稀土元素La對金剛石鉆頭胎體的性能影響①

寧春旭,謝德龍,王帥,林峰,潘曉毅

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林 541004;4.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410082; 5.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林 541004)

稀土元素La對金剛石鉆頭胎體的性能影響①

寧春旭1,2,3,謝德龍4,王帥5,林峰1,2,3,潘曉毅1,2,3

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林 541004;4.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410082; 5.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林 541004)

文章研究了微量La元素的添加對金剛石鉆頭胎體的抗彎強度、磨損失重、硬度等力學性能的影響。并通過掃描電鏡對不同樣品斷口形貌進行了分析對比。研究結果表明:加入微量的La元素,胎體的抗彎強度τ0有所上升,磨損失重Δm有所下降,硬度HRB基本沒有太大變化。含金剛石試樣的斷口形貌電鏡照片表明:微量La元素的加入,可以減少胎體中的孔洞缺陷,改善胎體的組織結構,提高胎體的力學性能。

金剛石鉆頭;胎體;La;力學性能;微觀形貌

1 前言

Cu基胎體具有燒結溫度低,冷壓易成型,對胎體性能損傷較小等優點,被廣泛地應用于金剛石工具胎體材料中。但以Cu做胎體時,胎體硬度較低,而且耐磨損性能較差,所以經常加入Fe、Co、Ni、Ti等其它元素用于形成Cu合金,來改善胎體的強度、硬度、磨損性能等特性[1-3]。稀土元素由于具有細化晶粒、凈化晶界、降低胎體熔點、提高金剛石和金屬結合劑之間的結合等特性,也經常被用來改善胎體的力學等性能[4-6]。本文在WC-Cu-Co基的配方基礎上,研究加入改性元素La,來探討微量La元素對金剛石鉆頭胎體的性能影響。

2 實驗部分

2.1 胎體配方設計

實驗配方以WC-Cu-Co為基礎,并添加適量的Ni、Sn、Mn等金屬元素用于改性。設計兩組對比實驗,第一組為上述WC-Cu-Co基配方,命名為“配方1”;第二組在原配方的基礎上加入La,并命名為“配方2”。其中La以La-Ni-Co合金的形式加入胎體,含量在0.8%左右。分別向配方1和2中添加30%(體積分數)的金剛石,制備成含金剛石的胎體試樣,通過測試三點抗彎強度來檢測成品對金剛石的包鑲效果。具體配方含量見表1。

表1 胎體配方組成Tab 1 Composition of the matrix

2.2 胎體的熱壓燒結及后續處理

按照表1中的配方進行混料、冷壓成型,然后置于國產真空熱壓燒結爐內燒結,真空度為0.1 Pa,壓力為25 MPa,燒結溫度為850℃,燒結保溫保壓時間為5 min,燒結試樣的尺寸規格為30 mm×12 mm× 6 mm。試樣燒結完后,待其冷卻至室溫后拆模,用200目砂紙去除表面毛刺。上述工序完成后,分別檢測胎體試樣和對應含30%金剛石胎體試樣的抗彎強度τ0,胎體的洛氏硬度HRB、磨損失重Δm,強度損失率σ等。

2.3 力學性能測試及結構表征

采用TH300型洛氏硬度計和CMT4304液壓萬能材料試驗機分別測試胎體試樣的硬度和三點抗彎強度;用DHM-1型砂輪磨耗試驗機測試磨耗比;用日本JSM-6700F型掃描電鏡觀察燒結后試樣的形貌。

通過測定含30%(體積濃度)同種粒度的金剛石的燒結試樣的抗彎強度,間接計算不同溫度下此配方體系對金剛石的包鑲強度,用強度損失率σ來表示,其計算公式如下:

其中M空白胎體為不同WC含量胎體三點抗彎強度,M含金剛石胎體為對應含30%金剛石胎體三點抗彎強度,所用金剛石的粒度為40/45目。

3 實驗結果及分析

3.1 三點抗彎強度分析

三點抗彎強度的結果見圖1、圖2。由圖可以看出:含La的空白胎體試樣和對應的加入金剛石的胎體試樣都比不含La的胎體試樣抗彎強度高一些。含La的空白胎體比不含La的空白胎體平均三點抗彎強度大約高出150MPa左右。含La的金剛石胎體試樣比不含La的平均三點抗彎強度大約高出90MPa左右。

圖1 空白胎體三點抗彎強度對比Fig 1 Comparison of three point bend strength of the blank matrix

圖2 含金剛石胎體三點抗彎強度對比Fig 2 Comparison of three point bend strength of the diamond contained matrix

3.2 損失重、硬度的對比

配方1(不含La)和配方2(含La)的空白胎體試樣平均磨損失重和硬度見表2。由表可知含La的配方磨損失重比不含的高出大約0.2g左右,說明加入La元素后整個胎體的抗磨損性能有所提高。配方1和配方2的硬度略有提高,但變化不大。稀土元素添加后,在胎體中可以起彌散強化和釘扎作用[7],能抑制胎體材料的變形與磨損,因此含La胎體的耐磨性及硬度都好一些,硬度沒有發生太大變化,可能與La元素的添加量有關。

表2 磨損失重和硬度Tab 2 Wear weight loss and rigidity

3.3 SEM電鏡形貌的對比

圖3為含金剛石試樣燒結體的SEM斷口形貌圖。其中圖3-1為不含La的配方,圖3-2為含La的配方的金剛石胎體(配方2)試樣放大5000倍的SEM電鏡掃描圖。由圖可知,不同溫度下燒結的胎體與金剛石接觸時都有一定的間隙,說明胎體與金剛石沒有發生化學結合,對金剛石的包鑲主要是機械包鑲。另外,不同燒結溫度下金剛石表面相差不大,都比較光滑,這也說明粉體與金剛石顆粒間沒有發生化學反應。胎體的孔隙率、硬度、強度、致密度等是影響其對金剛石機械包鑲的重要因素[8-9]。含La的配方燒結的胎體孔洞缺陷少,孔隙率低,致密度高;并且胎體的硬度、三點抗彎強度較高,在金剛石受力時,較致密、強度高的胎體不僅能為金剛石提供更好的支撐作用,而且能更好地傳遞應力,所以能承受相對較大的應力而不斷裂,在宏觀力學上表現為三點抗彎強度較高。根據強度損失率的計算公式可知,在含金剛石胎體試樣的三點抗彎強度相對較高時,計算得到的胎體的強度損失率相應較低,即胎體對金剛石的包鑲能力略強。

另外,從化學反應的角度考慮,加入La的胎體強度提高的原因是:1)La元素的強還原性。La是非常活潑的稀土金屬,很容易和O、S等雜質元素發生氧化還原反應,而生成的La的氧化物和硫化物顆粒比較小,對燒結過程中的擴散和物質交換影響較小,這樣就有效地降低了雜質元素對胎體的性能影響;2) La元素的快速吸附作用。在燒結過程中,La元素能快速吸附周圍的O、N、S等雜質,快速地阻止了這些雜質元素和金屬元素的反應,這樣就快速地阻止了金屬硫化物、氧化物等雜質的生成,使燒結所需的活化能在短時間內就可以達到,縮短了燒結過程所需時間,亦降低了燒結過程所需溫度。

圖3 含金剛石胎體的SEM掃描圖對比Fig 3 Comparison of the SEM photos of the diamond contained matrix

4 結論

1.微量的La元素有助于改善金剛石鉆頭胎體的力學強度,對比不加La的配方胎體的三點抗彎強度和含金剛石的胎體三點抗彎強度,加入0.8%La的配方力學性能都有了明顯的提高。

2.胎體對金剛石的包鑲以機械包鑲為主,微量La元素的添加在一定程度上可以提高金屬胎體和金剛石顆粒之間的粘接。

3.本實驗采用的是統一的溫度和壓力,溫度和壓力對La元素的燒結擴散程度也是有較大影響的,需要進一步的研究探討。

4.很多文獻提到La具有細化晶粒的作用,在本實驗中并沒有表現出來,原因可能是所選的Cu基金屬結合劑有差別,需要進一步求證。

[1] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學基礎[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

[2] Jia Chengchang,Song Yueqing.Effect of rare earth element lanthanum on the microstructure of copper matrix diamond tool materials[J].RARE METALS,2002,(2).

[3] Tokura H,Yoshikawa M.Heat treatment of diamond grains for bonding strength improvement,J of Materials Science,1989,24 (6):243.

[4] 宋月清,甘長炎,等.金剛石工具胎體性能的弱化問題研究[J].人工晶體學報,1998,27(4):368.

[5] 孫毓超.稀土元素鈰(Ce)在金剛石工具胎體合金中的行為[J].工業金剛石通信,1999(3).

[6] 李永良,馬輝,等.稀土元素La在金屬胎體-金剛石復合材料中的作用[J].北京師范大學學報(自然科學版),2001.10,5(37); 623-626.

[7] 孫毓超,宋月清.稀土元素在金剛石工具中應用研究的新進展[J].工業金剛石,2002,4:4-8.

[8] 湯東華,洪躍生.鈷基結合劑對金剛石把持力的研究[J].華僑大學學報:自然科學版,1994,15(3):353-357.

[9] 戴秋蓮,徐西鵬,王永初.金屬結合劑對金剛石把持力的增強措施及增強機制評述[J].材料科學與工程,2002,20(3):465-468.

Influence of Rare Earth Element La on the Performance of Diamond Drill Bit Matrix

NING Chun-xu1,2,3,XIE De-long4,WANG Shuai5,LIN Feng1,2,3,PAN Xiao-yi1,2,3
(1.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004; 2.Chinese National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin 541004; 3.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material,Guilin 541004; 4.College of Material Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 5.College of Materials Science and Engineering,Guilin University of technology,Guilin 541004,China)

In this article,the influence on mechanical properties of drill bit matrix such as the bending strength,wear weight loss and rigidity has been studied when small amount of La element is added.Fracture morphology of different samples has been compared under scanning electron microscope.The result shows that when small amount of La element is added,the bending strength of the matrix(τ0)increases,the wear weight loss (Δm)decrease and the rigidity remains almost the same.Fracture morphology of the diamond contained sample indicates that small amount of La element can reduce the hole defect of the matrix and improve the structure of the matrix,thus the mechanical property will be improved.

La element;mechanical property;Microstructure

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0010-04

2014-10-10

寧春旭(1974-),女,貴州盤縣人,工程師,就職于中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,從事超硬材料相關技術開發工作。E-mail:919162070@qq.com。

廣西科學基金項目(項目編號:桂科基0342004-3);科技部科研院所技術開發研究專項(項目編號:2013EG115007);廣西自然科學基金面上項目(項目編號:2013GXNSFAA019320);廣西科學研究與技術開發計劃項目(項目編號:桂科攻1348008-3);中色集團科技開發項目(項目編號:2013KJJH11);桂林科學研究與技術開發計劃項目(項目編號:20140104-4)

謝德龍(1984-),男,河南省人,湖南大學博士研究生。E-mail:flora421@126.com