氧含量对金刚石工具胎体力学性能的影响

俘 掳 钎焊专题
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氧 含 量 对 金 刚 石钎 焊 材料 与技 术 国家重 点 实验 室（４５０００１）
丁天然 龙 伟 民 张海 燕 马 力 张冠 星
摘要 采用粉末冶金方法制备 了铁基胎体 的金 刚石工具 ，通过检测材料 的硬 度 、抗 弯强度 、抗 剪强度等 力学性 能考察 了不 同氧含量对连接强度 的影 响。结果表 明 ，随着氧含量 的降低 ，烧结基体 的硬 度 、抗 弯强 度和抗剪 强度等 力学性能 明显增强 。当氧含量小 于 ｏ．０２％ 时，胎体断 口致密化程度很高 ，力学 性能可达到最佳。
目前 ，制 约 中 国超 硬 材 料 工 具 行 业 发 展 的瓶 颈 之 一 是 工具 材 料 和 烧 结 制备 工 艺技 术 ，尤 其 是 粉 末 材 料 的质量状态。而金属粉末 的氧含量对烧结基体颗粒 间 的界 面结 合强 度 、基体 的致 密 化 程 度 、钎料 对 金 刚 石 的 润湿 及 把持 力 等 性 能 有 显 著 影 响 ，进 而 影 响 基 体 的综 合力学性能 ，影 响工具 的使用 效率和寿命。文中通 过 在 铁基 胎体 中加 入不 同 氧含 量 的预 合 金 粉末 压 制 刀 头 来 考察 胎体 性 能 的变 化 ，从 而 准 确 获 得 氧 含 量 对 铁 基 金 刚石 工具 胎体 性能 的影 响 ¨－６］。
关 键 词 ： 氧 含 量 烧 结 基 体 连 接 强 度 中 图分 类 号 ： ＴＧ４２５
０ 前 言
在金 刚石 制 品 的 使用 过 程 中 ，金 刚石 的利 用 率 非 常低 ，这是 因 为刀头 中 的金 刚石 并 非 磨损 失 效 ，而 是 以 脱 落 的形式 大量 流失 。采用 粉 状 钎料 作 为 预合 金 粉 末 实现 对金 刚石 的扩 散 连 接 ，是 提 高金 刚石 与 胎 体 结 合 力 的有效 途径 。由于预 合金 粉 末 是 预先 熔 炼 成合 金 再 制成 的粉末 ，因 此 每 个 粉末 颗 粒 中都 包 含 了 组 成 合 金 粉末 的各 种金 属元 素 ，这 就 比机 械 混合 多 种 单 一 金 属 粉末 要均 匀得 多 ，使 用性 能也 稳定 得 多 。
粉末氧含量的高低对金属结合剂金 刚石工具 的性 能有着十分重要 的影响 ，直接决定 着胎体致 密度 、硬 度 、抗剪 强度 、胎 体对金 刚 石 的把 持 力 以及 耐 磨性 等 一 系列性 能指 标 。 ２．１ 氧含量对烧结胎体硬度的影响
图 ｌ为氧含量不同的预合金粉末对烧结胎体硬度 的影 响 曲线 。从 图 １中可 以 看 出 ，在 烧 结 条 件 相 同 的
１ 试 验 方案
选定一组优化过 的预合 金体系配方 ，采 取相同的 烧结工艺制备４０ ｍｍ×８ ｍｉｎ×３．２ １Ｔｌｌ＇ ｎ抗弯试样 ，采用氧 氮氢联测仪测试挑选出 ５组氧含量在 ０．０２％ 一０．３％范 围内的预合金粉末胎体 ，测试 不同氧含量胎体试样 的
收 稿 日期 ：２０１２—１２—１０
该 试验 使用 的仪 器有 混 料 机 、氧 氮氢 联 测仪 、热压 机 、洛 氏硬 度计 、万能 试验 机 。 １．３ 试 样 制备
将 制 备好 的预合 金粉 与铁 基胎 体 粉 末分 别 放 人混 料机 中混 合 ９０ ｍｉｎ；混 合均 匀后 分 别 放人 专 用 容 器 中 ， 做好 标识 备用
大 ，界 面结 合 力 增 强 。低 熔 点 合 金 能 很 好 地 润 湿 其 它 金 属颗 粒而 不 会 外 流 ，从 而 有 效 地 发 挥 了其 在 胎 体 中 的作用 。
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＜Ｏ．０２ Ｏ．Ｏ２～０．０８ ０．Ｏ８一Ｏ．２ ０．２～０．３ ＞Ｏ．３
氧 含 量 （％ ）
图 ２ 不同氧含量对烧结胎体 抗弯强度的影响
将混 合好 的 胎 体 原 料 分 别 装 入 石 墨 模 具 ，在 相 同 的烧 结工 艺条 件下 放入 热压机 中进 行烧 结 ，制 备４０ ｍｍ ×８ ｍｍ ×３．２ ｍｍ抗 弯试样 ，测 试不 同氧含 量 下试 样 的 硬 度 、抗 弯强 度及抗 剪强 度 等力学 性能 。
２ 试 验结 果及讨 论
４２ ２０１３年第 １期
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情况下 ，随着氧含量 的降低 ，胎体硬度有 升高 的趋势 ， 但不 是 特别 显 著 。从 试 验 结 果 得 知 ，当 粉 末 中 的氧 含 量大于 ０．０８％时，胎体硬度变化不大 ，当粉末 中的氧含 量小 于 ０．０８％ 时 ，胎 体硬度 上 升 明显 ，特别 是 当氧含 量 降到０．０２％以下时，胎体硬度达到了 ＨＲＢ１１０。这是 因 为 当粉末 中氧 含量 过 高 时 ，粉 末 颗 粒 由 于被 氧 化 膜 包 裹 ，彼 此 间结合 能 力很 差 ，所 以硬度 较 低 。并 且 低 熔 点 金属对其它金属颗 粒的润湿性也 很差 ，造成颗 粒之 间 相 互排 斥 ，使 液 相 从 烧 结 体 中流 出 ，烧 结 不 会 被 强 化 ， 从而影 响 了烧 结基体 的力学性 能。随着氧含 量 的降 低 ，烧结基体的硬度 明显升高 ，说 明颗粒间的界面结合 力 得到 提 高 ，致 密化 程度 上 升 。
硬 度 、抗 弯强 度 和抗剪 强 度 ，用 扫 描 电镜 对 断 口进行 扫 描 ，观察 并分 析显 微组 织 ，研究 出氧 含 量对 预 合 金粉 胎 体 力学 性能及 微 观组织 的影 响 。 １．１ 原 材料
制 备铁 基 胎 体 的原 材 料 有 Ｆｅ粉 、ｃｕ粉 、ｓｎ粉 、ｚｎ 粉 及郑 州机 械 研 究 所 自主研 发 的某 牌 号 预合 金 粉 ，粒 度 均小 于 ７５ ｍ。 １．２ 试 验设 备