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3.1Fe基孕鑲金剛石磨頭斷口結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能
粉末燒結(jié)過程中合金化程度與燒結(jié)溫度和壓力密切相關(guān)。由圖4可知，不同燒結(jié)工藝磨頭均存在(Fe，Ni)固溶體相，且燒結(jié)溫度為 760 ℃時(shí)，磨頭存在銅
錫化合物和鐵的碳化物，合金化程度增大。這主要由于磨頭組成中有低熔點(diǎn)元素 Sn，當(dāng)燒結(jié)溫度高于 Sn 熔點(diǎn)(232 ℃)時(shí)，燒結(jié)體進(jìn)入液相燒結(jié)階段，加快合金化。較高的燒結(jié)溫度使液相量增大、固態(tài)金屬原子擴(kuò)散加劇，胎體形成更多的固溶體及金屬化合物。同時(shí)高溫可降低金屬液黏度、加速Fe原子溶入液相、減小胎體金屬對(duì)金剛石的潤(rùn)濕角，促進(jìn)界面反應(yīng)生成Fe 的碳化物；與760 ℃/15 MPa/4 min 相比，760 ℃/23 MPa/4 min 工藝試樣斷口增加 Fe2C 相(圖 4)。因?yàn)樵谳^大燒結(jié)壓力下，粉末顆粒燒結(jié)頸產(chǎn)生屈服、蠕變效應(yīng)，促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散。同時(shí)金屬液在大壓力下加速流動(dòng)，使更多碳化物形成元素到達(dá)界面，有助于形成金屬碳化物。
綜上所述，提高燒結(jié)溫度或增大燒結(jié)壓力均可促進(jìn)燒結(jié)合金化及胎體和金剛石界面反應(yīng)，使組織致密、界面結(jié)合性能好，阻礙磨頭塑性變形和裂紋擴(kuò)展，斷裂形式由低溫低壓的沿金屬顆粒和界面的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠靥ンw晶粒塑性斷裂和沿金剛石解理斷裂(如圖3 所示)。高溫高壓下界面形成碳化物，增強(qiáng)了界面結(jié)合及金剛石的顆粒強(qiáng)化效應(yīng)，使力學(xué)性能提高，如表2、圖2所示。
磨頭磨損性能與力學(xué)、界面結(jié)合性能有關(guān)，包括胎體磨損和金剛石磨損，硬度影響磨頭耐磨性，與磨損率成反比；抗彎強(qiáng)度決定胎體對(duì)金剛石的機(jī)械包鑲力，影響金剛石脫落率，也即影響有效磨削金剛石數(shù)目；界面結(jié)合性能影響金剛石強(qiáng)度和冶金結(jié)合力。
圖 6 為不同工藝 Fe 基孕鑲金剛石磨頭磨損形貌，圖中(d)，(e)，(f)為(a)，(b)，(c)白色矩形框區(qū)域胎體放大照片，(g)，(h)，(i)為圓形框區(qū)域金剛石放大照片。由圖6(d)，(g)可知，680 ℃/15 MPa/4 min 工藝磨頭摩擦胎體表面存在剝落和粘著現(xiàn)象，對(duì)粘著物進(jìn)行能譜分析可知，其主要含有 Si，Ca，K，O 元素，確定為磨屑，證明胎體發(fā)生了粘著磨損；金剛石發(fā)生宏觀破碎，為嚴(yán)重磨粒磨損形式。760 ℃/15 MPa/4 min 工藝磨擦表面胎體存在深且寬的犁溝，犁溝邊緣有撕脫痕跡，具有明顯的磨粒磨損特征；金剛石棱角處發(fā)生微觀破碎，為輕微磨粒磨損形式，如圖6(e)，(h)所示。對(duì)760 ℃/23 MPa/4 min 工藝磨頭摩擦表面胎體進(jìn)行能譜分析可知，胎體表面的灰色粘著物為磨屑，并有大顆粒白色磨屑刻入胎體表面；金剛石發(fā)生熱蝕和磨粒磨損(圖6(f)，(i))。
磨頭磨削花崗巖(對(duì)偶件)時(shí)，在載荷作用下預(yù)出刃金剛石磨粒與對(duì)偶件表面發(fā)生微碰撞，具有高沖擊強(qiáng)度的金剛石使對(duì)偶件表面破碎成磨屑，磨屑沿胎體與對(duì)偶件間通道逐漸排出或者和胎體摩擦，磨頭磨削及金剛石受力示意圖如圖 7 所示。當(dāng)金剛石出露高度小于其尺寸的 1/3 時(shí)，金剛石僅受對(duì)偶件表面正應(yīng)力作用，胎體與磨屑間摩擦較少；當(dāng)出露高度大于其尺寸的 1/3 時(shí)，金剛石受剪切力作用，此時(shí)如果機(jī)械包鑲力較小，則金剛石將發(fā)生脫落；金剛石大量脫落使得金剛石平均出露高度降低，減少了容屑空間，進(jìn)而導(dǎo)致磨屑與胎體直接摩擦并附著在胎體表面，形成第三體，降低摩擦因數(shù)；第三體與磨屑、對(duì)偶件摩擦，發(fā)生剝落并形成磨屑，使胎體快速磨損(圖 6(d))，金剛石脫落率增大，特別在磨頭硬度較小時(shí)更嚴(yán)重，使金剛石出露速度和脫落速度相當(dāng)，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定(圖5)；較高金剛石脫落率使得參與有效磨削的磨粒數(shù)減少，單顆金剛石受力增大，發(fā)生嚴(yán)重磨粒磨損，如圖6(g)所示。
界面反應(yīng)程度影響金剛石磨粒強(qiáng)度和界面結(jié)合強(qiáng)度，較高的界面結(jié)合強(qiáng)度可增強(qiáng)磨頭力學(xué)性能，但如果界面反應(yīng)程度過高則會(huì)降低金剛石的強(qiáng)度和抗熱沖擊性能，使金剛石發(fā)生熱蝕或破碎。由表2、表3、圖5(c)可知，3種燒結(jié)工藝下，760 ℃/23 MPa/4 min工藝磨頭的力學(xué)性能和界面結(jié)合性能最好，但其摩擦性能較差。其主要?dú)w因于：1) 過高的磨頭硬度使金剛石出露速度慢，有效參與磨削金剛石數(shù)目少，單顆金剛石受對(duì)偶件力及熱沖擊較大，破損嚴(yán)重，降低了磨頭磨削性能；2) 金剛石出露速度慢導(dǎo)致胎體與磨屑摩擦，磨屑附著在胎體表面形成第三體，增大了摩擦表面硬度，使金剛石更難出露；3) 界面反應(yīng)程度過高降低了金剛石的強(qiáng)度和抗熱沖擊性，導(dǎo)致金剛石磨粒發(fā)生破碎和熱蝕現(xiàn)象。
4 結(jié)論
1) 680 ℃/15 MPa/4 min工藝磨頭的合金化程度較低，組成胎體的金屬粉末大多是機(jī)械結(jié)合，金剛石與胎體為機(jī)械包鑲，導(dǎo)致其力學(xué)性能較差；760 ℃/15 MPa/4 min和760 ℃/23 MPa/4 min工藝磨頭的合金化程度較高，金剛石和胎體形成冶金結(jié)合，力學(xué)性能提高；760 ℃/23 MPa/4 min工藝磨頭的力學(xué)性能最好。
2) 680 ℃/15 MPa/4 min 工藝磨頭硬度、抗彎強(qiáng)度較小，機(jī)械包鑲力較低且胎體磨損較快，金剛石嚴(yán)重脫落，摩擦磨損性能較差；760 ℃/23 MPa/4 min 工藝磨頭硬度、界面反應(yīng)程度過高，使胎體磨損慢、金剛石強(qiáng)度下降，阻礙金剛石正常出露，導(dǎo)致金剛石發(fā)生熱蝕和破碎；760 ℃/15 MPa/4 min 工藝磨頭具有最佳的耐磨匹配性和界面結(jié)合特性，摩擦磨損性能最好。