铁基代钴预合金粉末的制备及烧结性能研究

铁基代钴预合金粉末的制备及烧结性能研究

0铁基金刚石工具在金属基钻石工具中，钴基胎儿的完整性最好，在高温下具有良好的硬度，具有良好的耐性和选择性。但由于钴是重要的战略稀缺资源,价格昂贵且波动较大,钴在金刚石工具中的使用受到很大限制,开发、使用无钴或低钴配方,一直是近年来金刚石工具发展的趋势之一。铁与钴属于同族元素,具有相似的晶体结构和性能,且其金属粉末价格较低廉,因此国内外金刚石工具生产企业一直在研究开发以铁基代钴基的途径,以取得更好的经济效益。但铁粉活性很大,极易吸附空气中的水蒸气而氧化失效,进而影响烧结质量,且铁基胎体烧结温度高、可控工艺范围窄,对烧结温度的要求严格。这就是铁基金刚石锯片容易产生金刚石掉粒、锯片寿命短、切割效率差难以推广应用的主要原因。针对以上问题,提出采用超细化、预合金化的方法制备铁基代钴预合金粉末,利用超细预合金粉末具有的烧结温度低、烧结温度范围宽等特点,调整胎体的机械性能。本文以自行研制的铁基预合金粉末为基础,研究胎体粉末预合金化对胎体烧结性能的影响。1试样的制备与硬度试验中使用的粉末性能见于表1。表中,Y-1为预合金粉末,H-1为与Y-1成分相同、粒度相近的单质混合粉末。其中,表1中的混合粉末所使用的各单质粉末性能指标见于表2。预合金粉末形貌见于图1。将准备好的粉末在SMVB60型真空热压烧结机上制备40mm×8mm×3.2mm的试样,热压工艺为压力300MPa,保温时间为3min,烧结温度分别为650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃。将胎体试样的硬度在HR-150A洛氏硬度计上测定,抗弯强度采用三点弯曲法在LD-508型电子式拉力试验机测定。采用阿基米德法测定试样的密度。2烧结温度对预合金粉末y-1、混合粉末h-1的影响Y-1和H-1烧结后HRB、三点抗弯强度与烧结温度关系曲线分别见于图2、图3。由图中可见,在试验的温度范围内,预合金粉末Y-1制备的胎体的硬度在750℃最高,为106HRB,随后随着温度的升高而降低;混合粉末H-1的硬度随着温度升高而升高,在900℃达到最大值,为98HRB。预合金粉末Y-1胎体抗弯强度也随着温度的升高而升高,在650℃～850℃,抗弯强度增加不大,在850℃～900℃,抗弯强度由582MPa提高到853MPa;混合粉末H-1的抗弯强度随着温度的升高先升高,在700℃达到最大值,为1100MPa,随后抗弯强度开始降低。在相同的烧结温度下,预合金粉末Y-1的抗弯强度低于混合粉末H-1。对比预合金粉末和混合粉末,预合金粉末烧结的胎体颗粒较细,粉末粒度分布窄,成分均匀,不同元素之间已经发生一定程度的预合金化;对于混合粉末,可以明显观察到,低温时,烧结体中Fe、Cu、Co各元素界线清晰,互相之间没有明显的溶解,粉末颗粒之间较难发生扩散合金化,且颗粒较大,不同粉末之间存在一定粒度差别。因此,预合金粉末相对于单质混合粉末达到相同的合金均匀化程度所需的时间将缩短,因为这时扩散路程缩短,并可减少要迁移的原子数量。因此在相同的烧结温度下,预合金粉末的硬度显著高于混合粉末。3.2烧结温度对预合金粉末烧结体性能的影响胎体的三点弯曲强度的影响因素有许多,但胎体的致密化程度和合金均匀化程度是其两个主要因素。图6为Y-1、H-1两种粉末的相对烧结密度与烧结温度的关系曲线图。由图6可见,当烧结温度低于800℃时,混合粉末H-1的相对烧结密度在92%以上,显著高于相同温度下的预合金粉末Y-1的相对烧结密度。随着温度的升高,粉末的相对烧结密度增加。烧结温度高于800℃,各粉末的相对烧结密度都达到98%～99%。对于粒度相近,不同制备工艺得到的粉末,由于混合粉末是由单质粉末混合制得,粉末间的颗粒尺寸及粉末形貌差别较大,粒度分布范围宽,粗颗粒间的大孔隙可被一部分细颗粒所填充,相对致密度高;而预合金粉末的各组元已经预合金化,粉末粒度细且分布范围窄,颗粒间由于黏附产生搭桥,使孔隙度提高,同时由图1可见,预合金粉末形貌为蓬松多孔状,粉末颗粒也存在一定孔隙。在热压烧结工艺中,当烧结温度较低时(<800℃),由于烧结保温时间短(3min),烧结反应进行不彻底,这时在压力的作用下,混合粉末中细颗粒进一步填充到粗颗粒间的大孔隙,利于颗粒间的初期扩散,烧结致密化程度相对高于预合金粉末烧结体。在这个温度范围内,混合粉末的抗弯强度高于预合金粉末。在烧结温度较高时(>800℃),升温时间得到延长,即可认为相应的延长了烧结时间,此时,粉末的致密化程度加大,烧结过程已大致完成,胎体的合金化均匀程度对胎体抗弯强度起主导作用。而预合金粉末相对于单质混合粉末达到相同的合金均匀化程度所需的时间将缩短,因为这时扩散路程缩短,并可减少要迁移的原子数量。因此在此温度范围内,预合金粉末烧结体的抗弯强度有显著升高。对于混合粉末,由于烧结温度提高,胎体的致密化程度增加,胎体的抗弯强度得到提高。当温度达到该粉末最优烧结温度后,随着温度的进一步增加,粉末的致密化程度已达到最大,此时,温度的升高,会造成粉末中晶粒的长大,晶界减少,导致烧结体强度下降。在较高的烧结温度,预合金粉末烧结体的抗弯强度仍稍低于混合粉末,可以认为主要是受粉末中氧含量的影响。由于预合金粉末采用湿法共沉淀工艺制备,由于还原条件等工艺原因,粉末的氧含量高于混合粉末,导致胎体抗弯强度低,脆性大。4预合金粉末与混合粉末胎体的匹配性(1)预合金粉末在750℃即可得到高的烧结硬度,为106HRB,在较宽的温度范围内,硬度值变化小于4HRB,有利于工具生产企业通过添加其他粉末,改善胎体性能;相同组分的混合粉末的烧结硬度在94HRB～98HRB。(2)烧结温度低于800℃,预合金粉末的胎体抗弯强度低于混合粉末,随着烧结温度的升高,混合粉末胎体的抗弯强度降低,而预合金粉末胎体的抗弯强度有显著提高,二者差距减小。(3)预合金粉末最优的烧结温度区间为750℃～850℃,在这个范围内,可以得到硬度和抗弯强度匹配性较好的胎体。图4、图5分别为Y-1、H-1在不同温度下烧结的金相组织照片。同种材料的硬度主要由胎体的合金化程度和元素的均匀程度决定。由图4和5中可以看到,对于预合金粉末,由于其粒度较细,粉末比表面积发达,烧结反应活性高,同时在制备过程中,预合金粉末已经发生了一定程度的预合金化,这都有利于其在较低的烧结温度下获得较好的烧结性能;在800℃以下时,随着温度的升高,烧结体的孔隙度逐渐减小,烧结体的硬度升高。温度达到该粉末最优烧结温度后,随着温度的进一步增加,粉末的致密化程度已达到最大,此时,温度的继续升高,会造成粉末中晶粒的长大,颗粒增大,烧结体的硬度降低。3分析与讨论的结果3.1烧结温度对wc通过相同组分的预合金粉末和混合粉末对比实验可以发现,在相同的烧结温度下,预合金粉末的HRB硬度显著高于混合粉末;预合金粉末在烧结温度为750℃时硬度达到最大值,随后随着温度的升高,硬度有所降低;混合粉末的硬度在整个烧结温度范围内均随着温度的升高而升高。图4、图5分别为Y-1、H-1在不同温度下烧结的金相组织照片。同种材料的硬度主要由胎体的合金化程度和元素的均匀程度决定。由图4和5中可以看到,对于预合金粉末,由于其粒度较细,粉末比表面积发达,烧结反应活性高,同时在制备过程中,