粉末冶金Fe基孕镶金刚石刀头的热处理强化.pdf

第 3 O卷第 4期 2 0 1 2年 8月 粉 末冶 金技术 Po wd e r M e t al l ur gy Te c hn ol og y Vo 1 ．3 0，No ． 4 Au g ． 2 01 2 图 粉 末 冶 金 Fe 基 孕 镶 金 刚 石 刀 头 的热处理强化 董洪峰 一 路 阳 李文生 张 杰 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料 国家重点实验室 ， 兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要 采用真空热压烧结制备 F e 基胎体及其孕镶金 刚石刀头 ， 研究 固溶 、 连续 时效 和分级时效 热处理对 胎体组织和性能的影响 ， 利用 颗粒增强 复合材 料弹性力 学公式计 算不 同热 处理条 件下 胎体 对金 刚石的机 械 包镶力 ， 通过石材切割试 验机测试 F e 基 孕镶金 刚石刀头 的锯切性 能。结果表 明 热处 理促 进 了胎 体元 素扩 散 ， 提高了热压烧结 F e 基胎体及其孕镶金刚石刀头的性能 ； 与连续 时效相 比， 分级时效对 固溶处理胎体 和刀 头 的性 能提 高较 大。 关键词 F e 基胎体 ； 固溶处理 ； 时效处理 ； 机 械包镶力 ； 刀头性能 He a t t r e a t me n t s t r e ng t h e ni ng o f P／ M i r o n b a s e d i m p r e g na t e d di a m o nd s e g m e n t Do n g Ho n g f e n g，Lu Ya n g，Li W e n s h e n g，Zh a n g J i e S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ga n s u Ad v a n c e d N o n f e r r o u s Me t a l Ma t e r i a l s ，L a n z h o u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i n a Abs t r ac tI r o n ba s e d ma t r i x a n d i mpr e g na t e d di a mo n d s e g me n t we r e f a b r i c a t e d b y ho t p r e s s i ng，a n d t he e f f e c t o f s o l i d s o l ut i o n，c o n t i n uo u s a nd g r a d i n g a g e i n g t r e a t me n t t e c h no l o g y o n mi c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f ma t r i x wa s d i s c us s e d．Th e me c ha n i c a l r e t e n t i o n i n d i f f e r e n t t r e a t me n t t e c h no l o g y wa s s t u di e d by i n t e rfa c e t h e o ry f o r p a r t i c l e r e i nf o r c e d c o mpo s i t e ma t e r i a 1 ．I n a d di t i o n，s t o ne s a wi n g t e s t e r wa s u s e d t o de t e r mi ne t h e s a wi ng pe rfo rm a n c e o f i r o n ba s e d i mpr e g na t e d di a mo n d s e g me nt ．The r e s u l t s s ho w t ha t h e a t t r e a t me nt s p r o mo t e e l e me n t s di f f u s i o n o f ma t r i x a n d e nh a n c e t h e p r o pe r t i e s o f m a t r i x a nd s e g me nt ． Co m p a r e d wi t h c o nt i nu o u s ag e i n g，t he pr o pe rti e s o f ma t rix a n d s e g m e n t for s o l i d s o l ut i on t r e a t me n t a r e mo r e i mpr o v e d b y g r a d e d a g e i ng ． Ke y wor dsi r o n ba s e d ma t r i x；s o l i d s o l u t i o n；a g e i n g；me c h a ni c a l r e t e n t i o n；pe rfo rm a n c e o f s e g me n t F e 基 孕 镶 金 刚 石 锯 片 由于锋 利 、 近 净 成 形 性 、 制备 成本低 等 特点被 广泛 用于 加 工石材 、 陶瓷 、 半导 体 等脆 硬材 料 。金 刚石 刀 头 如 图 1所 示 作 为 锯片的切削部分 ， 其金刚石磨粒 的脱落率决定工具 的切削性能 ， 而磨粒脱落率受包镶金刚石的胎体性 能制 约 。 近 年来 ， F e基 孕镶金 刚石 刀 头 主要 采用 热压 烧 结 、 冷压 烧 结 、 热 等 静 压 等 粉 末 冶 金 方 法 制 备 ’ ， 但 由于上述方法工艺时间短 以及材料制备过程中粉 末一次成形 ， 导致元素扩散不充分 ， 使刀头的胎体性 能较 差 。国 内 外 学 者 ’ 试 图 通 过 对 粉 末 冶 金 材 料进行热处理强化来提高其性能 ， 但 是关于金刚石 刀 头 的热处理 强化 方面 的研究 鲜 有报道 。 为克 服 粉 末 冶 金 孕 镶 金 刚石 刀 头 的 胎 体 性 能 差 、 切削效率低等缺点 ， 尝试对真空热压烧结工艺制 备 的 F e基胎 体及 其孕 镶金 刚石 刀头 进行 固溶 、 连续 甘肃 省科技 支撑计 划资助项 目 0 9 0 G K C A 0 5 0 }董洪峰 1 9 8 5一 ， 男 ， 博士研究生。E m a i l d o n g h o n g f e n g 1 6 3 ． C O B 收稿 日期 2 0 1 1 1 11 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 4期 董洪峰等 粉末 冶金 F e 基孕镶 金刚石刀头的热处理强化 2 8 9 时效 和分 级 时效热 处 理 ， 并 就热 处 理 工 艺 对 胎 体 性 能和刀头切削性能的影响进行了研究 。 图 1 F e 基孕镶金 刚石锯片示意图 Fi g ．1 Sc he ma t i c di a g r a m o f i r o n b a s e d i mpr e g n a t e d d i a mo n d s a w- b l a d e 1 试验 1 ． 1 试样 制 备 F e基 孕镶 金 刚石 刀 头 的 成 分 如 表 1所 示 。按 表 1成分 称 取粉 末 ， 其 中 F e粉 、 s n粉 和 C o ． c r ． C预 合金粉为气雾化粉 ， 平均粒度 5 3 m； C u粉 和 N i 粉 为电解粉 ， 平均粒度 4 8 m； 金刚石磨 粒选用平均粒 度 4 0 0 p , m 的 M B D 型人造金 刚石 。在三维涡 流混 料机 T D - 2 中混合 1 ． 5 h 。混合粉末装模并在真空 热压 烧结 机 R Y J - 2 0 0 0 Z 中烧 结 成 形 ， 试 样 随 炉 冷 却 ， 试样尺寸为 4 0 mm8 ra m 7 m m。烧结工艺为 烧 结 温 度 7 0 0 C， 烧 结 压 力 2 0 MP a ， 保 温 时 间 7 ． 5 mi n 。烧结 试样 先进行 7 6 0 C4 ． 5 h固溶 处理 空气淬火 ， 然后分别进行 6 0 0 C 7 ． O h连续 时效 和先 5 0 0 ℃ 3 ． 5 h后 6 0 0 o C 3 ． 5 h分 级 时 效 处 理 水淬 。 表 1 F e 基孕镶金 刚石刀头成分 质量分数 Ta b l e 1 Co mpo s i t i o n o f i r o n - b a s e d i mpr e g na t e d d i a mo n d s e g me n t ma s s ％ F e c u C o C r c N i S n 金刚石 S． 0 ～7 3 ． 0 1 R ． 0 ～2 2 n 0 ～R 0 2 n 一4． 0 n～R 0 2 5 1 ． 2性 能及 结构 分 析 采用 HB R V U ． 1 8 7 ． 5型布 氏硬 度计 、 A G ． 1 0 T A 型万能力学试验机和 D I IM0 2 P C型电子膨胀仪分别 测定胎体硬度 、 抗弯强度及线膨胀系数。采用 J S M- 6 7 0 0 F场发射 扫描 电子显 微镜、 带 WD S波谱 仪 的 E P MA - 1 6 0 0电子探针和 R i g a k u D ／ M a x ． 2 4 0 0 X射线 衍射仪 C u ． K 0 【 辐射 ， A 1 ． 5 4 A 分别对试样进行 表 面形貌 观察 、 微 区成分 分析 以及 物相分 析 。 1 ． 3 机 械 包镶 力计 算 刀头冷却时 ， 胎体收缩使金刚石表面产生压应 力 ， 即机械 包镶 力 。机 械 包 镶 力 的 大小 可 用 颗 粒 增强复合材料的弹性力学公式计算 ／ ．s 2 ／ S 1 E 11 ／ E 2 1 式 中 E 、 E 分别是金刚石颗粒和胎体 的弹性 模量 ， G P a ； S 、 S 分别是金 刚石颗粒 和胎体 的半径 ， mm； 是胎体对金刚石的过盈收缩形变率 。 采用 3点弯曲试验测量胎体的弹性模量 E 2P ⋯ L ／ 4 8 f i 2 式 中 P ⋯ 是加 于试 样 的 中点 载 荷 ， N； L为试 样 的受载跨距 ， m m 是试样的中点挠度 ， m m； ， 是试样 惯性 矩 。 ， b h ／ 1 2 3 式 中 b 、 h分 别是 试样 的宽度 和 高度 ， IT l m。 1 ． 4锯切 性 能测试 试 验 以 6 0 0 m m 的 F e基 金 刚石 圆锯 片 为研 究 对象 ， 在 T L J Q - 6 0 0型石材切割试验机上进行切割试 验。试验参数为 主轴转速 2 O 0 0 r ／ m i n ， 切削深度 a 。 0 ． 0 2 ram， 工作台进给速度 t ， f 8 3 m m ／ m i n 。 2 结 果 2 ． 1 胎体 的力学 性 能 表 2为不 同热处理条件下胎体的硬度和抗弯强 度。相 比热压烧结试样 ， 固溶处理后胎体硬度增大 1 1 9 ． 0 ％ ， 抗弯强度增大 8 1 ． 7 ％ ； 连续时效后胎体硬 度增大 1 1 7 ． O ％ ， 抗弯强度增大 7 4 ． 2 ％； 分级时效后 胎体硬度增大 1 2 9 ． 0 ％ ， 抗弯强度增大 1 3 5 ． O ％。 表 2 胎体硬度和抗 弯强度 Ta b l e 2 Ha r dn e s s a n d b e n di n g s t r e n g t h o f ma t r i x 2 ． 2 胎 体 的线膨 胀 系数 表 3为进行不同热处理后胎体在 2 5 ℃和 7 0 0 C 下 的线膨胀 系数。可见 ， 分级时效 处理后 的胎体在 2 5 ℃和 7 0 0 c lC 下 的线膨胀系数差值最大。 ． 2 ． 3胎体 的机械 包 镶力 式 1 中 ， 金刚 石的 弹性模 量 E 。 1 0 5 0 G P a ， 将 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 1 2 粉末冶金技术 2 0 1 2年 8月 b y v a p o r p ha s e r e a c t i o nⅢ．s y n t h e s i s o f t u n g s t e n c a r b i d e p o wd e rs b y W CI 6 ／C 2 H4 ／H2 s y s t e m． J o u r n a l o f t h e Ko r e a n I n s t i t u t e o f M e t a l s ， 1 9 9 1 ， 2 9 7 6 5 9 6 6 4 [ 2 7 ]S o o - S i k K i m，Ha n S a m K i m．P r e p a r a t i o n o f fi n e c a r b i d e p o w d e rs b y v a p o r p h a s e rea c t i o n1 V．s y n t h e s i s o f t u n g s t e n c a r b i d e p o wd e r s b y W CI 6 ／C CI 4 ／ H2 s y s t e m． J o u rna l o f t h e Ko r e a n I n s t i t u t e o f Me t als ，1 9 9 2 ， 3 0 9 1 1 4 41 1 4 9 [ 2 8 ]C h e n L， G o t o T， H i r a i T ．P r e p a r a t i o n o f S i C - W2 C n a n o c o m p o s i t e p o wd e r s b y c h e mi c a l v a p o u r d e p o s i t i o n o f t h e S i ll4 ／ CH4 ／ W F 6 ／ H2 s y s t e m ．J o u r n a l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ， 1 9 9 3 ， 2 8 2 0 5 5 4 3 5 5 4 7 [ 2 9 ]Wo n C W，C h u n B S ， S o h n H Y ．P r e p a r a t i o n o f u l t r a f i n e t u n g s t e n c a r b i d e p o wd e r b y C VD me tho d f r o m W C1 6 ／ C2 H2 ／ H2 mi x t u r e s ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s R e s e a r c h ，1 9 9 3， 8 1 0 2 7 0 22 7 0 8 [ 3 O ]T a n g x，H a u b n e r R，L u x B，e t a 1 ．P r e p a r a t i o n o f u l t r a _f i n e C V D WC p o wd e r s d e p o s i t e d f r o m W C I 6 g a s mi x t u r e s ． J o urna l d e P h y s i q u e ， 1 9 9 5， 5 6 1 0 1 31 0 2 0 [ 3 1 ]I s h i z a k i K，E g a s h ir a T，T a n a k a K，e t a 1 ．D i r e c t p r o d u c t i o n o f u l t r a fi n e n i t fi d e s S i 3 N 4 a n d A 1 Na n d c a r b i d e s S i C，WC a n d T i C p o w d e r s b y t h e a r c p l a s m a m e t h o d ． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ，1 9 8 9， 2 4 1 0 3 5 5 33 5 5 9 [ 3 2]K a m e y a ma T， T s u n o d a T， Mo t o e A， e t a 1 ．P rep a r a t i o n o f u h r a f i n e W Cl 一 p o wd e r i n a RF t h e r ma l p l a s ma a n d i t s p rop e rti e s ． J o u r n a l o f t h e J a p a n S o c i e t y o f P o wd e r a n d P o wd e r Me t a l l u r g y，1 9 91，3 8 2 1 0 91 1 3 [ 3 3]J i a n g X L ，G i t z h o f e r F， B o u l o s M I ， e t a 1 ．R e a c t i v e d e p o s i t i o n o f t u n g s t e n a n d t i t a n i u m c a r b i d e s b y i n d u c t i o n p l a s ma ． J o u rna l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ，1 9 9 5， 3 0 9 2 3 2 5 2 3 2 9 [ 3 4]孙彦平 ，展红全 ， 王俊文 ， 等 ．气化合成碳化钨纳米微晶的制 备方法 ．Z L 2 0 0 4 1 0 0 1 2 3 3 9 ． X， 2 0 0 6 ， 8 [ 3 5 ]李继 刚，吴希俊 ， 谭洪波 ，等 ．纳米碳 化钨粉 的制备及其热稳 定性研究 ．稀有金属材料 与工程 ， 2 0 0 4 ， 3 3 7 7 3 6 7 3 9 [ 3 6 ]Ki m J ， K i m B ．S y n t h e s i s o f n a n o s i z e d t u n g s t e n c a r b i d e p o w d e r b y t h e c h e mi c al v a p o r c o n d e n s a t i o n p r o c e s s ． Sc ri p t a Ma t e r iali a， 2 00 4，5 09 6 99 7 2 [ 3 7]Ga o L ，K e a r B ． S y n t h e s i s o f n a n o p h a s e WC p o w d e r b y a d i s p l a c e me n t r e a c t i o n p r o c e s s ． Na n o s t r u c t u r e d Ma t e ria l s ，1 9 9 7，9 182 0 52 0 8 [ 3 8 ]L e v y R，B o u d a rt M．P l a t i n u m l i k e b e h a v i o r o f t u n g s t e n c a r b i d e i n s u r f a c e c a t a l y s i s ．S c i e n c e ，1 9 7 3 ，1 8 1 4 0 9 9 5 4 7 5 4 9 [ 3 9]S h e n P K， Y i n S B， L i z H， e t a 1 ．P r e p a r a t i o n a n d p e rf o rma n c e o f n a n o s i z e d t u n g s t e n c a r b i d e s f o r e l e c t r 0 c a t a l y s i 8 ． E l e c t r o c h i mi c a A c t a ， 2 0 1 0 ， 5 5 2 7 7 9 6 9 7 9 7 4 [ 4 0] Y a n g X G，Z h a n g X B，T a n G L 。e t a 1 ． E l e c t r o c h e mic a l i n v e s t i g a t i o n o n h y d r i d e e l e c t r o d e wi t h t u n g s t e n c a r b i d e a d di t i v e ． T r a n s a c t i o n s o f N o n f e o u s Me t a l s S o c i e t y o f C h i n a E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 0， 1 0 1 6 0 6 3 [ 4 1 ]马淳安 ， 周运鸿 ， 查全性 ．酸性 电解液 中活性碳化钨 的电化学 阳极行 为 ．浙江工学 院学报 ，1 9 9 0 ， 4 6 26 7 [ 4 2 ]滕文娟 ，毛信表 ，马淳安 ．碳纳米管载碳 化钨 的制备及其对 甲 醇氧化 的电催化性能 ．浙江工业大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 3 6 4 3 6 8 [ 4 3 ]X u e H X，C h e n J M．P r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e ri z a t i o n a n d c a t a l y t i c p r o p e r t i e s o f S 2 0 ； 一 ／ Z r O 2 s u p p o rt e d b y t u n g s t e n c a r b i d e ．C h e m i c a l R e s e a r c h i n C h i n e s e U n i v e r s i t i e s ， 2 0 0 4 ， 2 0 1 6 87 2 [ 4 4]I g l e s i a E， R i b e i ro F H， B o u d a rt M， e t a 1 ． S y n t h e s i s ． c h a r a c t e riz a t i o n， a n d c a t a l y t i c p r o p e r t i e s o f c l e a n a n d o x y g e n- mo d i fi e d t u n g s t e n c a r b i d e s ．C a t a l y s i s T o d a y ，1 9 9 2 ，1 5 2 3 0 7 3 3 7 [ 4 5 ]C h o i S ，T h o ms o n L T ．C o m p a ri s o n b e t w e e n t h e s t r u c t u r a l a n d c a t a l y t i c p r o p e r t i e s o f s u p p o r t e d W 2 C，W C a n d W Cl 一 ／／ Ad v a n c e d Ca t aly t i c Ma t e ria l s ，Ma t e ria l s Re s e a r c h S o c i e t y S y mp o s i u m P r o c e e d i n g s ． B o s t o n，MA， US A， 1 9 9 6，4 5 4414 6 上 接第 2 9 2页 s t o n e p roc e s s i n g ．J o u rna l o f Ma t e ria l s P roc e s s i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 5， 5 12 9 63 0 8 [ 6]S u n T ， Z o n g W J ．A n a ly s i s f o r t h e w e a r r e s i s t a n c e a n i s o t rop y o f d i a mo n d c u t t i n g t o o l s i n t h e o r y a n d e x p e rime n t ． J o u r n a l o f Ma t e ria l s P roc e s s i n g T e c h n o l o g y，2 01 0，21 08 5 88 6 7 [ 7 ]谭松成 ， 杨 洋 ．热压金刚石钻 头铁基胎体机械性能研究 ．金 刚 石与磨料磨具工程 ， 2 0 0 9，1 7 0 2 4 9 5 2 [ 8 ]韦统彬 ， 戴秋 莲 ．烧结 工艺对 铁基胎 体合金 化程 度影 响的研 究．金刚石与磨料磨具工程 ， 2 0 1 0 ，1 7 5 3 0 l 01 5 [ 9 ]H o w a r d F e r g u s o n ．He a t t r e a t me n t o f P ／ M s t e e l s ．T h e I n t e rna t i o n a 1 J o u r n a l o f Po wd e r Me t a l l u r g y，2 0 0 3，3 93 33 8 [ 1 O ]唐华 ，肖锋 ．铁基粉末冶金从动轮零 件热处 理工艺改进 ．材 料热处理技术 ， 2 0 1 0， 3 9 6 1 5 51 6 0 [ 1 1 ]黄漫 ，陈哲 ，王凤荣 ，等 ．孕镶金刚石工具中金刚石与胎 体问 机械包镶力 的研究 ．金 刚石与磨料磨具 工程 ， 2 0 0 4 ，1 4 2 4 2 4 5 [ 1 2]李松瑞 ， 周善初 ．金属热处理 ．长沙 中南大学出版社 ， 2 0 0 3 2 1 4 2 3 5 [ 1 3]X u X P ．S t u d y o n t h e t h e r m a l w e a r o f d i a mo n d s e g m e n t e d t o o l s i n c i r c u l a r s a w i n g o f g r a n i t e s ．T ri b o l o g y L e t t e r s ， 2 0 0 1 ，1 0 4 2 4 5 25 0 [ 1 4] Mu z a f f e r Z e r e n ． D e f e c t c h a r a c t e ri z a t i o n i n t h e d i a mo n d c u t t i n g t o o l s ． Ma t e r i als C h a r a c t e r i z a t i o n，2 0 0 6，5 71 1 11 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m