金剛石對青銅基砂輪胎體燒結(jié)機(jī)制影響的探討

葉有明，張?jiān)?/p>

(柳州華錫銦錫材料有限公司，廣西柳州 545006)

以金剛石微粉為原料，分別用金屬、樹脂、陶瓷和電鍍金屬作結(jié)合劑，可制成各種形狀的金剛石砂輪，用于磨削、拋光、研磨等。它具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、耐磨性好的特殊優(yōu)勢，是磨削硬脆材料最理想的工具。由于加工效率高、精度高、加工表面質(zhì)量好、磨具消耗少、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于光學(xué)玻璃、石材、磁性材料、硬質(zhì)合金等行業(yè)［1］。相比四種類型砂輪，金屬基金剛石超薄砂輪有硬度高、切削鋒利、耐用度高及切削精度高等優(yōu)勢而被廣泛用于切割光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體材料、陶瓷、磁性材料等領(lǐng)域，而且隨著合金粉以及燒結(jié)工藝的發(fā)展，金屬結(jié)合劑金剛石超薄砂輪的應(yīng)用還在不斷擴(kuò)大，擁有金剛石砂輪80%以上的市場。

在金屬基金剛石超薄砂輪的結(jié)合劑主要以Co基、Fe基以及Cu基三種為主。由于Co與金剛石之間有良好的潤濕性，成為目前粘結(jié)金剛石最好的結(jié)合劑，但我國Co資源少，且Co比較昂貴，國內(nèi)廠家應(yīng)用較少［2］。Fe基結(jié)合劑中的Fe對金剛石表面具有強(qiáng)烈的刻蝕作用，會導(dǎo)致金剛石本身的強(qiáng)度降低，因此，F(xiàn)e基結(jié)合劑的使用并不廣泛。從成本以及綜合性能上考慮，青銅結(jié)合劑是最適合的一種結(jié)合劑，其優(yōu)點(diǎn)在于成型性好、可燒結(jié)性好、燒結(jié)溫度低。青銅基砂輪中，金剛石扮演著重要的角色。金剛石本身是最硬的物質(zhì)，加入胎體后會使超薄砂輪的硬度增加，高溫?zé)Y(jié)使胎體致密化，導(dǎo)致其強(qiáng)度提高。但是金剛石如何使胎體致密化以及對胎體燒結(jié)機(jī)制的報到很少見，所以本文通過各種分析手段來探討金剛石在胎體中的作用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料

試驗(yàn)原材料見表1。

表1 試驗(yàn)所用原材料

1.2 試驗(yàn)使用設(shè)備

試驗(yàn)的使用設(shè)備有:MX18型混料機(jī)、SY－1型刮料機(jī)、CP160型冷壓機(jī)、SM80型熱壓燒結(jié)機(jī)、XRD－7000S/L型衍射儀、Phenom prox型掃描電鏡等。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)混料時間6 h、燒結(jié)時間5 min、冷壓12 MPa、熱壓27.24 MPa，樣品的規(guī)格為 D76.2H40T0.3，具體試驗(yàn)方案見表2。

表2中，預(yù)合金粉加入越多，成型越困難，當(dāng)超過40%時，會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，所以本次試驗(yàn)只加到40%，其中預(yù)合金粉的合金相為 Cu40.5Sn11。表中CuSn比例、金剛石含量以及溫度參數(shù)都是通過多次試驗(yàn)選擇的最優(yōu)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

表2 試驗(yàn)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，對不同的配方在MX18型混料機(jī)上進(jìn)行混料，然后SY－1型刮料機(jī)上將粉料刮平且均勻，之后在CP160型冷壓機(jī)上進(jìn)行冷壓成型，冷壓脫模后的生坯在SM80型熱壓燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)，最后進(jìn)行XRD衍射分析和掃描能譜分析。

2.1 衍射分析

首先對第一組樣品進(jìn)行XRD衍射分析，其分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 第一組樣品的衍射圖

從圖1可以看出1#～5#樣品的衍射圖中除了存在單質(zhì)Cu、金剛石外，還存在合金相(Cu5.6Sn)。隨著預(yù)合金粉的不斷增加，合金相(Cu5.6Sn)的衍射峰也越來越來明顯，說明預(yù)合金粉促進(jìn)了合金化。但是1#衍射譜中也存在合金相，說明金剛石在胎體中也具有促進(jìn)合金化的作用。為了充分了解青銅基胎體的合金化情況，試驗(yàn)同時對第二組樣品的XRD衍射分析，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 第二組樣品的衍射圖

從圖2中可以看出，6#～9#樣品衍射圖譜中出現(xiàn)了另外一個合金相(Cu40.5Sn11)，各個圖譜中衍射強(qiáng)度變化跟第一組樣品一樣，隨著預(yù)合金粉的變化而導(dǎo)致合金化程度變化。由于6#～9#樣品沒有金剛石，所以Cu40.5Sn11相在燒結(jié)后得以保存。

2.2 燒結(jié)機(jī)制探討

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn):金剛石的加入可以促進(jìn)Cu40.5-Sn11相的分解。為了理解金剛石對胎體燒結(jié)機(jī)制的影響，首先要考慮胎體對金剛石的潤濕性，如圖3所示。

圖3 液－固接觸時狀態(tài)

從圖3可以了解各種金屬或合金對金剛石的潤濕性。θ表示接觸角或浸潤角，當(dāng)θ趨近0或cosθ=1時，金剛石幾乎被液相金屬(或合金)完全潤濕，而當(dāng)θ＞90°時，則金剛石就不能夠被液態(tài)金屬(或合金)潤濕。

液態(tài)金屬對于金剛石的浸潤，根據(jù)楊氏方程，液體與固體接觸時的情況可以用下式表示:

式中:γsg為固－氣接觸表面張力，即金剛石的表面張力/N;γLg為液態(tài)合金的表面張力/N;γLs為金剛石和液態(tài)金屬或合金的內(nèi)界面張力/N。

由式(1)可知，γLg、γLs的值越低則越有利于潤濕。Sn本身具有比較低的表面張力(8.5×10－2N/m2)，加入胎體中時，胎體的潤濕角會降低，利于對金剛石的潤濕，但由于Sn在銅基中具有一定的固溶度，易于形成合金相，不利于對金剛石的潤濕。金剛石加入胎體后，會利用液相低的表面張力而得到潤濕，從而在一定程度上抑制部分合金相的形成。換句話說，Sn在胎體中會因?yàn)闈櫇窠饎偸奂诮饎偸車榱俗C實(shí)這一點(diǎn)，對部分樣品進(jìn)行能譜分析，其測試結(jié)果如圖4所示。

胎體部分區(qū)域的能譜測試結(jié)果如圖4(a)，金剛石周圍區(qū)域的能譜測試結(jié)果如圖4(b)。根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，金剛石周圍的Sn含量比胎體部分的Sn含量高。說明當(dāng)Sn高溫熔解后，因?yàn)闈櫇褡饔枚奂诮饎偸車?，從而?shí)現(xiàn)短程擴(kuò)散，促使合金化的完成。由于Sn的短程擴(kuò)散，使Cu40.5Sn11相分解為較穩(wěn)定的Cu5.6Sn相。

圖4 能譜分析數(shù)據(jù)圖

熔化－溶解－析出機(jī)制和擴(kuò)散－固溶機(jī)制是Cu－Sn體系合金化過程的兩種機(jī)制［3］。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到Sn的熔點(diǎn)時，熔化－溶解－析出機(jī)制首先進(jìn)行，即Sn顆粒熔化后，迅速在Cu－Sn胎體中鋪展開，同時Cu迅速向Sn溶液中擴(kuò)散溶解形成合金相。當(dāng)合金相達(dá)到飽和后，以固溶合金的形式原位析出，并緊密地與胎體中的Cu連在一起;再通過擴(kuò)散－固溶機(jī)制，Sn元素繼續(xù)向Cu的內(nèi)部擴(kuò)散，得到不同合金化程度的胎體。

對于第一組樣品試驗(yàn)，擴(kuò)散初期，Sn/Cu相界面如圖5(a)所示;當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到Sn熔點(diǎn)(232℃)時，Sn很快熔解，隨后銅跟著溶解于液態(tài)Sn中，然后迅速潤濕于金剛石周圍;此時預(yù)合金粉由于有富含Sn的合金相，致使錫能在金剛石周圍發(fā)生短程的擴(kuò)散，而通過固溶原位析出形成比較穩(wěn)定的Cu5.6Sn相，其相界面如圖5(b)所示。胎體以熔化－溶解－析出機(jī)制與擴(kuò)散－固溶機(jī)制同時進(jìn)行，所以通過XRD衍射幾乎很難發(fā)現(xiàn)Cu40.5Sn11相。

圖5 第一組樣品合金化的Sn/Cu相界面示意圖

對于第二組樣品試驗(yàn)，胎體合金化的機(jī)制分兩步進(jìn)行:(1)熔化－溶解－析出機(jī)制:初始Sn/Cu相界面如圖6(a)所示。當(dāng)燒結(jié)溫度升至232℃后，Sn粉粒熔化，并迅速擴(kuò)散在Cu－Sn胎體中，致使Cu逐漸地溶解到熔融狀態(tài)的 Sn中，形成高溫合金相(Cu40.5Sn11)并原位析出，其相界面如圖6(b)所示;(2)擴(kuò)散－固溶機(jī)制:當(dāng)Cu擴(kuò)散溶解達(dá)到飽和之后，固溶擴(kuò)散成為繼續(xù)合金化過程的主要方式。由于Sn元素濃度的差異，使得富錫區(qū)域的Sn向Cu擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的Cu5.6Sn相，其相界面如圖6(c)所示，類似于預(yù)合金粉試驗(yàn)形成合金相的機(jī)制。高溫合金相(Cu40.5Sn11)分解非常緩慢，所以在室溫下也部分保留此相［4］。

圖6 第二組合金化的Sn/Cu相界面示意圖

3 結(jié)論

青銅基砂輪的燒結(jié)機(jī)制有兩個，即熔化－溶解－析出機(jī)制和擴(kuò)散－固溶機(jī)制。通過對比兩組樣品的衍射圖譜發(fā)現(xiàn):由于Sn對金剛石的潤濕作用，會使熔化－溶解－析出機(jī)制加速完成，從而促進(jìn)高溫合金相Cu40.5Sn11迅速發(fā)生分解。而未加入金剛石時，兩個機(jī)制發(fā)生都比較緩慢，導(dǎo)致高溫合金相Cu40.5Sn11分解不充分，室溫時還保留此相。

［1］ 左宏森，關(guān)春龍．造孔劑對金屬結(jié)合劑金剛石磨具力學(xué)性能的影響［J］．金剛石與磨料磨具工程，2009，(5):82 －85.

［2］ 孫毓超．金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:中國建材行業(yè)出社，1999．200 －201.

［3］ 梁騰平．Cu－Sn合金包覆鐵粉的制備及機(jī)理研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2009.

［4］ 阮建明，黃培云.粉末冶金原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.303－304.