Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的界面性能

董洪峰，郭從盛

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Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的界面性能

董洪峰，郭從盛

(陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，漢中 723003)

采用壓制燒結(jié)技術(shù)制備一種新型Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片；分別用XRD、SEM、拉曼光譜測試分析鋸片的斷面物相、斷口形貌、金剛石/胎體界面的元素分布和金剛石機(jī)械包鑲力。結(jié)果表明：金剛石/胎體界面存在鐵的碳化物；由金剛石靜應(yīng)力公式算得金剛石的機(jī)械包鑲力為387 MPa，由于胎體冷卻時發(fā)生塑性變形以及界面處金剛石/鐵碳化物間存在晶格錯配，釋放熱應(yīng)力，使得包鑲力絕對值遠(yuǎn)小于熱殘余應(yīng)力(4.6 GPa)的絕 對值。

Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片；界面反應(yīng)；機(jī)械包鑲力；拉曼光譜

金屬基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片具有自銳性、超硬、超薄、近凈成形、尺寸精度高等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于特種陶瓷、半導(dǎo)體、磁性材料、寶石等脆硬材料的精細(xì)加工[1?2]。根據(jù)Co元素百分含量不同，金剛石超薄鋸片可分為低Co基(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜18%)和高Co基(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞18%)。李文生等[3]采用壓制燒結(jié)技術(shù)成功制備節(jié)Co型(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜8%)Fe-Cu基金剛石超薄鋸條，并研究了鋸條組織和性能。

金屬基金剛石超薄鋸條與其它金屬基金剛石復(fù)合材料相似，均由胎體、金剛石和界面構(gòu)成。金剛石的共價鍵晶格結(jié)構(gòu)使其具有高硬度、高強(qiáng)度和抗磨損等優(yōu)良性能，主要用做金剛石工具的切削元件[4?5]。胎體對金剛石的機(jī)械包鑲力和界面反應(yīng)均制約著鋸條的摩擦性能，機(jī)械包鑲力大小影響鋸條摩擦?xí)r金剛石的出露高度和金剛石使用率；適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)可提高界面結(jié)合性能，但若界面反應(yīng)過度則會惡化界面結(jié)合或?qū)е陆饎偸痆6]。部分學(xué)者已采用抗彎強(qiáng)度分析法、彈性力學(xué)方程間接表征或計算機(jī)械包鑲力，但計算值與真實(shí)值間誤差較大[7?8]。

拉曼光譜分析技術(shù)已成功應(yīng)用于計算釬焊[9]、電解[10]等工藝制備試樣的界面靜應(yīng)力，拉曼活性材料的界面應(yīng)力可由其與無應(yīng)力試樣的斯托克斯峰差值進(jìn)行計算。由于被測試樣較小且拉曼光譜的分辨率較高，使界面應(yīng)力可以精確測量。

本研究采用拉曼光譜和其它顯微測試技術(shù)研究壓制燒結(jié)Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的機(jī)械包鑲力和界面反應(yīng)，并探討機(jī)械包鑲力的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的組分和粉末性能參數(shù)如表1所列，圖1所示為金剛石的SEM照片。

圖1 金剛石的掃描SEM照片

表1 Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸條的組分和粉末性能參數(shù)

按表1成分稱取粉末，用三維渦流混料機(jī)(TD-2)混合60 min，向金屬混合粉中加入液體石蠟作為成形劑，重新混合30 min后裝入冷壓模具中，將混合粉末在壓頭表面均勻鋪展，并在HT-1500KN壓樣機(jī)中單軸壓制平均厚度為0.29 mm的壓坯試樣，冷壓模具材料為Cr12鋼，壓頭外徑尺寸85 mm、內(nèi)徑20 mm。冷壓加載速率0.15 mm/min，壓制力187 MPa，保壓時間2 min。冷壓坯脫模后在200 ℃惰性氣氛中恒溫5 min，以去除殘余成形劑。除氣后壓坯裝入真空熱壓燒結(jié)機(jī)(RYJ-2000Z)燒結(jié)成形。熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度 700 ℃、燒結(jié)壓力18 MPa、保溫時間 6 min。制備的Fe-Cu基金剛石鋸條平均厚度為0.21 mm。

1.2 性能及結(jié)構(gòu)分析

采用附帶能譜儀(EDX)的JSM-6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡和Rigaku D/Max-2400 X射線衍射儀觀察分析壓制燒結(jié)鋸條組織、斷面形貌和物相組成。用Nivia Confocal 200型拉曼光譜儀分析金剛石表面靜應(yīng)力，以激光為光源，波長632.8 nm。

1.3 計算機(jī)械包鑲力

用金剛石拋光劑對燒結(jié)試樣進(jìn)行打磨拋光，去除表面金屬胎體，使表層金剛石出露。因試驗(yàn)所用MBD12金剛石為6~8面體形狀，單面露出胎體對鄰近面的受力狀態(tài)影響很小(、均很小)，圖2所示為6~8面體金剛石典型截面的受力示意圖。圖3為界面應(yīng)力測量點(diǎn)示意圖，測量點(diǎn)在金剛石(100)、(111)面鄰近棱邊約0.1~1 μm處(Nivia Confocal 200型拉曼光譜儀的橫向、縱向分辨率分別為1 μm和2 μm，測量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近金剛石受靜應(yīng)力面)，測量方向與面垂直。機(jī)械包鑲力可由方程(1)~(3)計算得到。

圖2 6~8面體金剛石典型截面的受力示意圖

圖3 機(jī)械包鑲力測量點(diǎn)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11?12]，金剛石表面靜應(yīng)力(hydrostatic)可由方程(1)算得：

式中：hydrostatic為靜應(yīng)力系數(shù)；為斯托克斯峰的波長變化。若金剛石在應(yīng)力作用下的斯托克斯峰()大于無應(yīng)力的(0)，則金剛石受壓應(yīng)力，反之金剛石受拉應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可得金剛石靜應(yīng)力系數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差hydrostatic=(?0.347±0.017) GPa/cm?1。

由于被測金剛石的一個面裸露，因此可用垂直于拉曼激光的二維應(yīng)力計算機(jī)械包鑲力。則：11=0 MPa,22=33=biaxial，可得：

并且：

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，式中金剛石彈性柔度系數(shù)11= 1.01 TPa?1,12=?0.14 TPa?1,44= 1.83 TPa?1以及聲子形變勢=?2.82·0,=?1.78·02,=?1.89·02。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 碳化物形成元素的界面擴(kuò)散

圖4所示為Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的界面能譜線掃描分析結(jié)果，可知界面富集Fe元素。

圖5所示為Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的XRD圖譜，鋸片組織以Fe、Cu為主相，同時存在Fe5C2，F(xiàn)e3C，F(xiàn)e2C、(Fe, Ni)23C6等物相衍射峰。

2.2 界面結(jié)合特性

圖6所示為Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸條的斷口SEM照片。金剛石表面凸凹不平，經(jīng)EDS分析可知，凸出部分為Fe的碳化物。

圖4 Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸條的界面Fe元素能譜線掃描分析結(jié)果

圖5 Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸片的XRD圖譜

圖7所示為壓制燒結(jié)前后金剛石的斯托克斯峰值變化Δ(0=1 327.8 cm?1，=1 328.7 cm?1)。由方程(1)~(3)計算得金剛石的機(jī)械包鑲力達(dá)387 MPa，受壓應(yīng)力作用。

圖6 鋸片斷口SEM照片

圖7 壓制燒結(jié)前后金剛石的斯托克斯峰

3 分析與討論

根據(jù)熱應(yīng)力方程(4)可知，熱應(yīng)力由金剛石和胎體的熱膨脹系數(shù)差異(Δ)、燒結(jié)溫度與室溫差(Δ)、金剛石彈性模量(diamond)共同決定。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，經(jīng) 700 ℃燒結(jié)后，diamond=1 050 GPa, Δmatrix=?6.38×10?6K?1, Δ=680 K，計算得金剛石表面殘余熱應(yīng)力為 4.6 GPa。

公式中th代表金剛石表面殘余熱應(yīng)力。

經(jīng)對比可知，金剛石機(jī)械包鑲力的絕對值(|387| MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱應(yīng)力絕對值(|4.6| GPa)，說明試樣熱應(yīng)力經(jīng)基體、界面?zhèn)鬟f到金剛石表面時發(fā)生了內(nèi)應(yīng)力釋放。其主要原因?yàn)橐韵聝蓚€方面：首先，壓制燒結(jié)試樣的胎體/金剛石界面處生成了Fe碳化物相(如圖5、圖6所示)，F(xiàn)e碳化物的彈性模量遠(yuǎn)小于金剛石，在機(jī)械包鑲力作用下易產(chǎn)生彈性變形，釋放應(yīng)力[15]。并且Fe碳化物的生成，導(dǎo)致金剛石(100=0.356 6 nm)/Fe碳化物(e.g. Fe3C100=0.268 1 nm)界面產(chǎn)生晶格錯配，出現(xiàn)晶界，部分能量在晶界處發(fā)生分散，亦造成應(yīng)力釋放[16]。

機(jī)械包鑲力是胎體對金剛石施加的殘余壓應(yīng)力。由文獻(xiàn)[17]可知，機(jī)械包鑲力的值介于胎體屈服強(qiáng)度(190 MPa)和拉伸強(qiáng)度(416 MPa)之間，說明在試樣冷卻過程中胎體發(fā)生了塑性變形，釋放了金剛石表面的靜應(yīng)力。

因此，金剛石機(jī)械包鑲力的產(chǎn)生原因主要是試樣冷卻時因金剛石/胎體的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，而機(jī)械包鑲力遠(yuǎn)小于熱應(yīng)力是由界面處金剛石與Fe碳化物間晶格錯配和冷卻時胎體的塑性變形所導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

1) Fe-Cu基金剛石復(fù)合材料超薄鋸條的界面富集Fe元素，存在Fe5C2, Fe3C, Fe2C, (Fe, Ni)23C6鐵碳化 物相。

2) 斷口處的金剛石表面凸凹不平，經(jīng)檢測可知，凸出部分為Fe的碳化物。

3) 由金剛石靜應(yīng)力計算公式計算得到金剛石的機(jī)械包鑲力絕對值達(dá)|387| MPa，遠(yuǎn)小于理論熱殘余應(yīng)力的絕對值約|4.6| GPa。其主要原因是：由于界面處金剛石與Fe碳化物間產(chǎn)生晶格錯配及冷卻時胎體發(fā)生塑性變形，釋放了因金剛石/胎體的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力。

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(編輯 高海燕)

Interfacial properties of Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade

DONG Hong-feng, GUO Cong-sheng

(Department of Materials Science and Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

An new Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade was prepared by conventional cold compaction sintering technology. The phase composition, morphology of fracture surface, elemental distribution near the diamond/matrix phase boundary, and mechanical retention force were investigated by X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM) in combination with energy dispersive spectrometry (EDS), and Raman spectroscopy, respectively. The results show that Fe carbides are found at the diamond/matrix phase boundary. The mechanical retention reaches 387 MPa, the absolute value of which is much lower than that of thermal residual stresses of about 4.6 GPa. It is resulted from relaxation stress by plastic deformation of matrixes during cooling and lattice distortions of diamond and Fe carbides at the diamond /matrix phase boundary.

Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade; interfacial reaction; mechanical retention; Raman spectroscopy

TF125.13

A

1673-0224(2015)2-213-05

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計劃項(xiàng)目(14JK1146)；陜西理工學(xué)院校級人才啟動項(xiàng)目(SLGQD13(2)-17)

2014-04-15；

2014-09-10

董洪峰，講師，博士。電話：15129766410；E-mail: donghongfeng@163.com