文/谭松成、杨洋（中国地质大学）
摘要：
为了系统研究铁基金刚石钻头胎体配方组成对胎体机械性能的影响规律，本文采用极端顶点法设计胎体配方试验。胎体配方组成为Fe(含P23%)、WC、-Cu、Ni、Co和Mn粉，试验测试指标为胎体硬度和耐磨性。对测试结果进行回归分析和非线性规划求解，分析了胎体配方组成对胎体机械性能的影响规律，从理论上得出了胎体硬度和耐磨性的最优值以及相应的胎体配方。结果表明：P可降低铁基胎体的烧结温度，有效阻止Fe对金刚石的热侵蚀作用。随着Fe(P-Fe)和WC含量的增加，胎体的硬度和耐磨性都得到明显改善，铁基胎体可以满足热压金刚石钻头对其机械性能的要求。
关键词：
热压；金刚石钻头；铁基胎体；回归分析
0前言
热压法制造金刚石钻头在我国生产已有数十年，目前常用的胎体体系有WC基、钴基和铁基。WC基胎体的烧结温度高，胎体硬度高、耐磨性强，而且对金刚石的热侵蚀作用较小，但胎体的自锐性能较差；钴基胎体是目前高品质金刚石制品中应用最多的体系，钴对金刚石的湿润性较好，且具有低温黏结特性，同时对金刚石的热侵蚀作用也小；铁和钴同处Ⅷ副族，许多性能与钴相近，资源丰富且价格便宜，是十分经济的胎体体系。据前人资料，在铁基胎体烧结温度低于℃时，金刚石只被轻度蚀刻，不但不损失金刚石的强度，反而可以提高金刚石在胎体中被黏结的强度。
近年来，由于金刚石制品市场竞争激烈，产品价格下跌，传统的WC基、钴基胎体制品成本偏高，使得铁基胎体成为近年来胎体研究的热点。本文的研究思路是，通过改变胎体配方中各金属粉末的比例，探讨胎体各成分含量变化对其物理机械性能（如硬度和耐磨性等）的影响规律，以期获得所需要胎体性能的优化配方，并指导实际生产应用。
1试验过程
通过分析不同材料对金刚石钻头胎体性能的影响，本试验以Fe(Fe-P)(38%～55%)和WC(10%～28%)作为胎体的骨架材料，-Cu(22%～32%)作为黏结材料，余量(Ni、Co、Mn)(12%～20%)作为中间材料，采用混料回归设计中的极端顶点法设计出12组胎体配方如表1所示。胎体试样规格为15mm×8.5mm×8.5mm=1.cm3，每组胎体配方烧制2个试样。试验模具为高强度、高纯度和高致密化的石墨模具，使用SM-A型自控智能烧结机进行烧结，烧结压力为13MPa，升温时间为4min，在℃时进行保温保压烧结，保温时间为2min，℃出炉，自然冷却。
（注：设计中Fe粉采用外购含P22%的Fe-P合金粉加纯铁粉混合而成，整体配比为：Fe-P粉占25%，还原铁粉占57%，铸铁粉占18%。）
2试验结果与分析
为了探索胎体各成分含量变化对其物理机械性能的影响规律，本文应用Excel数据分析库中的回归函数，对各配方胎体的相关试验数据进行四因素二次多项回归，以此求得试验指标y与胎体配方各组分xi之间的回归方程。通过回归方程，使用有约束的非线性规划求解方法求取胎体的最佳配方，回归模型如式1。由于测试条件限制，本试验选用了金刚石钻头胎体的主要指标硬度和耐磨性作为判断胎体性能的试验指标。
2.1试验测试与数据处理
2.1.1硬度测试与数据处理
胎体硬度测试采用HR-A型洛氏硬度计进行测量，根据胎体硬度的经验值范围，选择测量胎体的HRB值。测试前将每个胎体的上下正压制面在砂纸上进行人工磨光处理，在每种配方（两个试样）胎体的上下正压制面上各测量3个点，取两个试样上共12个测试点的平均值作为该配方下胎体的硬度测量值。
胎体硬度测试数据处理结果如表2所示，由数据分析得出的硬度回归函数如式(2)。胎体硬度与各组分之间的相关系数Multiple=1，回归分析的显著性水平SignificanceF=0.。铁基胎体硬度实测值和预测值与碳化钨和磷铁粉含量的关系如图1所示：
通过有约束的非线性规划求解,得出的胎体硬度最大值为HRB.63，此时的胎体配方为WC(24%)，-Cu(26%)，Fe(Fe-P)(38%)，余量(Ni、Co、Mn)(12%)。
2.1.2耐磨性测试与数据处理
铁基胎体的耐磨性试验在MPX-型盘销式摩擦磨损试验机（宜化试验机厂生产）上进行，磨料为白刚玉砂轮。取胎体在kN垂直压力、高转速、水冷却条件下与砂轮互磨10min后胎体的损失量，来表征不同配方下胎体的耐磨性，损失量越大，耐磨性越差。磨损试验的试样即为经过硬度测试的胎体试样。
磨损试验前使用电子分析天平准确称量并记录胎体质量，磨损试验后，将胎体放入烘箱中烘干，再次准确称量并记录磨损试验后的质量，磨损试验前后胎体质量的损失量即为所求的耐磨性指标。取同一配方两个胎体试样损失量的平均值作为该配方胎体的耐磨性指标。
胎体耐磨性测试数据处理结果如表3所示，由数据分析得出的铁基胎体耐磨性回归函数如式3，胎体耐磨性与各组分相关系数Multiple=0.99，回归分析的显著性水平SignificanceF=0.27，胎体耐磨性实测值和预测值与碳化钨及磷铁粉含量的关系如图2所示：
通过有约束的非线性规划求解，得出的胎体磨损量最小值为4.00E-07(g)，此时的胎体配方为WC(21%)，-Cu(23%)，Fe(Fe2P)(42%)，余量(Ni、Co、Mn)(14%)。
2.2试验结果分析
2.2.1胎体硬度分析
由图2，1#～7#配方中，WC含量均相同，可知胎体硬度有随磷铁粉含量增加而升高的趋势，其中5#配方硬度偏低，很可能是由于-Cu黏结剂的含量(15%)低于其设计值下限(22%)过多所造成的；8#配方比7#配方的WC含量多1%，而磷铁粉的含量少1%，测得胎体硬度仍有上升的趋势，说明小范围变化中磷铁粉和WC之间的相互增减不会对胎体硬度造成大的影响；9#、10#胎体配方中，磷铁粉含量为设计值下限，WC的含量逐渐增加，胎体的硬度却逐渐降低，其原因可能是WC含量增加偏少，而磷铁粉含量偏低，也可能是-Cu成分也偏少，而Ni、Co含量过高等多方面因素所造成的；12#与11#配方相比，WC含量不变，可知胎体硬度随磷铁粉含量增加而显著提高。
对4#～8#配方硬度进行对比分析：胎体配方中各组分之间变化均较小(5#除外)，所测得的硬度值变化也都不大，且都在HRB左右，完全能达到地质金刚石钻头的硬度要求。
对1#、9#、10#、12#胎体配方进行分析：四组配方中磷铁粉含量相同，而碳化钨的含量渐次增加，其中1#WC含量最少，硬度值也最小，12#WC含量最高，硬度值也最大。虽然总体来说，胎体硬度并没有随碳化钨含量增加而增大的趋势，但却不难得出WC含量对胎体硬度的影响比-Cu和Ni、Co、Mn更大的结论，至于这三种组分对胎体硬度的具体影响规律，还需要做进一步的试验和分析。
2.2.2胎体耐磨性分析
耐磨性试验的测试结果受个人操作规范和试验条件的影响非常大，本次试验测试结果中胎体各成分对耐磨性的影响规律不甚明显。
结合图2，对比2#～4#配方可知，铁基胎体的耐磨性受磷铁粉含量的影响较大，表现为随着磷铁粉含量的增加，胎体耐磨性明显提高；由5#～7#配方对比可知，适当增加胎体配方中Ni、Co含量可提高胎体的耐磨性；由8#～10#配方对比可知，WC能显著提高铁基胎体的耐磨性；由11#～12#配方对比可知，磷铁粉含量过低时，铁基胎体的耐磨性会大为降低。所以，磷铁粉对铁基胎体耐磨性的影响非常显著。
3结论
通过对铁基胎体硬度和耐磨性试验测试数据的处理和分析，可以得出以下几点结论：
（1）磷可降低铁基胎体的烧结温度，进而有效阻止Fe对金刚石的热侵蚀作用；
（2）随着磷铁粉和WC含量的增加，铁基胎体的硬度和耐磨性都得到明显改善；
（3）-Cu作为黏结剂，其含量对铁基胎体的性能也有着不可忽视的作用；
（4）在合理设计胎体配方和热压工艺的条件下，铁基胎体可满足热压金刚石钻头对其性能的要求。
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