石墨对金刚石工具胎体性能的影响

石墨对金刚石工具胎体性能的影响
刘英凯赵振艳林强姚俊青李顺卿
（河北省金刚石工具工程技术研究中心050035石家庄）
摘要：本文对石墨在金刚石工具中的应用进行了研究。

探讨了石墨加入量、石墨粒度及石墨类型对金刚石工具胎体性能的影响。

结果表明：随着石墨加入量的增加，胎体的孔隙率逐渐增高，致密度降低；加入鳞片石墨的胎体致密度要高于加入颗粒石墨的胎体。

不加石墨的胎体抗弯强度为800MPa，随着石墨加入量的增加，胎体抗弯强度逐渐降低，当-325目颗粒石墨加入量达到2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa，降低了40%。

在加入量一定的情况下，200目以粗颗粒石墨对胎体抗弯强度的影响要高于相同粒度的鳞片石墨和-325目颗粒石墨。

关键词：石墨胎体性能孔隙率抗弯强度
1 前言
金刚石工具被广泛的应用于土木工程、石材加工、交通工业、地质勘探与国防工业等领域[1]。

随着金刚石工具使用的普及，其价格一跌再跌，相关企业面临着巨大的成本压力。

因此国内外本行业的研究人员进行了大量的试验研究，开发出了价格相对低廉的Fe基、Cu基胎体，替代传统的Co基、Ni基胎体。

同时随着经济的飞速发展，社会的人工成本逐渐增加，终端使用者要求金刚石工具具有更高的使用效率。

因此，目前金刚石工具行业的开发方向是应用Fe、Cu基胎体开发高性能金刚石工具。

在胎体中加入添加剂元素是改善胎体性能的有效方法，石墨作为一种胎体弱化元素被行业内的研究人员所关注[2-4]。

本文将石墨作为添加剂元素加入Fe、Cu 基胎体中，重点考察了石墨粒度、石墨含量和石墨种类对金刚石工具胎体性能的影响。

2 试验方法及试验设备
2.1 试验原料
制备胎体的原材料金属粉末有：羰基铁粉、电解铜粉、钴粉、镍粉和锡粉，粒度均为-200目，纯度≥99.2%。

石墨粉末：颗粒石墨，含碳量99%以上，过筛后分为200目以粗和-325目两个粒度组成；鳞片石墨，产地山东青岛，纯度99%，呈扁平状，如图1所示，直径在80μm-200μm之间，厚度20μm左右。

图1 鳞片石墨
2.2 试验设备
试验中用到的设备有：Dr.fritsch DSP475真空烧结炉， LDW-100电子拉力试验机，sartorius MSE224S 型电子分析天平，VEGA3 LMH 型扫描电镜。

2.3试验方法
制备胎体的配方组成如表1所示。

表1 胎体配方组成表
元素种类 羰基Fe Cu Sn Ni
质量分数（Wt%）
40%-50% 40%-50% 1%-7% 5%-15%
对该配方胎体进行烧结，并测试其胎体性能，同时分别在胎体中加入0.5%、1%，1.5%、2%和2.5%的200目以粗颗粒石墨、-325目颗粒石墨和鳞片石墨，考察石墨加入量、粒度和种类对胎体性能的影响。

采用真空热压炉烧结制备刀头试样，制备工艺为烧结温度830℃，压力为30MPa ，保温时间为30min 。

制备30mm*12mm*6mm 的试样，采用三点弯曲法在抗弯试验机上进行抗弯强度试验，测量试样的表观密度并应用公式1计算孔隙率，同时应用扫描电镜进行断口微观分析。

%10010⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=ρρP （1） P ——材料孔隙率，％；
ρ0——试样表观密度，g/cm 3； ρ——试样理论密度，g/cm 3。

3 试验结果与讨论 3.1加入石墨对胎体机械性能的影响 图2为加入石墨后胎体孔隙率的变化，从图中可以看出，随着石墨加入量的增大，胎体孔隙率逐渐升高。

其中加入鳞片石墨胎体的孔隙率远低于加入颗粒石 墨的胎体，加入200目以粗颗粒石墨胎体的孔隙率要低于加入-325目颗粒石墨胎体的孔隙率。

这是因为鳞片石墨具有不规则层状结构，层内原子间结合较强，层间结合则弱，层间相对位移的切向应力不大，容易滑移，易于烧结成型[5]。

且鳞片石墨外表相对光滑，易于和胎体紧密接触，界面孔隙较少，因此烧结体具有较低的孔隙率。

颗粒石墨为近似海绵状颗粒，外表粗糙，成型阻力较大，影响烧结胎体的致密度。

且由于颗粒石墨表面高低不平，具有大量孔洞，在与金属基体结合时，界面处会有大量的孔隙存在，石墨颗粒越细比表面积越大，因此加入-325目颗粒石墨胎体的孔隙率要高于加入200目以粗颗粒石墨胎体。

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.61.71.81.9
2.02.12.22.32.42.52.6孔隙率（%）石墨加入量（Wt%）
-325目颗粒石墨 200目以粗颗粒石墨 鳞片石墨
图2 加入石墨对胎体孔隙率的影响
图3为加入石墨对胎体抗弯强度的影响，从图中可以看出，加入石墨后胎体抗弯强度逐渐降低。

石墨对胎体的弱化效果很明显，试验表明不加石墨的胎体抗弯强度为800MPa ，当-325目颗粒石墨加入量达到 2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa ，降低了40%。

由于石墨与金属的润湿性很差，因此石墨与金属基体的结合处存在着大量的缺陷，导致产生了应力集中[6]，使胎体的脆性增加。

在三种加入石墨的胎体中，加入粗颗粒石墨胎体抗弯强度最低。

粗粒度石墨颗粒与金属基体结合处的缺陷集中要远高于鳞片石墨和细颗粒石墨，因此更容易产生裂纹并造成裂纹的扩展，对胎体的抗弯强度影响更为明显。

图3 加入石墨对胎体抗弯强度的影响
3.2 加入石墨后胎体断口形貌分析
图4为加入不同量-325目颗粒石墨胎体断口的SEM 照片，从图中可以看出，随着加入石墨量的增加胎体致密度逐渐变差，孔洞增多。

石墨颗粒的弥散分布阻碍了金属元素的烧结扩散，随着石墨含量的增高，石墨间会团聚、搭桥，对胎体烧结成型的阻碍作用越来越明显；同时石墨与金属基体间存在着大量缺陷，随着石墨量的增加，胎体中的缺陷也会越来越多。

（a ） （b ） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
400450500
550600650
700750800
抗弯强度（M P a ）
石墨含量（Wt%） -325目颗粒石墨 200目以粗颗粒石墨 鳞片石墨
（c）（d）
（a）C含量0.5%;（b）C含量1%;（c）C含量1.5;（d）C含量2.5%
图4 加入-325目颗粒石墨胎体断口表面SEM形貌图5为加入鳞片石墨的胎体SEM断口形貌，图6为加入200目以粗颗粒石墨的胎体SEM断口形貌。

从图中可以看出，鳞片石墨在胎体中的分布有一定的方向性，且较为均匀。

在胎体的加压烧结过程中，胎体会发生高温压缩变形，石墨颗粒为了适应金属基体的塑性流动而发生偏转。

由于鳞片石墨呈扁平状，易于随着金属的塑性流动产生偏转和位移，在胎体内发生定向分布，且分布较为均匀。

颗粒石墨的形状不规则，烧结过程中较难发生偏转和移动，颗粒和颗粒之间容易产生搭桥现象，引发应力集中，产生裂纹扩展，石墨颗粒越粗，这一现象越明显，如图6所示。

图5加入鳞片石墨胎体SEM断口形貌图6加入200目以粗颗粒石墨胎体
SEM断口形貌
4结论
1）随着石墨加入量的增加，胎体的孔隙率逐渐增高，致密度降低；加入鳞片石墨胎体的致密度要高于加入颗粒石墨胎体。

2）随着石墨加入量的增加，胎体中的缺陷数量会增多，胎体的脆性增加，抗弯强度降低。

试验表明不加石墨胎体的抗弯强度为800MPa，当-325目颗粒石墨加入量达到2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa，降低了40%。

3）在石墨加入量一定的情况下，粗粒度的颗粒石墨对胎体抗弯强度的影响要高于相同粒度的鳞片石墨和细粒度的颗粒石墨。

参考文献
[1] 王明智.金刚石工具制造技术的发展与热点问题[J].超硬材料工程.2011,23
（5）：37-41
[2] 宋月清，刘一波等. 人造金刚石工具手册[M].北京：冶金工业出版社，2014
[3] 江斌、孟凡爱、刘英凯、祁勇，整体弱化结合局部强化工艺在金刚石圆锯片胎体开发中的应用研究[J].2009中国超硬材料技术发展论坛论文集 ,202-203 [4] 孙毓超，宋月清，等.金刚石工具制造理论与实践[M].郑州大学出版社，2005,5:10-13
[5] 孙杏囡,谈萍.影响铜-石墨材料密度的工艺因素[J].材料工程,1999，(9):3-5
[6] 浩宏奇,丁华东.工艺因素对铜石墨烧结材料性能的影响[J].西安交通大学学报,1997，(3):120-122。