P元素加入形式对铁基金刚石工具胎体组织性能的影响

800
烧结温度 T/°C
600
400
200
0 0
Tmax = 760 °C Tmax = 800 °C Tmax = 840 °C
100 200 300 400 500 600 烧结时间 t/s
图 1 烧结胎体的热压工艺曲线 Fig. 1 Process curve of sintered matrix
表 2 混合粉成分 (质量分数，%) Table 2 Compositions of mixed powder
粉末名称
CuP混合粉
FeP混合粉
FeP24预合金粉
—
3.3
CuP8预合金粉
10
—
还原铁粉
90
87.5
பைடு நூலகம்
电解铜粉
—
9.2
使用热压烧结机将混合粉压制成胎体合金块， 烧结压力 30 MPa，烧结时间 3 min，最高烧结温度 分别为 760，800，840 ℃. 烧结工艺曲线如图 1 所示.
相比于钴基，铁基胎体金刚石工具在制造过程 中存在着烧结温度高、可控工艺范围窄、易热侵蚀 金刚石、把持力弱、易氧化失效等问题[11-13]. 大量研 究表明，向胎体中加入 P 元素可有效降低胎体烧结 温度，提高胎体强度、硬度和耐磨性，增强胎体对金 刚石的把持力，优化金刚石工具的自锐性.
单质磷的熔点远低于烧结温度，在烧结过程中
cteristics of pre-alloyed powder
粉末
名义化学成分w(%)
Fe
Cu
P
粒度特性d/μm (0.5) (0.9)
FeP24预合金粉
76
—
CuP8预合金粉
—
92
还原铁粉
100 —
电解铜粉
— 100
24 14.312 31.885 8 31.528 80.127 — 60.796 109.784 — 41.261 100.906
2 试验结果与分析
2.1 胎体组织分析 根据 Fe-P 相图、Cu-P 相图可知[13]，CuP8 预合
金粉固相线为 714 ℃，主要由富铜相 (Cu) 和 Cu3P 化合物相组成；FeP24 预合金粉固相线为 1 262 ℃， 主要由 FeP，Fe2P 化合物组成. 目前工业生产中采
1 试验方法
试验所用原料包括还原铁粉、电解铜粉、自制 的 CuP8 预合金粉和河南颖川新材料科技有限公司 生产的 FeP24 预合金粉. 其化学成分及粒度特征如 表 1 所示，其中，粒度特性采用 MALVERN MS2000 型激光粒度仪进行测试.
表 1 预合金粉化学成分及粒度特性 Table 1 Chemical compositions and particlechara-
收稿日期：2017 − 05 − 04 基金项目：国家国际科技合作计划资助项目 (2015DFA50470)
会强烈挥发，因此通常以 CuP8，FeP24 预合金粉的 形式向铁基胎体中加入 P 元素[14-15]. 而铁基胎体的 烧结温度 (800 ℃) 正好处于两种预合金粉固相线 之间，这就可能使烧结后预合金粉的形态、磷化合 物的分散度以及胎体的组织和性能产生差异. 文中 旨在通过研究 P 元素的加入形式对铁基金刚石工 具胎体组织性能的影响，为含磷预合金粉在金刚石 工具中的选用提供更多的数据支撑.
压制成的烧结胎体打磨掉氧化皮后，采用洛氏 硬度计测量硬度，利用阿基米德原理测试密度[16]， 采用 MTS C45.105 万能材料试验机根据标准 GB/ T232—2010《金属材料弯曲试验方法》测试抗弯 强度. 利用 Phenom XL 扫描电镜 (SEM) 观察胎体 组织，并使用其附带的能谱分析 (EDS) 测试元素分 布情况.
溶体 (Cu)、Fe3C 化合物组成，加入 FeP24 的烧结胎体中还存在 Fe2P 和 FeP 化合物. P 元素加入形式对胎体性能影 响显著，向胎体中加入 CuP8，P 元素几乎全部脱离 CuP8 进入铁基体，相比于加入 FeP24 的胎体，P 元素分布更均
匀，胎体硬度、抗弯强度等性能指标均有提高. FeP24 在热压过程中会产生微裂纹，这些微裂纹可能成为基体的裂
第 39 卷 第 11 期
焊接学报
Vol.39(11):069 − 072, 107
2 0 1 8 年 1 1 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
November 2018
P 元素加入形式对铁基金刚石工具胎体 组织性能的影响
薛弘宇， 于新泉， 纠永涛， 钟素娟
(郑州机械研究所有限公司 新型钎焊材料及技术国家重点试验室，郑州 450001)
摘 要： 以常用的 CuP8，FeP24 两种预合金粉作为研究对象，运用 SEM，EDS，硬度和抗弯强度等研究分析手段，研
究了以不同形式加入 P 元素对铁基金刚石工具胎体组织性能的影响. 结果表明，烧结后胎体组织由 α-Fe、含铁固
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焊接学报
第 39 卷
为确保试验具备参照性，以混合后粉末中各元 素质量分数相同为原则，将几种粉体按一定比例混 合，制成两种混合粉末，在此分别命名“CuP 混合粉”和 “FeP 混合粉”. 两种混合粉均含 90% Fe，9.2% Cu 和 0.8% P. 混合方式如表 2 所示. 利用混合粉热压烧结 的烧结胎体分别命名为“CuP 粉胎体”，“FeP 粉胎体”.
纹源而降低胎体的抗弯强度. 因此，选用 CuP8 预合金粉更有利于获得高性能铁基金刚石工具胎体.
关键词： P 元素；预合金粉；加入形式；胎体组织性能
中图分类号：TG 425
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2018390275
0 序 言
金刚石工具锋利度高、硬度高、耐磨性强，已在 建筑、汽车、地质、机械、电子、冶金、陶瓷等行业得 到广泛应用[1-3]，也是研究的热点问题[4-7]. 目前市面 上常见的金属基金刚石工具，根据其胎体主要成分 的可分大致为钴基、铁基、铜基三种[8]. 钴基胎体具 备优良的红硬性、包镶能力、自锐性，综合性能最 好. 但钴是战略稀缺资源，昂贵且波动较大的价格 使钴在金刚石工具中的使用受到很大限制. Fe 与 Co 属于同族元素，具有相似的晶体结构和性能，但 价格低的多，以铁代钴降低成本一直是金刚石工具 发展的趋势. 铁基胎体金刚石工具与烧结温度更 低、压延成形性更好但机械性能较差的铜基金刚石 工具构成了一个廉价的金刚石工具系列[9-10].