铸铁粉末对铁基结合剂金刚石工具性能的影响

左宏森, 任 瑛, 翟焕焕

(河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001)

1 前言

随着超硬材料工具市场竞争的需要，铁基结合剂因其物美价廉和对金刚石有较好的结合力而在我国金刚石工具中使用越来越多。铁基结合剂金刚石产品通常磨耗量小，磨削比高，强度高，结合剂对金刚石润湿性好，使用寿命长。与铜基结合剂相比其烧结温度较高，可以使铁基结合剂获得较高的强度和韧性。但也有现实的问题需要考虑：一是高温下因铁元素的特殊结构在控制不当的情况下很容易导致对金刚石过度腐蚀，从而影响金刚石工具的性能；二是高强度高韧性并不全有利于金刚石工具的使用，特别是在磨加工时自锐性的保持。铸铁作为含碳量较高的铁合金，具有较高的强度和脆性，在制备金刚石工具时用作结合剂，不仅可以保持工具的高强度同时也可以实现磨加工时结合剂应有的脆性。实际上，在上世纪80年代，国外已出现铸铁结合剂金刚石磨具[1-2]。本文通过实验分析铁与铸铁成分不同含量时，对铁基结合剂性能的作用，并通过SEM形貌观测来分析对金刚石表面的影响。

2 实验

实验采用真空热压法以节块的方式来检测试样的力学性能，并观察断口的金刚石与结合剂处微观组织形貌，最后用扫描电镜观察经酸处理后的金刚石形貌特征。实验所用节块尺寸为40×5×5，热压设备为RYJ-2000Z型，结合剂配方中铁总含量控制在55%wt，其它成分有Cu、Ni、Sn等，金属粉末粒度-300，金刚石粒度100/120。热压温度740℃～780℃，压力3Pa，保温4min。抗折强度测定设备为GHT-4504多功能电子试验机。热压节块经过盐酸和硝酸处理后将金刚石提纯出来，进行形貌观察。

3 实验结果与分析

在保持总铁含量不变时，热压温度760℃时，变化还原铁粉末与铸铁粉末比例，其实验数据如表1。

表1 铸铁含量不同时对节块试样性能的影响

从表1中发现，760℃热压时，铸铁成分含量增加时，在10%比例之内，可以提高结合剂的硬度，超过比例15%后，硬度将稍有下降，但下降幅度很小。而对强度的影响则随铸铁含量的增加却不断下降。表2为不同铸铁含量时加金刚石前后结合剂硬度和强度下降的程度比较。

表2 含金刚石时试样硬度与强度变化比较

*HRB1、σbb1分别为没有金刚石时试样的硬度与强度；HRB2、σbb2分别为加入金刚石后试样的硬度与强度。

表2中反映出加入铸铁粉末前后，对铁基结合剂硬度的变化几乎没有影响，对抗折强度的变化要比还原铁粉时导致的强度下降幅度小。这说明铸铁粉的加入对金刚石的把持能力还是提高了。

铸铁粉的使用对工艺参数的影响进行三个温度的试验，其实验结果如图1、图2。图1为铸铁比例为10%时的实验情况，图2是铸件比例为30%时的硬度与强度情况。

图1 10%的铸铁含量在不同的温度下对强度和硬度的影响Fig.1 Effect of 10% cast iron on strength and hardness in different temperature

图2 30%的铸铁含量在不同的温度下对强度和硬度的影响Fig.2 Effect of 30% cast iron on strength and hardness in different temperature

从图1图2中可以看出，当铸铁粉含量10%时，温度提高将不利于硬度和强度的提高，但对于30%铸铁粉含量时，提高热压温度将有助于强度的提高。而两种成分随温度变化时硬度的变化则基本相似。

金刚石工具的寿命在一定程度上大大取决于结合剂对金刚石的结合力高低，结合力实际上是表面结合的作用[3-4]。为了研究铁基结合剂对金刚石的表面作用，对实验后的金刚石表面进行了形貌观察，见图3、图4。图3为在无铸铁粉成分存在时铁基结合剂节块热压后，经酸处理后不同倍数下金刚石磨料表面的微观形貌。很明显，金刚石失去了原始的光滑表面，出现了蜂窝状的表面层，说明铁金属成分对金刚石表面产生了明显的侵蚀[5-6]。

图4 有铸铁成分(30%wt)时金刚石表面与结合面形貌Fig.4 The diamond surface and bonding surface between diamond and binder with cast iron (30%wt)

当结合剂中将部分铁粉更换为铸铁粉时，同样热压工艺下，金刚石的表面形貌如图4。图中反映了铸铁粉的加入并不能克服铁元素对金刚石的侵蚀，但从图4发现，铁对金刚石的侵蚀程度有所减低，表面侵蚀层深度较薄，图5脱落坑中残留的金属结合剂触角也可以反映出同样的问题。这在一定程度上也解释了加入铸铁粉末后节块强度下降幅度比纯铁结合剂小的结果。

图5 金刚石脱落留下的坑洞表面形貌(×10000)Fig.5 Hole surface formed by diamond shedding

4 结论

(1)用铸铁粉末代替还原铁粉，可以提高结合剂的抗折强度并提高与金刚石的结合力；

(2)铸铁成分含量越高，适宜的热压烧结温度也应提高；

(3)无论是铁基还是铸铁基结合剂，对金刚石均有侵蚀现象，但铸铁结合剂侵蚀程度较铁基低。