合金化铁粉对金属/金刚石复合材料性能的影响

HEATS

以铁磷及铁铜预合金粉末的形式加入铁，提高金属基体以及金刚石/金属复合材料的强度，提高对金刚石的把持力和耐磨性。

1、实验方法

3 S* W& X6 D8 u! c

采用小于75μm目的还原铁粉和鞍钢粉材厂生产的铁铜预合金粉末（Fe-7.2Cu-0.8Sn-0.05其他）及铁磷预合金粉末（Fe-0.51P-0.15C）为基础粉末，按下列配方表配制基体成分：（体积分数）%

% D( \' I) l) o4 A7 ~9 Z& l" q6 ^" H9 E9 e f2 J0 q3 H% }, w, ~: q5 F4 q" g1 P8 u/ Y1 m ?) }" g& e+ D6 g; ]5 b8 e6 q# F$ U- V! H* j* j' K" ^5 V+ z5 ]# M! g6 h' Z9 j G# H+ y2 x( `4 U) i* s$ S0 {, \$ u6 d3 g& u8 j$ D6 z8 j5 a7 U! y% c$ [9 c# |* E( Z5 D/ j: e) b5 R) `" r* X$ A! B3 f5 e. ~- P0 V5 m% q" ~* p" [# A( c; e5 K3 y( c- ^( y% B6 B( f8 A0 V" z* m$ M7 g) n$ M7 `# c i1 v1 j: Y, t7 B# x3 O; O; e' t' q. M6 J3 c- g5 }# M5 t# y0 l+ F$ F2 j' x- N! O+ @' X0 B H/ s$ |4 b/ T+ R# J

组别	0 l" @2 t6 E3 T' k! K# ]! P Fe	Fe-P	7 h! B4 T8 o* H3 Z `2 }; D& j7 `2 c% m Fe-Cu	Cu	. p6 } W; a# u, Z" z) l8 p4 i; k Ni	; L& t, A0 d/ s* g3 t" s" j Co	2 y# q% F/ A8 _4 s( ] Sn	( F/ B4 U2 ]* }5 O WC	A4
5 `6 O! O2 |: U4 ^7 I 1	31.5	1 G- g6 U& {: q		- C, Q! @/ T) T 30	- \- p- S3 x. S9 K7 O7 \: e$ \* D 16.5	7.5	8 Q! |! z+ w: k5 _* ^ 7.1	2 j* Q, T: r. k9 @. C! h* k3 N 6	# s: ^9 Y' M# S* D' N 1.4
$ t+ f2 b5 e3 F1 N 2	& P0 q6 `5 w( S/ }1 g	: X# @3 v) l: _4 B5 p. A 31.5	7 P* Y! |5 U* Z$ v" H* h	: [2 I0 d; V) p, W 30	* M% D1 O8 ~& @* H- R 16.5	9 Q- \) U5 v; Z( _& P; x- m% y' ^ 7.5	7.1	6	6 ~. Y9 V" X( d. w& j3 t 1.4
- s7 i' \1 s, u: U# @ 3	( x. i: E0 I1 C, T	+ P+ \ j" P& O# N1 Z/ E! U	" {. y9 E5 M, _4 W+ F- f" y1 R3 m' e 34.7	27.1	16.5	; ]9 E8 {: B$ z, v 7.5	2 f; x3 m o% F* {$ J, J9 y 6.8	6	1.4

注：A4为自制母预合金粉末

0 e D# s! _) z. M/ s3 e) W

采用热压法制备样品，设备为直热式热压机，石墨模具，热压在空气中进行。温度850-870℃，保温时间4-6min，热压压力为35Mpa。

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采用HR-150A硬度计测定基体的硬度；在WE-10A液压式万能材料实验机上测定三点抗弯强度，试样尺寸为5×5×40mm；采用阿基米德法测量试样密度；用自制磨损实验机测试基体耐磨性。

5 Q# F8 v8 @/ z; V/ p4 x" P6 P2 o- W

结果如下：

" w5 s( i# A5 B+ S8 H5 G# M( y# m5 g0 D, y( \1 j( I1 A/ C; g- l: @+ ]7 s% D' S+ }5 T! r5 c& z: e( z. P( U4 N/ ~" Y1 {1 f( Q/ o: K" N. j9 j O% ]: A2 C& n$ N9 U2 H+ F$ q/ l" V' c0 Z; Y1 a5 b6 o) j3 h5 g2 |/ P7 U' t4 C( {; e d2 M8 U; m) d- J2 s3 v7 a! }; p2 K, h9 y9 r. R" t8 P! o p+ q& F) v( K `" A6 b9 E9 y) f, U" B% j1 d- B) E8 G; D# w$ O- U: w. H. L- J& v% ~ d$ Y. @7 K' ]; M0 Z

基体材料	相对密度：%	抗弯强度：MPa	5 E2 v. e' f" @! l5 J1 b 硬度：HRC	磨损率：	2 G ~9 o6 t% x 复合材料强度：MPa
1	97.9	1182	9 V8 J& c% R! o, l& C 26.2	# h' c* V( J. s, Z; w8 D: l& \4 }; F- ] 2.17	994
2	99.6	3 Z- B, n9 [% O6 M3 R 1567	: t( j+ A8 o6 T. w K% i6 ~ 21.8	1.25	1169
& D+ z) J( d5 l1 x! }3 a$ | 3	. {% K: Y. B6 y F! t. A5 I 99.6	1320	20.6	1.15	& U( {: @3 W, B8 h) V3 R8 z 997

! V J8 J8 b4 e( [: M

2、结论与分析

2.1预合金粉末能够提高金属基体密度、强度、耐磨性。

a、  Fe-Cu预合金粉末内存在的Cu、Sn成分，当热压温度高于其熔点时，在合金化的铁粉内部将生成液相，这有利于热压材料的致密化，使其密度达到99.6%。另外，由于铜的作用是强化铁素体，使用合金化的粉末有利于合金元素的均匀化，充分发挥铜的固溶强化作用，使基体的抗弯强度提高。

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b、  以Fe-P预合金粉末为基础粉时，一方面，由于磷与铁的原子半径相差较大，形成间隙式固溶体起固溶强化作用。另一方面，磷的加入稳定了α-Fe相，铁在α-Fe相中高的扩散系数增加了烧结的致密化程度，使其密度达到99.6%。密度增加导致强度增加。

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c、  由于Fe基预合金粉末的加入提高了基体的相对密度，使其更接近理论密度值，而基体的耐磨性与空隙度有关，密度低，空隙度就大，颗粒间的连接减弱，表面粗糙，耐磨性就低。因此，提高了基体的相对密度的同时，就提高了耐磨性。

6 a& }. |' ]8 O% p7 n1 F& }

2.2基础粉末粒度对基体硬度的影响：降低颗粒尺寸有利于增加材料的硬度

% M! ~5 n2 L+ m; b p

采用还原铁粉基体的显微组织细小，WC颗粒较为弥散的分散在铁粉周围，而使用Fe-Cu预合金粉的试样显微组织粗大，WC颗粒呈团聚状。因此，采用还原铁粉基体的试样中，WC的弥散强化作用明显，表现为宏观硬度高；而Fe-Cu预合金粉的颗粒粗，WC颗粒呈团聚状，弥散强化作用差，表现为宏观硬度低。

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