劉志環(huán)，張紹和

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

目前，預(yù)合金粉在粉末冶金制品特別是金屬基金剛石制品中普及使用，金屬基金剛石制品已被廣泛應(yīng)用于石材、陶瓷、玻璃、混凝土、人工晶體材料等的切割、磨削和鉆孔加工等[1-4]。預(yù)合金粉在金剛石制品中的使用與單質(zhì)混合粉末相比，能提高胎體成分的均勻性，減少低熔點(diǎn)成分的偏析，提高產(chǎn)品性能穩(wěn)定性；同時(shí)，預(yù)合金化能降低燒結(jié)過(guò)程中金屬原子擴(kuò)散所需的激活能，顯著降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率并減少對(duì)金剛石的熱損傷[5-7]。Co由于兼具優(yōu)異的金剛石把持性能和巖粉匹配磨損性能，一直被認(rèn)為是優(yōu)良的金屬胎體材料。金剛石制品在開發(fā)初期大量采用高Co結(jié)合劑或純Co作為胎體材料，目前金剛石繩鋸產(chǎn)品仍采用Co高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)合劑胎體材料[8-10]。然而，Co是一種稀有而昂貴的金屬，全球儲(chǔ)量極其有限，因此，研究可替代單質(zhì)Co的預(yù)合金粉體材料成為目前高性能金屬基金剛石制品研究與開發(fā)的熱點(diǎn)方向之一[11-13]。Fe價(jià)格低廉、資源豐富，并與Co同處Ⅷ副族，與Co具有許多類似的性能特征；Cu與Fe能實(shí)現(xiàn)無(wú)限互溶，具有良好的成型性和壓制性，且熔點(diǎn)較低，易于調(diào)節(jié)預(yù)合金粉的燒結(jié)溫度，因此，F(xiàn)eCuCo預(yù)合金粉是目前國(guó)內(nèi)外替代Co預(yù)合金粉研究的主要方向[14-18]，但人們對(duì)其相關(guān)研究主要集中在FeCuCo預(yù)合金粉的制備技術(shù)及產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)上，關(guān)于元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)FeCuCo預(yù)合金粉性能影響的研究較少。為此，本文作者采用共沉淀法制備3種不同Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的FeCuCo預(yù)合金粉，研究Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)FeCuCo預(yù)合金粉的燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，以便為FeCuCo預(yù)合金粉在高性能金剛石制品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 粉末的制備

實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)共沉淀法制備預(yù)合金粉。按表1中各元素質(zhì)量配比稱取相應(yīng)的氯化物原材料，分別溶于去離子水中，形成FeCl2·4H2O，CoCl2·6H2O和CuCl2·2H2O等水化合物，混合配制成濃度為1.0 mol/L的水溶液，另外配制濃度為1.0 mol/L的草酸溶液。將金屬鹽溶液和草酸溶液通過(guò)加液釜以相同速率分別加入反應(yīng)釜中進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，反應(yīng)溫度為50℃，充分?jǐn)嚢韬蠹尤氚彼芤赫{(diào)整反應(yīng)溶液的pH，使其保持在2左右。反應(yīng)20 min后再靜置沉淀2 h，獲得FeCuCo及FeCu復(fù)合草酸鹽沉淀物，沉淀物經(jīng)過(guò)過(guò)濾、清洗、煅燒和還原，得到所需要的預(yù)合金粉。

表1 預(yù)合金粉中各元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of pre-alloyed powders %

1.2 粉末性能檢測(cè)與表征

采用日本的JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉末形貌并測(cè)定晶粒粒徑；采用日本D/max-rA10型X線衍射儀對(duì)預(yù)合金粉進(jìn)行物相分析，確定粉末的相結(jié)構(gòu)及組成；采用德國(guó)產(chǎn)的STA-449C型熱分析儀(DSC)對(duì)預(yù)合金粉進(jìn)行熱分析(氬氣氣氛)，升溫速率為10℃/min，升至1 000℃時(shí)結(jié)束。

1.3 粉末燒結(jié)體的制備

分別將3種預(yù)合金粉樣品按質(zhì)量要求裝入石墨模腔，置于國(guó)產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到長(zhǎng)×寬×高為30 mm×12 mm×6 mm的預(yù)合金粉燒結(jié)體試樣。熱壓爐真空度為0.1 Pa，壓力為25 MPa。采用不同燒結(jié)溫度對(duì)3種預(yù)合金粉樣品的燒結(jié)性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，燒結(jié)溫度分別為720，760，800，840和880℃。

分別在3種預(yù)合金粉樣品中添加體積分?jǐn)?shù)為7.5%、粒度為425～355 μm的金剛石顆粒，并混合均勻，分別采用720，760，800，840和880℃的燒結(jié)溫度及上述相同燒結(jié)工藝燒結(jié)含金剛石顆粒的復(fù)合材料燒結(jié)體，研究預(yù)合金粉在不同燒結(jié)溫度下對(duì)金剛石的包鑲性能。

1.4 燒結(jié)體的性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

采用排水法測(cè)試試樣的密度，并根據(jù)測(cè)定的密度與燒結(jié)體的理論密度求出相對(duì)密度。采用TH300洛氏硬度計(jì)測(cè)量不含金剛石燒結(jié)體試樣的洛氏硬度，采用CMT4304萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)定無(wú)金剛石與有金剛石試樣的斷裂載荷，由此計(jì)算各自的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，并通過(guò)日本產(chǎn)的JSM-6700F型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。

粉末燒結(jié)體對(duì)金剛石顆粒的包鑲強(qiáng)度用抗彎強(qiáng)度損失率η表示，計(jì)算公式如下：

式中：σ1為不含金剛石燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度；σ2為含體積分?jǐn)?shù)為7.5%的金剛石顆粒燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度。

采用DHM-1型砂輪磨耗比測(cè)定儀檢測(cè)無(wú)金剛石試樣的磨損量m。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，m越小，則試樣耐磨損性能越好，反之則越差。標(biāo)準(zhǔn)砂輪的硬度為3.2，線速度為20 m/s，試樣加壓質(zhì)量為5 kg，測(cè)試時(shí)間為60 s，每次測(cè)定5個(gè)試樣并取平均值。試樣的磨損量m的計(jì)算公式如下：

式中：m1為試樣與砂輪在對(duì)磨前的質(zhì)量；m2為試樣與砂輪對(duì)磨后的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)合金粉SEM分析

圖1所示為采用共沉淀法所得3種Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的預(yù)合金粉末的SEM形貌。由圖1可知：3種預(yù)合金粉的形狀均為不規(guī)則狀，粉末顆粒粒度較小且均勻，晶粒相互連接，晶粒表面平滑，顆粒疏松。這種形貌的粉末比表面積大，故活性高，可降低燒結(jié)溫度；1號(hào)試樣的顆粒粒徑最大，其費(fèi)氏粒度約為5.23 μm；3號(hào)試樣的顆粒粒徑最小，其費(fèi)氏粒度約為3.41 μm；2號(hào)試樣的顆粒費(fèi)氏粒度居中，約為4.15 μm。造成粉末粒度差異的原因是：在相同條件下，在共沉淀過(guò)程中，當(dāng)以草酸作為沉淀劑時(shí)，F(xiàn)e更容易與沉淀劑反應(yīng)生產(chǎn)粗大的晶型沉淀，而Cu和沉淀劑反應(yīng)更易生成細(xì)小的無(wú)定型沉淀，因此，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，粉末顆粒粒徑越大[19]。

圖1 Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)預(yù)合金粉末的SEM圖Fig.1 SEM images of pre-alloyed powders with different Co mass fractions

2.2 預(yù)合金粉XRD分析

圖2 不同Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)合金粉XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of pre-alloyed powders with different Co mass fractions

圖2所示為3種不同配比的預(yù)合金粉XRD譜。由圖2可知：不同配比的預(yù)合金粉不僅有Fe和Cu的單質(zhì)相，而且存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，說(shuō)明Co和Cu進(jìn)入了Fe的晶胞中，形成了固溶體，在燒結(jié)體內(nèi)能起到固溶強(qiáng)化的作用，能提高燒結(jié)體的強(qiáng)度[20]。從圖2還可知：由于Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同且占比較少，因此，Cu及FeCu4的衍射峰較弱且基本相同；而隨著Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低及Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，F(xiàn)e及(Co，F(xiàn)e)合金相的衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，這是Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小而(Co，F(xiàn)e)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大的表現(xiàn)；當(dāng)預(yù)合金粉的Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，其單質(zhì)相沒(méi)有在圖譜中顯示，是因?yàn)镃o和Fe屬于同族元素，原子半徑粒徑相近，在共沉淀過(guò)程中，Co和Fe易產(chǎn)生原子交換，形成置換固溶體[21]。

2.3 預(yù)合金粉DSC分析

圖3所示為3種不同配比的預(yù)合金粉DSC曲線。由圖3可知：不同配比的預(yù)合金粉在850℃前熱流比較穩(wěn)定，曲線上沒(méi)有明顯的吸熱或放熱反應(yīng)，說(shuō)明在此溫度前，預(yù)合金粉的組織沒(méi)有發(fā)生太大的變化；1號(hào)樣品在868.1℃時(shí)有較明顯的吸熱峰，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的2號(hào)樣品在896.7℃時(shí)有明顯的吸熱峰，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3號(hào)樣品在933.0℃時(shí)有明顯的吸熱峰。結(jié)合三者間的二元相圖可知[22]：在850℃時(shí)，發(fā)生鐵素體α-Fe向奧氏體γ-Fe的共析反應(yīng)；在912℃時(shí)，發(fā)生α-Fe向(α-Co,γ-Fe)的共析轉(zhuǎn)變。根據(jù)相圖，在1 096℃和1 112℃時(shí)，還將發(fā)生FeCu的包晶反應(yīng)和CoCu的包晶反應(yīng)。由圖3并結(jié)合圖2中的XRD可以看出：3號(hào)試樣共析反應(yīng)的吸熱峰相對(duì)2號(hào)試樣更明顯，說(shuō)明3號(hào)試樣(α-Co,γ-Fe)合金相質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高；1號(hào)試樣發(fā)生明顯的α-Fe向γ-Fe的共析反應(yīng)，而2號(hào)和3號(hào)試樣在此溫度時(shí)沒(méi)有明顯的吸熱峰，說(shuō)明1號(hào)試樣有Fe的單質(zhì)存在，而2號(hào)和3號(hào)試樣Fe單質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。

圖3 不同Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)合金粉DSC曲線Fig.3 DSC curves of pre-alloyed powders with different Co mass fractions

2.4 預(yù)合金粉燒結(jié)體力學(xué)性能分析

共沉淀法FeCuCo預(yù)合金粉替代Co粉末應(yīng)用于金剛石制品，其相關(guān)性能對(duì)于制品結(jié)合劑的性能具有重要影響。不同元素組成的預(yù)合金粉在不同燒結(jié)溫度下的相對(duì)密度見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)：在燒結(jié)溫度為720～880℃時(shí)，隨著燒結(jié)溫度升高，不同Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的FeCuCo預(yù)合金粉相對(duì)密度整體上呈先增加后減少的趨勢(shì)，且最低相對(duì)密度也達(dá)96.5%。這是由于共沉淀法制備的FeCuCo預(yù)合金粉的粉末粒度小，粉末比表面積較大，燒結(jié)時(shí)原子擴(kuò)散路徑較短，燒結(jié)所需激活能降低，因此，在較低燒結(jié)溫度下，試樣的燒結(jié)相對(duì)密度也較高。根據(jù)粉末冶金燒結(jié)理論，隨著燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)的過(guò)程會(huì)進(jìn)行得更加充分，使得孔隙粒徑和孔隙總數(shù)量逐漸減少，燒結(jié)體逐漸致密化，相對(duì)密度逐漸增大。在840℃時(shí)，3種試樣的相對(duì)致密度都達(dá)到最大值，其中1號(hào)試樣相對(duì)密度最高，為98.6%。這是由于Co元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，粉末粒度越小，有利于晶粒的細(xì)化，但理論上也增加了未閉合孔隙的數(shù)量，因此，2號(hào)和3號(hào)試樣致密化程度稍低。當(dāng)溫度大于840℃時(shí)，相對(duì)密度略下降，這是由于Cu和FeCu4等的熔點(diǎn)較低，過(guò)高的燒結(jié)溫度會(huì)加速低熔點(diǎn)成分流失，因而造成相對(duì)密度下降；且在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，原子擴(kuò)散速度加快，晶粒長(zhǎng)大速度過(guò)快，晶粒內(nèi)未閉合孔隙數(shù)量增加，降低了燒結(jié)體的致密化程度。

表2 不同燒結(jié)溫度下3種預(yù)合金粉燒結(jié)體的相對(duì)密度Table 2 Relative densities of three kinds of pre-alloyed powders sintered at different temperatures %

表3所示為不同燒結(jié)溫度下3種試樣燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度與硬度測(cè)試結(jié)果，圖4所示分別為抗彎強(qiáng)度和洛化硬度隨溫度變化折線圖。由圖4(a)可知：隨著燒結(jié)溫度升高，3種試樣抗彎強(qiáng)度都有逐漸升高的趨勢(shì)，且總體上Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，試樣的抗彎強(qiáng)度也越大；2號(hào)和3號(hào)試樣在燒結(jié)溫度為800℃之前，抗彎強(qiáng)度逐漸升高，800℃后則變化幅度不大，且都呈現(xiàn)先升高后小幅度降低的趨勢(shì)，在840℃時(shí)都達(dá)到最大值，其中，2號(hào)試樣最大值為1 276 MPa，3號(hào)試樣最大值為1 591 MPa；1號(hào)試樣在燒結(jié)溫度為800℃之前，其抗彎強(qiáng)度增加幅度較小，800℃以后則快速增加，840℃時(shí)達(dá)到最大值，為1 287 MPa，且稍高于2號(hào)試樣的最大抗彎強(qiáng)度。經(jīng)綜合分析認(rèn)為，當(dāng)Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí)，F(xiàn)eCuCo預(yù)合金粉中CoFe15.7和Co3Fe7等金屬間化合物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，因此，在燒結(jié)溫度為720～880℃時(shí)，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3號(hào)試樣抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)比1號(hào)和2號(hào)試樣的高。當(dāng)燒結(jié)溫度大于840℃時(shí)，2號(hào)和3號(hào)試樣的抗彎強(qiáng)度有小幅度降低，這是由于當(dāng)?shù)竭_(dá)一定燒結(jié)溫度時(shí)，燒結(jié)致密化達(dá)到平衡，進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，會(huì)造成晶粒粒徑增大。Hall-Petch公式為

式中：σy為試樣的強(qiáng)度；d為晶粒粒徑；σi和k為常數(shù)。由式(3)可知燒結(jié)體試樣強(qiáng)度與晶粒粒徑呈反比，晶粒粒徑越大，試樣強(qiáng)度越低。1號(hào)試樣Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，其主要由單質(zhì)Fe，Cu和少量FeCu4合金組成，在800℃低溫?zé)Y(jié)時(shí)，燒結(jié)體致密化程度不夠，且由于固溶成分組成較少，固溶強(qiáng)化作用不明顯，因此，抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低，由此也驗(yàn)證了2號(hào)和3號(hào)試樣由于Co元素的添加并實(shí)現(xiàn)預(yù)合金化能夠降低燒結(jié)溫度，使試樣在較低的燒結(jié)溫度下燒結(jié)具有較高的強(qiáng)度；當(dāng)進(jìn)一步提高1號(hào)試樣的燒結(jié)溫度時(shí)，單質(zhì)Fe自身顆粒間原子進(jìn)一步擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶，晶粒之間燒結(jié)頸進(jìn)一步長(zhǎng)大，由此形成大量閉孔隙且繼續(xù)縮小，使得燒結(jié)體孔隙粒徑大大減??；孔隙總數(shù)大量減少，燒結(jié)體密度明顯增加，抗彎強(qiáng)度迅速提高；當(dāng)溫度超過(guò)840℃時(shí)，閉孔隙縮小速率減緩，低熔點(diǎn)流失導(dǎo)致燒結(jié)體密度降低，抗彎強(qiáng)度反而有所下降。

表3 不同燒結(jié)溫度下3種預(yù)合金粉燒結(jié)體的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of three kinds of pre-alloyed powders sintered at different temperatures

圖4 不同燒結(jié)溫度下預(yù)合金粉燒結(jié)體的力學(xué)性能隨Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Changes of mechanical properties of pre-alloyed powders sintered with Co mass fraction at different temperatures

由圖4(b)可知：3種燒結(jié)體試樣的洛氏硬度變化趨勢(shì)與抗彎強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本相同；隨著燒結(jié)溫度升高，3種試樣抗彎強(qiáng)度都有逐漸升高的趨勢(shì)；當(dāng)溫度在800℃以下時(shí)，總體上Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，試樣的洛氏硬度也越高；2號(hào)和3號(hào)試樣洛氏硬度在760℃之前較低且變化不大，之后隨溫度提升，洛氏硬度迅速提高，840℃時(shí)達(dá)到最大值，其中3號(hào)試樣洛氏硬度最大值達(dá)100.7，再進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，洛氏硬度又有所降低，且3號(hào)試樣降低幅度較2號(hào)試樣更大；1號(hào)試樣在800℃之前洛氏硬度變化幅度不大，之后隨溫度提升，洛氏硬度迅速提高，并超過(guò)2號(hào)試樣洛氏硬度，再進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度時(shí)，洛氏硬度繼續(xù)提高，但提高幅度減小。經(jīng)綜合分析認(rèn)為，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，F(xiàn)eCuCo預(yù)合金粉中(Co，F(xiàn)e)金屬間化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用越強(qiáng)，不但降低了燒結(jié)溫度，使試樣在較低燒結(jié)溫度下也具有較高的洛氏硬度，而且抵抗外部壓入作用的能力越強(qiáng)，因此，洛氏硬度越高；隨著燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)致密化程度增強(qiáng)，洛氏硬度也迅速提高，但當(dāng)燒結(jié)溫度較高時(shí)，由于成分流失導(dǎo)致致密化程度降低，洛氏硬度也隨之降低。1號(hào)試樣Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，固溶強(qiáng)化作用較弱；當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，雖然表2中其致密化程度不低，但由于原子擴(kuò)散速度緩慢，晶粒再結(jié)晶程度有限，其洛氏硬度相對(duì)較低；隨著燒結(jié)溫度進(jìn)一步提升，原子擴(kuò)散速度迅速增強(qiáng)，致密化程度迅速提高，單質(zhì)Fe的晶粒內(nèi)部及晶粒之間再結(jié)晶程度迅速增強(qiáng)，因此，其洛氏硬度迅速提高。綜合以上分析可知：當(dāng)燒結(jié)溫度為840℃時(shí)，這3種試樣綜合力學(xué)性能最理想，且當(dāng)Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，F(xiàn)eCuCo預(yù)合金粉與其他試樣相比綜合力學(xué)性能更優(yōu)。

2.5 耐磨性分析

不同燒結(jié)溫度下3種預(yù)合金粉燒結(jié)體的磨損量見(jiàn)表4。由表4可知：隨著燒結(jié)溫度升高，不同Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)的燒結(jié)體試樣磨損量呈逐漸減小的趨勢(shì)，也就是耐磨損能力呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)；在相同燒結(jié)溫度下，磨損質(zhì)量損失整體上隨Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸減小。經(jīng)綜合分析認(rèn)為，當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，燒結(jié)體致密化過(guò)程不充分，未閉合孔隙數(shù)量較多，燒結(jié)體抵抗標(biāo)準(zhǔn)砂輪磨粒壓入作用及“犁削”作用能力減弱，被“犁削”材料的質(zhì)量更高，質(zhì)量損失越大，耐磨損性能越差；隨著燒結(jié)溫度提高，燒結(jié)體致密化程度越高，燒結(jié)體試樣的洛氏硬度增大，抵抗壓入作用與“犁削”作用的能力增強(qiáng)，磨損量減少。在不同燒結(jié)溫度下，3號(hào)試樣磨損面的SEM圖見(jiàn)圖5。由圖5可知：隨著燒結(jié)溫度升高，磨損面磨粒擦痕的寬度與深度逐漸減小，說(shuō)明樣品耐磨粒磨損的能力逐漸增強(qiáng)，與磨損量測(cè)試結(jié)果相符；此外，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加提高了FeCuCo預(yù)合金粉燒結(jié)體的合金化程度，提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度和洛氏硬度，增強(qiáng)了燒結(jié)體材料抵抗變形的能力，因而，磨損量減少。同時(shí)，從表4可以看出，在880℃燒結(jié)時(shí)，磨損量并沒(méi)有因?yàn)闊Y(jié)體洛氏硬度與強(qiáng)度降低而提高，這是由于在880℃燒結(jié)產(chǎn)生的晶粒增大，使標(biāo)準(zhǔn)砂輪磨粒的“犁削”作用更多地產(chǎn)生在晶粒內(nèi)部而非晶界邊緣，因而抵抗“犁削”作用的能力更強(qiáng)，磨損量減少。

表4 不同燒結(jié)溫度下3種預(yù)合金粉燒結(jié)體的磨損量Table 4 Wear mass loss of three kinds of pre-alloyed powders sintered at different temperatures g

2.6 預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口形貌分析

圖6所示為3號(hào)試樣在不同燒結(jié)溫度時(shí)燒結(jié)體斷口的SEM圖片。由圖6可知：3號(hào)試樣在燒結(jié)溫度為720～840℃時(shí)，晶粒粒徑較均勻，無(wú)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象；隨著燒結(jié)溫度提高，原子擴(kuò)散速度增強(qiáng)，晶粒發(fā)生再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大；在760℃之前(如圖6(a)和圖6(b)所示)，由于燒結(jié)溫度低，原子擴(kuò)散不充分，晶粒與晶粒之間的微孔隙數(shù)量較多，燒結(jié)致密度較低，因此，晶粒間結(jié)合強(qiáng)度低，裂紋易在孔隙處沿晶界擴(kuò)展，燒結(jié)體斷口主要表現(xiàn)為沿晶斷裂特征，伴隨著少量的穿晶斷裂；當(dāng)燒結(jié)溫度高于800℃時(shí)(如圖6(c)和圖6(d)所示)，試樣斷口微孔隙數(shù)量和粒徑都有所降低，且微孔隙主要存在于晶粒的內(nèi)部，而晶粒之間的微孔隙數(shù)量減少，這是由于隨著燒結(jié)溫度升高，晶界移動(dòng)速度增大，而孔隙遷移或消失的速度比晶界移動(dòng)速度慢，導(dǎo)致晶界與孔隙發(fā)生脫離，因此，孔隙轉(zhuǎn)移到晶粒內(nèi)部[23]，也使燒結(jié)致密化程度更加充分。試樣斷口呈穿晶斷裂與沿晶斷裂混合特征，主要以穿晶斷裂特征為主，這是由于隨著晶粒結(jié)合強(qiáng)度提高，晶粒間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難度增大，當(dāng)外部施加應(yīng)力時(shí)，晶粒發(fā)生破裂并更易在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展產(chǎn)生穿晶斷裂，這也是試樣抗彎強(qiáng)度顯著提高的主要原因。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到880℃時(shí)(如圖6(e)所示)，試樣斷口晶粒粒徑明顯長(zhǎng)大，粗大合金相粒子在晶界處誘發(fā)的斷口增多，呈現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂的特征，導(dǎo)致試樣抗彎強(qiáng)度降低。

圖5 不同燒結(jié)溫度下含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%Co的預(yù)合金粉燒結(jié)體磨損面SEM圖Fig.5 SEM images of wear face of sintering body containing Co 20%at different sintering temperatures

圖6 不同燒結(jié)溫度下含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%Co的預(yù)合金粉燒結(jié)體SEM圖Fig.6 SEM images of pre-alloyed powders containing 20%Co sintered at different temperatures

圖7所示為1號(hào)和2號(hào)試樣在840℃時(shí)燒結(jié)體斷口SEM圖片。由圖7和圖6(d)可知：在840℃燒結(jié)時(shí)，1號(hào)和2號(hào)試樣斷口形貌與3號(hào)試樣的斷口形貌明顯不同，兩者都具有韌窩斷裂和穿晶斷裂的混合斷裂特征，晶粒粒徑小且均勻，與3號(hào)試樣的脆性斷裂特征相比，理論上應(yīng)具有更高的強(qiáng)度，但由圖3(a)可知實(shí)際結(jié)果卻相反，由此可知材料的力學(xué)性能不僅與斷口形貌、晶粒粒徑相關(guān)，而且與材料本身的成分、晶體結(jié)構(gòu)等因素有較大關(guān)系。由圖2檢測(cè)結(jié)果并經(jīng)綜合分析認(rèn)為：隨著Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，CoFe15.7和Co3Fe7等金屬間化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，同時(shí)也減少了單質(zhì)Fe在預(yù)合金粉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合金相增加及單質(zhì)顆粒減少能大大降低預(yù)合金粉末的燒結(jié)溫度，因此，3號(hào)試樣特征更接近于液相燒結(jié)的特征，晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度有較大提高，而1號(hào)和2號(hào)試樣合金相成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，斷口主要表現(xiàn)為合金相包覆單質(zhì)Fe的晶粒，因此，其試樣強(qiáng)度相對(duì)3號(hào)試樣大大減少，這與力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

2.7 金剛石/預(yù)合金粉燒結(jié)性能

圖7 840℃時(shí)Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)預(yù)合金粉燒結(jié)體的SEM圖Fig.7 SEM images of pre-alloyed powders containing different mass fractions of Co sintered at 840℃

在不同燒結(jié)溫度下，3種含金剛石燒結(jié)體試樣的抗彎強(qiáng)度損失率見(jiàn)表5。從表5可知：隨著燒結(jié)溫度升高，3種試樣抗彎強(qiáng)度損失率η整體上都呈逐漸減小的趨勢(shì)，在840℃時(shí)達(dá)到最小值，到880℃時(shí)η又有所增大；另外，整體而言，在相同溫度下，η隨預(yù)合金粉中Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大整體上呈逐漸變小的趨勢(shì)，3號(hào)試樣燒結(jié)體在840℃時(shí)的強(qiáng)度損失率η最小，為19.1%。強(qiáng)度損失率η越小，金剛石顆粒阻礙胎體斷裂的能力越強(qiáng)，換而言之，胎體對(duì)金剛石包鑲能力越強(qiáng)[24]。

圖8 840℃時(shí)含金剛石預(yù)合金粉燒結(jié)體的SEM圖Fig.8 SEM images of pre-alloyed powders containning diamond sintered at 840℃

圖8所示為3種含金剛石燒結(jié)體試樣在840℃時(shí)的SEM照片。由圖8可知：3種預(yù)合金粉胎體對(duì)金剛石的包鑲界面都存在一定縫隙，所以，3種預(yù)合金粉胎體對(duì)金剛石的包鑲都屬于機(jī)械包鑲作用，沒(méi)有發(fā)生元素與金剛石的反應(yīng)而產(chǎn)生冶金結(jié)合；3種試樣的金剛石表面光滑，無(wú)其他物質(zhì)黏連，說(shuō)明試樣中Co元素完全與其他金屬元素形成了合金相，因?yàn)槿舸嬖趩钨|(zhì)Co，則由于其對(duì)金剛石表面具有良好的親和性，會(huì)沿著金剛石表面鋪展，形成薄薄的Co膜，甚至在一定溫度下與金剛石反應(yīng)生成Co3C[25]。3種預(yù)合金粉胎體對(duì)金剛石顆粒的包鑲能力主要依靠胎體對(duì)金剛石顆粒的支撐力，這種支撐力與預(yù)合金粉胎體的強(qiáng)度、洛氏硬度相關(guān)聯(lián)，強(qiáng)度和洛氏硬度越高，金剛石顆粒在受到外力作用時(shí)包鑲金剛石的胎體越不容易產(chǎn)生界面裂紋，也不容易產(chǎn)生胎體的壓縮與變形，因而，胎體對(duì)金剛石的包鑲能力也就越強(qiáng)。這就是含金剛石燒結(jié)體強(qiáng)度損失率變化規(guī)律與不含金剛石的預(yù)合金粉燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度及洛氏硬度變化規(guī)律基本接近的原因。

表5 金剛石/預(yù)合金粉燒結(jié)體不同燒結(jié)溫度下的強(qiáng)度損失率Table 5 Strength loss rate of pre-alloyed powders containing diamond sintered at different temperatures%

綜合以上分析認(rèn)為：在綜合成本提高不大的條件下，在840℃燒結(jié)時(shí)，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3號(hào)預(yù)合金粉末不僅具有較高的抗彎強(qiáng)度、洛氏硬度、致密度等，而且具有較好的耐摩擦磨損特性以及最佳的包鑲金剛石磨粒性能，作為高性能金剛石制品的胎體材料或改性成分將具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

1)不同配比的共沉淀法FeCuCo預(yù)合金粉在一定程度上實(shí)現(xiàn)了合金化。當(dāng)Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，不含Co的FeCu預(yù)合金粉則存在FeCu4固溶體。當(dāng)Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低而Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí)，粉末粒度越小，當(dāng)Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，F(xiàn)eCuCo預(yù)合金粉費(fèi)氏粒度最小，約為3.41 μm。FeCuCo預(yù)合金粉在912℃時(shí)發(fā)生α-Fe向(α-Co,γ-Fe)的共析轉(zhuǎn)變，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，共析轉(zhuǎn)變過(guò)程越顯著。

2)在燒結(jié)溫度為720～880℃時(shí)，隨著燒結(jié)溫度升高，不同配比的FeCuCo預(yù)合金粉燒結(jié)體的相對(duì)密度整體上呈先增加后減少的趨勢(shì)，在840℃時(shí)達(dá)到最大值；洛氏硬度和抗彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且在相同燒結(jié)溫度時(shí)，總體上呈隨Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而升高的趨勢(shì)。隨著燒結(jié)溫度提高，不同配比的FeCuCo預(yù)合金粉燒結(jié)體的耐摩擦磨損能力呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3)在840℃時(shí)，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的FeCuCo預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口為穿晶斷裂為主；在相同溫度下，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0或10%的預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口呈韌窩斷裂和穿晶斷裂的混合斷裂特征，主要表現(xiàn)為合金相包覆單質(zhì)Fe晶粒的斷口形貌特征。

4)在燒結(jié)溫度為720～880℃內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度升高，含金剛石復(fù)合材料燒結(jié)體試樣的抗彎強(qiáng)度損失率η呈先減小后增大的趨勢(shì)，且在相同溫度下，η隨預(yù)合金粉中Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而變小。不同配比的預(yù)合金粉胎體對(duì)金剛石的包鑲都屬于機(jī)械包鑲作用，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，F(xiàn)eCuCo胎體對(duì)金剛石的機(jī)械支撐作用越強(qiáng)。