CN109161820A - 一种金刚石工具用铁基胎体及制备方法 - Google Patents

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黄小婷
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Abstract

本发明涉及一种金刚石工具用铁基胎体及制备方法，该金刚石工具用铁基胎体的合金表达式为FeaCubZncSnd，合金表达式中a、b、c和d分别表示各对应组分的质量百分比含量，且满足以下条件：a为60～75，b为15～25，c为3～15，d为1～5，a+b+c+d=100；其制备方法为各组分合金粉末在热压烧结机中热压制备金刚石工具用铁基胎体；该金刚石工具用铁基胎体成分设计合理，铜元素与锌元素容易反应形成合金，铁基胎体合金化程度高、胎体硬度较高且抗弯强度较高，综合性能优异。

Description

一种金刚石工具用铁基胎体及制备方法
技术领域
本发明属于金刚石工具领域，具体涉及一种金刚石工具用铁基胎体及制备方法。
背景技术
金刚石工具是指用胎体材料与金刚石的颗粒或粉末相结合的一类工具产品。
金刚石工具具有耐高温、高硬度、韧性好、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低膨胀系数等优点，可以应用于高硬度、高脆性材料例如石材、混凝土等材料的切削及磨削精密加工，也可应用于如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的生产加工。在现代工业生产中金刚石工具有着广泛的用途，金刚石工具主要被用作磨具、锯切工具、钻探工具等。
许多研究结果表明金刚石工具的胎体材料性能最优的为钴基胎体，但是钴的市场价格昂贵，所以多数研究人员致力于以铁基胎体代替钴基胎体。金刚石工具对胎体材料的性能要求主要有：结合力，胎体材料要有足够的把持力牢固结合金刚石颗粒，保证金刚石工具的质量；耐磨性，胎体材料要有一定的耐磨性来保证金刚石颗粒不至于过早暴露而加大损耗；抗弯强度，胎体材料有一定的抗弯强度能够保证金刚石工具不易变形。
近年来铁基胎体的研发和应用进展较快，在许多应用领域内铁基胎体已经取代了钴基胎体。但是，金刚石用铁基胎体还存在许多缺点，想要更广泛应用还需要解决诸多问题，如磨损、烧结保温温度、胎体韧性、抗弯强度等问题。胎体材料的耐磨性与硬度有一定的关系，一般情况下胎体材料越硬，其耐磨性越好。金刚石工具用胎体性能与其合金成分有着密切的关系，通过改进胎体合金成分获得性能优良的胎体材料，有利于提高金刚石工具的质量和促进金刚石工具的广泛应用。
发明内容
本发明要解决传统的金刚石工具用胎体硬度低、耐磨性差和抗弯强度低的问题。为解决上述问题，本发明提供一种新型金刚石工具用铁基胎体。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种金刚石工具用铁基胎体，它的合金表达式为FeaCubZncSnd，合金表达式中a、b、c和d分别表示各对应组分的质量百分比含量，且满足以下条件：a为60～75，b为15～25，c为3～15，d为1～5，a+b+c+d=100。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体，合金表达式中a为65～73。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体，合金表达式中c为4～12。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体，合金表达式中c为6～11。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体，它的合金表达式为Fe70Cu20Zn8Sn2。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体，它的合金表达式为Fe68Cu20Zn10Sn2。
作为更详细的示例，本发明金刚石工具用铁基胎体的制备方法，包括以下步骤：
（1）选取纯度为99.99wt%的Fe粉、纯度为99.99wt%的Cu粉、纯度为99.99wt%的Zn粉、纯度为99.99wt%的Sn粉作为原料，按照FeaCubZncSnd合金表达式的质量百分比进行配料；
（2）将配制完成的合金粉末放入混料罐中，在混料机中进行混料50～80min,混料机的转速为10～60r/min；
（3）混料完成后合金粉末在热压烧结机中热压制备金刚石工具用铁基胎体。
如上所述的金刚石工具用铁基胎体的制备方法，在步骤（3）中，金刚石工具用铁基胎体的热压终点温度范围为720～820℃。
相对于现有技术，本发明金刚石工具用铁基胎体成分设计合理，铜元素与锌元素容易反应形成合金，铁基胎体合金化程度高、胎体硬度较高且抗弯强度较高，综合性能优异。
附图说明
图1是实施例1中 Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体材料在500倍金相显微镜下的金相组织照片；
图2是实施例2中 Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料在500倍金相显微镜下的金相组织照片；
图3是实施例2中Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料面扫描区域铁元素分布图；
图4是实施例2中Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料面扫描区域铜元素分布图；
图5是实施例2中Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料面扫描区域锌元素分布图；
图6是实施例2中Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料面扫描区域锡元素分布图；
图7是对比例中 Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体材料在500倍金相显微镜下的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种金刚石工具用铁基胎体，其合金表达式为Fe70Cu20Zn8Sn2。
1.作为更详细的示例，本发明金刚石工具用铁基胎体的制备方法，包括以下步骤：
（1）选取纯度为99.99wt%的Fe粉、纯度为99.99wt%的Cu粉、纯度为99.99wt%的Zn粉、纯度为99.99wt%的Sn粉作为原料，热压模具规格为40mm×8mm×3.5mm，计算可得胎体体积为1120mm3，按照Fe70Cu20Zn8Sn2合金表达式的质量百分比进行配料，根据以上条件可计算出所需的铁、铜、锌和锡粉末重量，其中铜粉的粒度为300目，其余金属粉原料都为200目；
（2）将称量好的金属粉末后倒入混料罐中，将混料罐密封后放入自动混料机中加装夹具将混料罐固定，设定混料时间为70min，混料机的转速为30r/min,混料完成后将混合均匀的粉料倒入准备好的样品袋中，编号并且密封；
（3）混料完成后合金粉末在热压烧结机中热压制备金刚石工具用铁基胎体。
热压制备金刚石工具用铁基胎体的步骤大致如下：
a.压制前需要进行装模，石墨模具的固定借助模框来完成，石墨模具的腔体决定胎体的成型。首先加装石墨模具，将长度短的下石墨片与长度长的石墨挡板交错排放，然后四周放好石墨挡板，再次固定石墨模具，将装好的模具放入模框中，在模框中具有螺钉的两面放置好金属挡板，另外在模框与模具之间、金属挡板与模具之间放置一块石棉板用来隔热。将称量完成的金属粉料加入模具型腔中并铺平，然后加装模具的上压头石墨片，最后用扳手拧紧模框的螺钉完成装模；
b.打开热压机的冷却液，然后开启热压机，在热压机控制面板设置热压过程工艺参数。将装配完成的模具下方放一块正方形石墨块作为支撑并放入加热腔中，放置模具时需保证整个模具在石墨块上，如果模具边缘超出石墨块会导致靠近边缘的胎体受力不均而不能成功压制胎体材料，然后关上炉门并调节红外感应仪的测温光线使其对准模具的测温孔，最后启动程序进行压制。热压烧结机设定的程序运转完成后，打开加热腔取出热压完成的胎体材料。
热压烧结机的工作原理和注意事项：本次试验所用到的热压烧结机主要组成部分为机体、冷却装置、显示装置，热压烧结机的工作温度范围在400-1000℃，压制过程为程序自动控制，压制工艺参数需人为设定，下表1为热压工艺参数设置情况,热压终点温度设定为780℃。铁基胎体通过模具压制成型，模具的材料为石墨，而石墨可以导电，热压烧结机的加热原理是通过电阻材料的通电生热来实现的，在加热炉腔中有上下两块电极板，位于下方的电极板固定不动，位于上方的电极板可液压传动，当上下两块电极板加持模具时，模具即可通电发热，其加压原理是通过上电极板的液压传动来实现的。另外，在加热炉腔的左侧设有一红外温度感应器，热压烧结机通过红外温度感应器来控制烧结过程，与热压烧结机相配合的冷却装置，在热压前必须开启，否则热压烧结机会因为长时间工作而发生故障。
表1 热压烧结工艺参数设置
2. Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体失重及流料测试：
铁基胎体由于其独特的成分组成，胎体中的低熔点金属容易流失。本测试的铁基胎体组分中含有金属锡，其熔点只有231℃，它在比较高的热压温度下会发生流料的现象，而模具的规格限定了金属胎体的尺寸不会变化，所以金属液体的流失会降低铁基胎体的致密度从而间接影响铁基胎体的硬度、韧性等力学性能。
将压制结束的模具取出并拆除模框，用较小的力敲开模具石墨片，保持胎体在模具中的位置顺序，观察模具上金属的粘连情况并记录，待铁基胎体完全冷却后按照编号顺序测量其重量并记录数据。表2为Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体流料及失重测试数据。
表2 Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体失重及流料测试数据
由上表2知，Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体流料情况良好，平均失重量为0.37g，其失重量较少,铁基胎体的致密度降低较少。
3. Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体硬度测试
在进行硬度测试前首先需要对压制完成的铁基胎体进行表面处理。将铁基胎体上下面及两侧面在砂纸上打磨光亮以去除氧化物及其它杂质，避免其对胎体材料硬度测试造成影响。
硬度测试步骤：
（1）设定总试验力为1KN，安装压头，压头为直径1.5875mm淬硬的钢球；
（2）将丝杠顶面及工作台上下端面清理干净，且工作台置于丝杠台上；
（3）将试样支撑面清理干净置于工作台上，旋转手轮使工作台缓慢上升并顶起压头，当大表盘上指针旋转三圈并指向0刻度线附近±5时，并且此时小表盘指针指向红色刻度线；
（4）旋转大表盘，使大表盘指针指向0刻度线；
（5）拉动加载手柄，施加主试验力，此时大表盘指针逆时针方向旋转；
（6）当大表盘指针逆时针方向旋转停止时，回推卸载手柄，卸载主试验力，记录硬度计指针示数，在同一个测试试样中选取多个不同位置进行硬度测试；
（7）反向旋转手柄，取出试样。
胎体材料硬度测试时，为了得到更加客观和准确的试验数据，使用的洛氏硬度常采用多点测试求其平均值的方法。另外，考虑到试验的工艺参数及模框的结构特点，胎体硬度测试时会出现一些跳动比较大的值，此时应该对该位置进行再次测定以保证数据的准确性。表3为Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体硬度测试的数据。
表3 Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体硬度测试数据
由表3可知，Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体的平均硬度为77.50HRB，其硬度较高。对于铁基胎体材料，通常来说胎体材料的硬度越高其耐磨性就越好，对金刚石的把持力也越高。
4. Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体抗弯强度测试
抗弯强度也称弯曲强度，通常是指采用简支梁法将材料试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。
本测试铁基胎体的抗弯强度是在Insron-1195万能力学试验机上进行的，采用三点弯曲法测定试样抗弯强度，试样尺寸为40mm×8mm×3.5mm，加载速率为1mm/min，万能力学试验机的下支座支辊间距为34mm。测试时将胎体试样平稳地放置于两支座上，避免测试试样掉落，在两支座的中间点施加一集中负荷，使试样产生弯曲应力和变形，直到测试试样断裂。记录实验数据，计算胎体材料的抗弯强度。三点抗弯强度的计算公式为：
σ=3PL/2H2B
公式中：P为测试时最大外加载荷（N）；L为跨距（mm）；B为试样宽度（mm）；H为试样的厚度（mm）。本测试中制备的试样宽度为8mm，厚度为3.5mm。表4为Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据。
表4 Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据
试样编号 载荷（KN） 抗弯强度（MPa）
试样1 1.288 670.3
试样2 1.274 663.0
试样3 1.282 667.2
抗弯强度直接反映了材料抵抗弯曲不断裂的能力。由表4知，Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体的平均抗弯强度为666.8MPa，抗弯强度较高，其承受载荷时的抗裂碎能力较强。另外，铁基胎体材料的抗弯强度一定程度上反映了胎体材料中合金元素的合金化程度，胎体材料抗弯强度越高其合金化程度也越高。
4. Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体显微组织观察
Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体材料借助金相显微镜观察其组织形貌，金相显微观察是对材料组织形貌观察较为有效的试验方法，通过金相显微观察可以清晰地观察到材料中各个组织的分布，便于进行直观的对比分析。
在金相试样制备镶样时，由于铁基胎体的尺寸比较大，所以在加镶嵌粉时应控制其合适的用量避免镶嵌失败，试样在镶嵌机中只能纵向放置并保证试样不倾斜。本实验金相试样的磨制所用的砂纸规格依次是600目、800目、1000目、1500目和2000目。砂纸打磨完成后试样在抛光机上进行抛光，抛光过程中加入粒度为1.5的金刚石抛光膏和适量的水，抛光完成后要确保金相组织观察面无划痕。抛光完成后金相试样采用特定的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀剂使用氯化铁、硝酸和酒精的溶液，各组分的比例为1：1：8，腐蚀时间控制在30秒左右，腐蚀时间过短和过长都会影响金相组织的观察，腐蚀过程中注意观察腐蚀面的颜色变化，腐蚀完成后马上用自来水冲洗试样观察面。
将制备完成的金相试样放置于金相显微镜下进行观察，观察的倍数最终为500倍。
图1为Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体材料的金相组织照片。由图1可见，Fe70Cu20Zn8Sn2铁基胎体材料的晶粒细小、显微组织致密均匀，其综合性能较好。
实施例2
一种金刚石工具用铁基胎体，其合金表达式为Fe68Cu20Zn10Sn2。
1.作为更详细的示例，本发明金刚石工具用铁基胎体的制备方法，包括以下步骤：
（1）选取纯度为99.99wt%的Fe粉、纯度为99.99wt%的Cu粉、纯度为99.99wt%的Zn粉、纯度为99.99wt%的Sn粉作为原料，热压模具规格为40mm×8mm×3.5mm，计算可得胎体体积为1120mm3，按照Fe68Cu20Zn10Sn2合金表达式的质量百分比进行配料，根据以上条件可计算出所需的铁、铜、锌和锡粉末重量，其中铜粉的粒度为300目，其余金属粉原料都为200目；
（2）将称量好的金属粉末后倒入混料罐中，将混料罐密封后放入自动混料机中加装夹具将混料罐固定，设定混料时间为80min，混料机的转速为20r/min,混料完成后将混合均匀的粉料倒入准备好的样品袋中，编号并且密封；
（3）混料完成后合金粉末在热压烧结机中热压制备金刚石工具用铁基胎体。
热压制备金刚石工具用铁基胎体的步骤大致如下：
a.压制前需要进行装模，石墨模具的固定借助模框来完成，石墨模具的腔体决定胎体的成型。首先加装石墨模具，将长度短的下石墨片与长度长的石墨挡板交错排放，然后四周放好石墨挡板，再次固定石墨模具，将装好的模具放入模框中，在模框中具有螺钉的两面放置好金属挡板，另外在模框与模具之间、金属挡板与模具之间放置一块石棉板用来隔热。将称量完成的金属粉料加入模具型腔中并铺平，然后加装模具的上压头石墨片，最后用扳手拧紧模框的螺钉完成装模；
b.打开热压机的冷却液，然后开启热压机，在热压机控制面板设置热压过程工艺参数。将装配完成的模具下方放一块正方形石墨块作为支撑并放入加热腔中，放置模具时需保证整个模具在石墨块上，如果模具边缘超出石墨块会导致靠近边缘的胎体受力不均而不能成功压制胎体材料，然后关上炉门并调节红外感应仪的测温光线使其对准模具的测温孔，最后启动程序进行压制。热压烧结机设定的程序运转完成后，打开加热腔取出热压完成的胎体材料。
热压烧结机的工作原理和注意事项：本次试验所用到的热压烧结机主要组成部分为机体、冷却装置、显示装置，热压烧结机的工作温度范围在400-1000℃，压制过程为程序自动控制，压制工艺参数需人为设定，下表5为热压工艺参数设置情况,热压终点温度设定为780℃。铁基胎体通过模具压制成型，模具的材料为石墨，而石墨可以导电，热压烧结机的加热原理是通过电阻材料的通电生热来实现的，在加热炉腔中有上下两块电极板，位于下方的电极板固定不动，位于上方的电极板可液压传动，当上下两块电极板加持模具时，模具即可通电发热，其加压原理是通过上电极板的液压传动来实现的。另外，在加热炉腔的左侧设有一红外温度感应器，热压烧结机通过红外温度感应器来控制烧结过程，与热压烧结机相配合的冷却装置，在热压前必须开启，否则热压烧结机会因为长时间工作而发生故障。
表5 热压烧结工艺参数设置
段号 时间（min） 压力（KN） 温度(℃)
00 0：00 20 420
01 2：30 20 650
02 1：00 30 780
03 1：30 30 780
04 1：00 20 600
05 0：00 00 000
2. Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体失重及流料测试：
铁基胎体由于其独特的成分组成，胎体中的低熔点金属容易流失。本测试的铁基胎体组分中含有金属锡，其熔点只有231℃，它在比较高的热压温度下会发生流料的现象，而模具的规格限定了金属胎体的尺寸不会变化，所以金属液体的流失会降低铁基胎体的致密度从而间接影响铁基胎体的硬度、韧性等力学性能。
将压制结束的模具取出并拆除模框，用较小的力敲开模具石墨片，保持胎体在模具中的位置顺序，观察模具上金属的粘连情况并记录，待铁基胎体完全冷却后按照编号顺序测量其重量并记录数据。表6为Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体流料及失重测试数据。
表6 Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体失重及流料测试数据
编号 流料 失重（g）
1 稍流 0.30
2 稍流 0.29
3 稍流 0.27
4 稍流 0.26
由上表6知，Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体流料情况良好，平均失重量仅为0.28 g，其失重量较少，铁基胎体的致密度降低较少。
3. Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体硬度测试
在进行硬度测试前首先需要对压制完成的铁基胎体进行表面处理。将铁基胎体上下面及两侧面在砂纸上打磨光亮以去除氧化物及其它杂质，避免其对胎体材料硬度测试造成影响。
硬度测试步骤：
（1）设定总试验力为1KN，安装压头，压头为直径1.5875mm淬硬的钢球；
（2）将丝杠顶面及工作台上下端面清理干净，且工作台置于丝杠台上；
（3）将试样支撑面清理干净置于工作台上，旋转手轮使工作台缓慢上升并顶起压头，当大表盘上指针旋转三圈并指向0刻度线附近±5时，并且此时小表盘指针指向红色刻度线；
（4）旋转大表盘，使大表盘指针指向0刻度线；
（5）拉动加载手柄，施加主试验力，此时大表盘指针逆时针方向旋转；
（6）当大表盘指针逆时针方向旋转停止时，回推卸载手柄，卸载主试验力，记录硬度计指针示数，在同一个测试试样中选取多个不同位置进行硬度测试；
（7）反向旋转手柄，取出试样。
胎体材料硬度测试时，为了得到更加客观和准确的试验数据，使用的洛氏硬度常采用多点测试求其平均值的方法。另外，考虑到试验的工艺参数及模框的结构特点，胎体硬度测试时会出现一些跳动比较大的值，此时应该对该位置进行再次测定以保证数据的准确性。表7为Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体硬度测试的数据。
表7 Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体硬度测试数据
编号 硬度（HRB）
试样1 80.47
试样2 82.52
试样3 79.98
试样4 80.06
试样5 81.34
由表7可知，Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体的平均硬度为80.87HRB，其硬度较高。对于铁基胎体材料，通常来说胎体材料的硬度越高其耐磨性就越好，对金刚石的把持力也越高。
4. Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体抗弯强度测试
抗弯强度也称弯曲强度，通常是指采用简支梁法将材料试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。
本测试铁基胎体的抗弯强度是在Insron-1195万能力学试验机上进行的，采用三点弯曲法测定试样抗弯强度，试样尺寸为40mm×8mm×3.5mm，加载速率为1mm/min，万能力学试验机的下支座支辊间距为34mm。测试时将胎体试样平稳地放置于两支座上，避免测试试样掉落，在两支座的中间点施加一集中负荷，使试样产生弯曲应力和变形，直到测试试样断裂。记录实验数据，计算胎体材料的抗弯强度。三点抗弯强度的计算公式为：
σ=3PL/2H2B
公式中：P为测试时最大外加载荷（N）；L为跨距（mm）；B为试样宽度（mm）；H为试样的厚度（mm）。本测试中制备的试样宽度为8mm，厚度为3.5mm。表8为Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据。
表8 Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据
试样编号 载荷（KN） 抗弯强度（MPa）
试样1 1.283 667.7
试样2 1.262 656.8
试样3 1.285 668.7
抗弯强度直接反映了材料抵抗弯曲不断裂的能力。由表8知，Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体的平均抗弯强度为664.4MPa，抗弯强度较高，承受载荷时的抗裂碎能力较强。另外，铁基胎体材料的抗弯强度一定程度上反映了胎体材料中合金元素的合金化程度，胎体材料抗弯强度越高其合金化程度也越高。
4. Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体显微组织观察
Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料借助金相显微镜观察其组织形貌，金相显微观察是对材料组织形貌观察较为有效的试验方法，通过金相显微观察可以清晰地观察到材料中各个组织的分布，便于进行直观的对比分析。
在金相试样制备镶样时，由于铁基胎体的尺寸比较大，所以在加镶嵌粉时应控制其合适的用量避免镶嵌失败，试样在镶嵌机中只能纵向放置并保证试样不倾斜。本实验金相试样的磨制所用的砂纸规格依次是600目、800目、1000目、1500目和2000目。砂纸打磨完成后试样在抛光机上进行抛光，抛光过程中加入粒度为1.5的金刚石抛光膏和适量的水，抛光完成后要确保金相组织观察面无划痕。抛光完成后金相试样采用特定的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀剂使用氯化铁、硝酸和酒精的溶液，各组分的比例为1：1：8，腐蚀时间控制在30秒左右，腐蚀时间过短和过长都会影响金相组织的观察，腐蚀过程中注意观察腐蚀面的颜色变化，腐蚀完成后马上用自来水冲洗试样观察面。
将制备完成的金相试样放置于金相显微镜下进行观察，观察的倍数最终为500倍。
图2为Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料的金相组织照片。由图2可见，Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体材料的晶粒细小、显微组织致密均匀，其综合性能较好。
5. Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体化学成分分析
多组元的材料进行性能分析时，金相显微观察会存在一定的局限性。材料内部的元素反应较为复杂，借助扫描电镜可进行更加深入的分析。
本测试使用面扫描，分析Fe68Cu20Zn10Sn2铁基胎体中元素的分布情况，通过观察分析其元素的分布情况，可评定铁基胎体的合金化程度。合金化较好的胎体材料，其综合性能较好。其中图3为面扫描区域铁元素分布图，图4为面扫描区域铜元素分布图，图5为面扫描区域锌元素分布图，图6为面扫描区域锡元素分布图。由图4和图5可见，铜元素与锌元素分布的区域和范围非常吻合，这说明了铜元素与锌元素之间的相互作用较强，它们在高温下的合金化程度非常高。
对比例
一种常用的金刚石工具用铁基胎体，其合金表达式为Fe72Cu20Zn6Sn2。
1.上述金刚石工具用铁基胎体的制备方法，包括以下步骤：
（1）选取纯度为99.99wt%的Fe粉、纯度为99.99wt%的Cu粉、纯度为99.99wt%的Zn粉、纯度为99.99wt%的Sn粉作为原料，热压模具规格为40mm×8mm×3.5mm，计算可得胎体体积为1120mm3，按照Fe72Cu20Zn6Sn2合金表达式的质量百分比进行配料，根据以上条件可计算出所需的铁、铜、锌和锡粉末重量，其中铜粉的粒度为300目，其余金属粉原料都为200目；
（2）将称量好的金属粉末后倒入混料罐中，将混料罐密封后放入自动混料机中加装夹具将混料罐固定，设定混料时间为70min，混料机的转速为30r/min,混料完成后将混合均匀的粉料倒入准备好的样品袋中，编号并且密封；
（3）混料完成后合金粉末在热压烧结机中热压成金刚石工具用铁基胎体。
热压制备金刚石工具用铁基胎体的步骤大致如下：
a.压制前需要进行装模，石墨模具的固定借助模框来完成，石墨模具的腔体决定胎体的成型。首先加装石墨模具，将长度短的下石墨片与长度长的石墨挡板交错排放，然后四周放好石墨挡板，再次固定石墨模具，将装好的模具放入模框中，在模框中具有螺钉的两面放置好金属挡板，另外在模框与模具之间、金属挡板与模具之间放置一块石棉板用来隔热。将称量完成的金属粉料加入模具型腔中并铺平，然后加装模具的上压头石墨片，最后用扳手拧紧模框的螺钉完成装模；
b.打开热压机的冷却液，然后开启热压机，在热压机控制面板设置热压过程工艺参数。将装配完成的模具下方放一块正方形石墨块作为支撑并放入加热腔中，放置模具时需保证整个模具在石墨块上，如果模具边缘超出石墨块会导致靠近边缘的胎体受力不均而不能成功压制胎体材料，然后关上炉门并调节红外感应仪的测温光线使其对准模具的测温孔，最后启动程序进行压制。热压烧结机设定的程序运转完成后，打开加热腔取出热压完成的胎体材料。
热压烧结机的工作原理和注意事项：本次试验所用到的热压烧结机主要组成部分为机体、冷却装置、显示装置，热压烧结机的工作温度范围在400-1000℃，压制过程为程序自动控制，压制工艺参数需人为设定，下表9为热压工艺参数设置情况,热压终点温度设定为780℃。铁基胎体通过模具压制成型，模具的材料为石墨，而石墨可以导电，热压烧结机的加热原理是通过电阻材料的通电生热来实现的，在加热炉腔中有上下两块电极板，位于下方的电极板固定不动，位于上方的电极板可液压传动，当上下两块电极板加持模具时，模具即可通电发热，其加压原理是通过上电极板的液压传动来实现的。另外，在加热炉腔的左侧设有一红外温度感应器，热压烧结机通过红外温度感应器来控制烧结过程，与热压烧结机相配合的冷却装置，在热压前必须开启，否则热压烧结机会因为长时间工作而发生故障。
表9 热压烧结工艺参数设置
段号 时间（min） 压力（KN） 温度(℃)
00 0：00 20 420
01 2：30 20 660
02 1：00 30 780
03 1：30 30 780
04 1：00 20 600
05 0：00 00 000
2. Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体失重及流料测试：
铁基胎体由于其独特的成分组成，胎体中的低熔点金属容易流失。本测试的铁基胎体组分中含有金属锡，其熔点只有231℃，它在比较高的热压温度下会发生流料的现象，而模具的规格限定了金属胎体的尺寸不会变化，所以金属液体的流失会降低铁基胎体的致密度从而间接影响铁基胎体的硬度、韧性等力学性能。
将压制结束的模具取出并拆除模框，用较小的力敲开模具石墨片，保持胎体在模具中的位置顺序，观察模具上金属的粘连情况并记录，待铁基胎体完全冷却后按照编号顺序测量其重量并记录数据。表10为Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体流料及失重测试数据。
表10 Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体失重及流料测试数据
编号 流料 失重（g）
1 稍流 0.38
2 稍流 0.39
3 稍流 0.37
4 稍流 0.38
由上表10知，Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体流料情况良好，平均失重量为0.38g，其失重量稍多。胎体材料失重较多将会对其性能造成不利影响。
3. Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体硬度测试
在进行硬度测试前首先需要对压制完成的铁基胎体进行表面处理。将铁基胎体上下面及两侧面在砂纸上打磨光亮以去除氧化物及其它杂质，避免其对胎体材料硬度测试造成影响。
硬度测试步骤：
（1）设定总试验力为1KN，安装压头，压头为直径1.5875mm淬硬的钢球；
（2）将丝杠顶面及工作台上下端面清理干净，且工作台置于丝杠台上；
（3）将试样支撑面清理干净置于工作台上，旋转手轮使工作台缓慢上升并顶起压头，当大表盘上指针旋转三圈并指向0刻度线附近±5时，并且此时小表盘指针指向红色刻度线；
（4）旋转大表盘，使大表盘指针指向0刻度线；
（5）拉动加载手柄，施加主试验力，此时大表盘指针逆时针方向旋转；
（6）当大表盘指针逆时针方向旋转停止时，回推卸载手柄，卸载主试验力，记录硬度计指针示数，在同一个测试试样中选取多个不同位置进行硬度测试；
（7）反向旋转手柄，取出试样。
胎体材料硬度测试时，为了得到更加客观和准确的试验数据，使用的洛氏硬度常采用多点测试求其平均值的方法。另外，考虑到试验的工艺参数及模框的结构特点，胎体硬度测试时会出现一些跳动比较大的值，此时应该对该位置进行再次测定以保证数据的准确性。表11为Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体硬度测试的数据。
表11 Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体硬度测试数据
编号 硬度（HRB）
试样1 78.02
试样2 76.16
试样3 75.37
试样4 76.21
试样5 77.02
由表11可知，Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体的平均硬度为76.56HRB，其硬度较低。对于铁基胎体材料，通常情况下，胎体材料的硬度越低其耐磨性就越差，这将造成金刚石工具的服役寿命下降。
4. Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体抗弯强度测试
抗弯强度也称弯曲强度，通常是指采用简支梁法将材料试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。
本测试铁基胎体的抗弯强度是在Insron-1195万能力学试验机上进行的，采用三点弯曲法测定试样抗弯强度，试样尺寸为40mm×8mm×3.5mm，加载速率为1mm/min，万能力学试验机的下支座支辊间距为34mm。测试时将胎体试样平稳地放置于两支座上，避免测试试样掉落，在两支座的中间点施加一集中负荷，使试样产生弯曲应力和变形，直到测试试样断裂。记录实验数据，计算胎体材料的抗弯强度。三点抗弯强度的计算公式为：
σ=3PL/2H2B
公式中：P为测试时最大外加载荷（N）；L为跨距（mm）；B为试样宽度（mm）；H为试样的厚度（mm）。本测试中制备的试样宽度为8mm，厚度为3.5mm。表12为Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据。
表12 Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据
试样编号 载荷（KN） 抗弯强度（MPa）
试样1 1.189 618.8
试样2 1.201 625.0
试样3 1.196 622.4
抗弯强度直接反映了材料抵抗弯曲不断裂的能力。由表12知，表12为Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体抗弯强度测试的实验数据。铁基胎体的平均抗弯强度为622.1MPa，抗弯强度较低，其承受载荷时的抗裂碎能力较差。另外，铁基胎体材料的抗弯强度一定程度上反映了胎体材料中合金元素的合金化程度，胎体材料抗弯强度越低其合金化程度也越低。
4. Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体显微组织观察
Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体材料借助金相显微镜观察其组织形貌，金相显微观察是对材料组织形貌观察较为有效的试验方法，通过金相显微观察可以清晰地观察到材料中各个组织的分布，便于进行直观的对比分析。
在金相试样制备镶样时，由于铁基胎体的尺寸比较大，所以在加镶嵌粉时应控制其合适的用量避免镶嵌失败，试样在镶嵌机中只能纵向放置并保证试样不倾斜。本实验金相试样的磨制所用的砂纸规格依次是600目、800目、1000目、1500目和2000目。砂纸打磨完成后试样在抛光机上进行抛光，抛光过程中加入粒度为1.5的金刚石抛光膏和适量的水，抛光完成后要确保金相组织观察面无划痕。抛光完成后金相试样采用特定的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀剂使用氯化铁、硝酸和酒精的溶液，各组分的比例为1：1：8，腐蚀时间控制在30秒左右，腐蚀时间过短和过长都会影响金相组织的观察，腐蚀过程中注意观察腐蚀面的颜色变化，腐蚀完成后马上用自来水冲洗试样观察面。
将制备完成的金相试样放置于金相显微镜下进行观察，观察的倍数最终为500倍。
图7为Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体材料的金相组织照片。由图7可见，Fe72Cu20Zn6Sn2铁基胎体材料的晶粒粗大、显微组织疏松，其综合性能较差。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，它的合金表达式为FeaCubZncSnd，合金表达式中a、b、c和d分别表示各对应组分的质量百分比含量，且满足以下条件：a为60～75，b为15～25，c为3～15，d为1～5，a+b+c+d=100。
2.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，所述合金表达式中a为65～73。
3.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，所述合金表达式中c为4～12。
4.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，所述合金表达式中c为6～11。
5.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，它的合金表达式为Fe70Cu20Zn8Sn2。
6.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体，其特征在于，它的合金表达式为Fe68Cu20Zn10Sn2。
7.根据权利要求1所述的金刚石工具用铁基胎体的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）选取纯度为99.99wt%的Fe粉、纯度为99.99wt%的Cu粉、纯度为99.99wt%的Zn粉、纯度为99.99wt%的Sn粉作为原料，按照FeaCubZncSnd合金表达式的质量百分比进行配料；
（2）将配制完成的合金粉末放入混料罐中，在混料机中进行混料50～80min,混料机的转速为10～60r/min；
（3）混料完成后合金粉末在热压烧结机中热压制备金刚石工具用铁基胎体。
8.根据权利要求7所述的金刚石工具用铁基胎体的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，金刚石工具用铁基胎体的热压终点温度范围为720～820℃。
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