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3.1Fe基孕鑲金剛石磨頭斷口結構和力學(xué)性能

       粉末燒結過(guò)程中合金化程度與燒結溫度和壓力密切相關(guān)。由圖4可知，不同燒結工藝磨頭均存在(Fe，Ni)固溶體相，且燒結溫度為 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，當燒結溫度高于 Sn 熔點(diǎn)(232 ℃)時(shí)，燒結體進(jìn)入液相燒結階段，加快合金化。較高的燒結溫度使液相量增大、固態(tài)金屬原子擴散加劇，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、減小胎體金屬對金剛石的潤濕角，促進(jìn)界面反應生成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)。因為在較大燒結壓力下，粉末顆粒燒結頸產(chǎn)生屈服、蠕變效應，促進(jìn)元素擴散。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界面，有助于形成金屬碳化物。

綜上所述，提高燒結溫度或增大燒結壓力均可促進(jìn)燒結合金化及胎體和金剛石界面反應，使組織致密、界面結合性能好，阻礙磨頭塑性變形和裂紋擴展，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，增強了界面結合及金剛石的顆粒強化效應，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；抗彎強度決定胎體對金剛石的機械包鑲力，影響金剛石脫落率，也即影響有效磨削金剛石數目；界面結合性能影響金剛石強度和冶金結合力。

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)白色矩形框區域胎體放大照片，(g)，(h)，(i)為圓形框區域金剛石放大照片。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(zhù)現象，對粘著(zhù)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(zhù)磨損；金剛石發(fā)生宏觀(guān)破碎，為嚴重磨粒磨損形式。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(guān)破碎，為輕微磨粒磨損形式，如圖6(e)，(h)所示。對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(zhù)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(對偶件)時(shí)，在載荷作用下預出刃金剛石磨粒與對偶件表面發(fā)生微碰撞，具有高沖擊強度的金剛石使對偶件表面破碎成磨屑，磨屑沿胎體與對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。當金剛石出露高度小于其尺寸的 1/3 時(shí)，金剛石僅受對偶件表面正應力作用，胎體與磨屑間摩擦較少；當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)而導致磨屑與胎體直接摩擦并附著(zhù)在胎體表面，形成第三體，降低摩擦因數；第三體與磨屑、對偶件摩擦，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)更嚴重，使金剛石出露速度和脫落速度相當，摩擦因數保持穩定(圖5)；較高金剛石脫落率使得參與有效磨削的磨粒數減少，單顆金剛石受力增大，發(fā)生嚴重磨粒磨損，如圖6(g)所示。

界面反應程度影響金剛石磨粒強度和界面結合強度，較高的界面結合強度可增強磨頭力學(xué)性能，但如果界面反應程度過(guò)高則會(huì )降低金剛石的強度和抗熱沖擊性能，使金剛石發(fā)生熱蝕或破碎。由表2、表3、圖5(c)可知，3種燒結工藝下，760 ℃/23 MPa/4 min工藝磨頭的力學(xué)性能和界面結合性能最好，但其摩擦性能較差。其主要歸因于：1) 過(guò)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目少，單顆金剛石受對偶件力及熱沖擊較大，破損嚴重，降低了磨頭磨削性能；2) 金剛石出露速度慢導致胎體與磨屑摩擦，磨屑附著(zhù)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) 界面反應程度過(guò)高降低了金剛石的強度和抗熱沖擊性，導致金剛石磨粒發(fā)生破碎和熱蝕現象。

4 結論

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械結合，金剛石與胎體為機械包鑲，導致其力學(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、抗彎強度較小，機械包鑲力較低且胎體磨損較快，金剛石嚴重脫落，摩擦磨損性能較差；760 ℃/23 MPa/4 min 工藝磨頭硬度、界面反應程度過(guò)高，使胎體磨損慢、金剛石強度下降，阻礙金剛石正常出露，導致金剛石發(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合特性，摩擦磨損性能最好。