，粉末被高能磨球滚压、破碎，韧性较好的Fe、Cu、Ni、Sn以塑性变形为片状结构，不同粉末在机械力作用下，混合均匀同时，为降低表面自由能，发生冷焊，形成具有鲜明亚结构的片状预合金粉末，预合金粉末残余缺陷和应变能较高，具有高的烧结活性，对胎体材料烧结致密化有益。

2.2 力学性能

表1所列为Fe-Cu44Ni2Sn6Co2胎体材料及金刚石/胎体复合材料性能，图1所示为不同含量W对热压烧结胎体材料及金刚石/胎体复合材料性能的影响。由表1与图1可知：机械合金化方法制备的Fe-Cu44Ni2Sn6Co2预合金粉末具有高的烧结活性，760℃，20 MPa条件下热压烧结1.5 min，胎体材料及金刚石/胎体复合材料均可烧结致密，烧结体相对密度＞97.5%，金刚石与W的添加对材料相对密度影响不大；随W含量的增加，胎体材料及金刚石/胎体复合材料的硬度增加，当W含量达到6%（质量分数，下同）时，胎体材料达到HRB 93.4，金刚石/胎体复合材料硬度为HRB 93.1；金刚石的加入，降低了胎体材料的抗弯强度，随W的添加量增加，材料强度先减小后增加，不含W的胎体材料及金刚石胎体复合材料具有更高的抗弯强度，分别为1 219.4 MPa和851.0 MPa；胎体对金刚石把持力（以添加金刚石后胎体强度损失率表示）与W元素的含量有关，W元素的添加，对胎体对金刚石把持力提高有明显改善。未添加W胎体材料强度损失率为30.21%，添加2%的W，胎体材料强度损失率仅为15.96%。

表1 胎体材料及金刚石/胎体复合材料的性能Tab.1 Properties of the matrix and the diamond / matrix composites

图1 预合金粉末与W粉末的显微形貌Fig.1 Micro-morphology of pre-alloyed powder and W powder

图2 W含量对Fe-Cu44Ni2Sn6Co2胎体材料性能的影响Fig.2 Effects of W content on properties of Fe-Cu44Ni2Sn6Co2

2.3 胎体显微组织与形貌

图3为W含量分别为0%，2%，4%，6%胎体材料（L1，L3，L5，L7）金相组织照片。由图3 可知，未添加W胎体，骨架相呈絮状、球状分布于粘结相内。由于热压烧结过程粘结相流动骨架相分布不均，存在团聚和偏析现象；随W添加量的增加，胎体组织均匀化，球状、类球状骨架相消失，骨架相呈现絮状组织均布于粘结相内部；图3（c）W含量为4%的胎体材料金相及局部背散射照片。由图3（c）可知，W主要分布于骨架相附近，少量分布于骨架相或粘结相内部。

图4为不同W含量的金刚石/胎体复合材料（L2，L4，L6，L8）抗弯断口 SEM 形貌。由图可知：Fe-Cu44Ni2Sn6Co2胎体断口主要表现为粘结相的拉伸韧窝，韧窝内部存在弥撒分布的骨架颗粒，晶界不明显；金刚石与胎体紧密结合，金刚石表面存在轻微刻蚀，表明胎体与金刚石存在化学结合作用，胎体对金刚石包镶受机械包镶与化学包镶共同作用；随W含量的增加，断口韧窝更加细密，表现为细小球形韧窝，分布趋于均匀，弥散分布的W颗粒数量增加，少量W颗粒出现脱嵌或穿晶解理。

热压烧结过程中，Cu、Sn等首先通过扩散固溶形成低熔点液相，在外加压力和毛细管力作用下填充粉末间隙，促进材料烧结致密。W熔点高，烧结过程中通过固相扩散进入骨架相和粘结相组织，由于热压烧结温度较低，高温停留时间短，添加的W不能完全合金化，以颗粒形式弥散分布于粘结相和骨架相内部。W与Cu、Sn等粘结相元素物理性质差异大，润湿性较差[12-13]，弥散分布的W抑制胎体内Cu、Sn的流动和迁移，阻碍晶粒长大；W与Ni、Fe、Co等骨架相元素具有很好的亲和力[14-15]，机械合金化引入大量位错等缺陷促进了W的固溶和合金化，同时抑制骨架相的晶粒粗化。分布与粘结相内部的W颗粒，界面结合力较弱，受应力作用时，迅速脱嵌，弱化材料；位于骨架相附近的W颗粒，少量固溶，强化骨架相的同时，改善胎体对金刚石包镶作用；因此与未添加W的胎体材料相比，抗弯强度下降，胎体材料强度损失率降低。

图3 W含量对Fe-Cu44Ni2Sn6Co2胎体材料显微组织的影响Fig.3 Effects of W content on micro-structure of Fe-Cu4Ni2Sn6Co2

图4 W含量对金刚石/胎体复合材料断口形貌的影响Fig.4 Effect of W content on fracture morphology of the matrix with diamond

3 结论

（1）机械合金化方法制备的Fe-Cu44Ni2Sn6Co2预合金粉末具有高的烧结活性，760℃，20 MPa，热压烧结1.5 min，胎体材料及金刚石/胎体复合材料相对密度达97.5%以上，W与金刚石的添加对材料相对密度影响不大。

（2）随W的添加，胎体材料硬度增加，胎体材料及胎体/金刚石复合材料强度先减小后增加，胎体对金刚石把持能力先增加后减小，添加2%的W可有效提高胎体对金刚石把持力，进一步提高W的含量，胎体对金刚石把持力下降。

（3）W以颗粒形式弥散分布于Ni、Fe、Co骨架相附近或内部，少量分布于粘结相内部，使胎体显微组织细化和均匀化，胎体断口出现W颗粒脱嵌和穿晶解理。