鍍鈦對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊把持力的影響

肖長(zhǎng)江*，栗曉龍，李娟，栗正新

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

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鍍鈦對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊把持力的影響

肖長(zhǎng)江*，栗曉龍，李娟，栗正新

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

以鐵基和銅基為結(jié)合劑，分別加入表面未修飾金剛石和真空蒸發(fā)鍍鈦金剛石，在不同的燒結(jié)溫度下熱壓燒結(jié)得到鐵基和銅基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊。用掃描電鏡觀測(cè)了節(jié)塊的斷面形貌，用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試了節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度。結(jié)果表明：與表面未鍍金剛石節(jié)塊相比，表面鍍鈦金剛石的鐵基和銅基結(jié)合劑節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和把持力系數(shù)都有所提高。表面鍍鈦層能加強(qiáng)金剛石與金屬基體間的結(jié)合，從而提高把持力。

金屬基金剛石復(fù)合物；真空蒸發(fā)鍍鈦；鐵；銅；熱壓；燒結(jié)溫度；把持力

First-author's address: Department of Material Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China

金屬結(jié)合劑金剛石工具因其結(jié)合強(qiáng)度高、容易成型、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)良特性而在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)今公認(rèn)的、能加工硬脆非金屬材料的唯一有效工具。金屬結(jié)合劑基體主要有鈷基、鐵基、銅基、鎳基、鋁基等［1-3］。在這些結(jié)合劑中，鈷基結(jié)合劑抗彎強(qiáng)度高，對(duì)碳材料和碳化物的潤(rùn)濕性和粘結(jié)性好，鈷基金剛石磨具性能最好，但鈷屬于戰(zhàn)略物質(zhì)且價(jià)格較高，不適合大規(guī)模的工業(yè)化使用。鐵與鈷屬于同族元素，性質(zhì)比較相似，價(jià)格低廉且來(lái)源廣泛。銅基結(jié)合劑有滿意的綜合性能、低的燒結(jié)溫度、好的成型性和可燒結(jié)性以及與其他元素的相容性。鐵基和銅基結(jié)合劑正因?yàn)榉謩e具有以上的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際應(yīng)用最多。此外，為了提高金剛石工具的性能，對(duì)金剛石表面金屬化，即通過化學(xué)或物理的方法在金剛石表面鍍上其他金屬，能增強(qiáng)金剛石與金屬胎體間的鍵合，增加金屬胎體對(duì)金剛石的把持力，延長(zhǎng)金剛石工具的使用壽命［4］。

本文以最常用的鐵基和銅基結(jié)合劑為基體，分別加入表面未鍍和鍍鈦金剛石，然后在不同的燒結(jié)溫度下熱壓燒結(jié)分別得到鐵基和銅基結(jié)合劑胎體以及鐵基和銅基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊，通過測(cè)試節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和觀測(cè)節(jié)塊斷面的微觀形貌來(lái)研究金剛石表面鍍鈦對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊把持力的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 原材料

試驗(yàn)用到的金屬粉末主要有銅粉、鐵粉、鎳粉、錫粉和鋅粉，均為300目；鐵基結(jié)合劑中加入了WC顆粒。

各種組分所占的比例如表1所示。金剛石為SCD30系列40/50，濃度為40%。表面鍍鈦金剛石由河南博銳科技發(fā)展有限公司提供，金剛石同上，真空微蒸發(fā)鍍鈦，處理溫度720 °C，真空度6 ～ 7 Pa，保溫60 min，鍍鈦金剛石的增重率為30.1%，鍍層厚度為13.7 μm。

表1　2種金屬結(jié)合劑的組成Table 1 Compositions of two metal matrices

1. 2 試樣制備

將金屬粉末按比例倒入SFM-2型行星式混料機(jī)中混合均勻。在制備含金剛石節(jié)塊時(shí)，為避免金剛石和金屬粉的分層，加入金剛石質(zhì)量3%的聚乙烯醇（PVA）作為潤(rùn)濕劑與金屬粉末一起進(jìn)行混合。混合好的金屬粉末裝入石墨模具中，在RYJ-2000K型真空燒結(jié)壓機(jī)上進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為25 MPa，鐵基結(jié)合劑的燒結(jié)溫度分別設(shè)為700、730、760和790 °C，銅基結(jié)合劑的燒結(jié)溫度分別設(shè)為690、720、750和780 °C，升溫速率均為90 °C/min［5-6］，保溫時(shí)間3 min。節(jié)塊尺寸為32 mm × 4.5 mm × 3 mm。

1. 3 試樣檢測(cè)

金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的測(cè)試在INSTRON-5569型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速率為1 mm/min，跨距20 mm。同一條件下抗彎強(qiáng)度測(cè)試的樣品為5個(gè)，其抗彎強(qiáng)度的平均值即為該條件下樣品的最終抗彎強(qiáng)度?？箯潖?qiáng)度測(cè)試后保護(hù)好斷裂試樣的斷面，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其形貌。

對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石工具而言，一般都用把持力系數(shù)（F）來(lái)反映胎體對(duì)金剛石的把持力［7］：

式中，Bσ為不含金剛石時(shí)結(jié)合劑胎體的抗彎強(qiáng)度，MPa；Dσ為含金剛石時(shí)金屬結(jié)合劑節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度，MPa；q為胎體中加入金剛石后抗彎強(qiáng)度下降的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，該值越小，F(xiàn)值越大，表明胎體對(duì)金剛石的把持越牢固。

2　結(jié)果與討論

2. 1 金剛石表面形貌觀測(cè)

圖1為表面未鍍和鍍鈦金剛石的SEM照片。對(duì)比可知：未鍍鈦金剛石表面光滑，能反射光；金剛石表面鍍鈦層比較完整，鍍層已將金剛石顆粒完全包裹，表面粗糙度有所提高。

圖1 金剛石表面的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of diamond surface

2. 2 鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和把持力

圖2為不同燒結(jié)溫度下鐵基結(jié)合劑胎體以及分別含未鍍金剛石和鍍鈦金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度。從圖2可以看出：隨著燒結(jié)溫度的升高，結(jié)合劑胎體的抗彎強(qiáng)度先升高再降低，從700 °C的542 MPa增加到730 °C的565 MPa，在760 °C時(shí)達(dá)到最大值589 MPa，然后在790 °C時(shí)降到565 MPa。原因分析如下：在760 °C之前，結(jié)合劑胎體存在欠燒的行為，胎體還沒有致密化。溫度升高，燒結(jié)時(shí)液相量增加，節(jié)塊空隙減少，對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性好，節(jié)塊抗彎強(qiáng)度相應(yīng)提高。在760 °C以后，有過燒行為，出現(xiàn)流料現(xiàn)象，同時(shí)過高的溫度導(dǎo)致鐵基對(duì)金剛石的嚴(yán)重侵蝕，金剛石發(fā)生碳化，使得金剛石與鐵基結(jié)合劑的界面結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。

由圖 2還可以看出：未鍍金剛石節(jié)塊和鍍鈦金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化與胎體節(jié)塊抗彎強(qiáng)度有一致的變化規(guī)律，都是在760 °C時(shí)抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為482.6 MPa和519.2 MPa；另外，加入金剛石以后，節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度都降低，但鍍鈦金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度要高于未鍍金剛石節(jié)塊。一般情況下，金剛石與胎體材料的界面往往成為斷裂源，金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度通常會(huì)低于金屬結(jié)合劑胎體的抗彎強(qiáng)度。

不同燒結(jié)溫度下，鐵基結(jié)合劑胎體對(duì)金剛石的把持力系數(shù)的變化如圖3所示。從圖3中可以看出：未鍍和鍍鈦金剛石的把持力系數(shù)隨燒結(jié)溫度的升高有相同的變化規(guī)律，在730 °C時(shí)把持力系數(shù)最大。在不同的燒結(jié)溫度下，鍍鈦金剛石節(jié)塊的把持力系數(shù)均高于未鍍的，說明金剛石表面鍍鈦后，胎體對(duì)金剛石的把持能力提高，即胎體與金剛石間的結(jié)合強(qiáng)度增加。此外，把持力系數(shù)與燒結(jié)溫度之間沒有線性關(guān)系。

圖2 不同燒結(jié)溫度下鐵基結(jié)合劑鍍鈦與未鍍鈦金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度Figure 2 Flexural strength of Fe-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

圖4 不同燒結(jié)溫度下銅基結(jié)合劑鍍鈦與未鍍鈦金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度Figure 4 Flexural strength of Cu-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

圖5 不同燒結(jié)溫度下銅基結(jié)合劑鍍鈦與未鍍鈦金剛石節(jié)塊的把持力系數(shù)Figure 5 Holding force coefficient of Cu-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment sintered at different temperatures

2. 4 鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的斷口形貌

為了解金屬結(jié)合劑與金剛石間界面的結(jié)合狀態(tài)，用SEM觀測(cè)了鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊經(jīng)抗彎強(qiáng)度測(cè)試斷裂后的斷面形貌，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鐵基結(jié)合劑鍍鈦與未鍍鈦金剛石節(jié)塊的斷口形貌Figure 6 Fracture morphology of Fe-matrix uncoated or Ti-coated diamond segment

從圖6a可以看出：金剛石表面有很多坑點(diǎn)，而且金剛石表面有片狀脫落現(xiàn)象，界面間存在明顯的溝槽，說明未鍍金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合狀態(tài)較差。這是因?yàn)榻饎偸欠墙饘?，與結(jié)合劑金屬之間有較高的界面能，金剛石不能被結(jié)合劑金屬浸潤(rùn)，因而金剛石與結(jié)合劑金屬之間的結(jié)合狀況為機(jī)械包鑲。而在圖6b中可以看出金剛石表面比較光滑，金剛石與結(jié)合劑之間結(jié)合緊密，斷口處金剛石表面粘有結(jié)合劑，金剛石表面未發(fā)現(xiàn)片狀脫落現(xiàn)象。對(duì)比圖6a和圖6b可以看出：若金剛石表面沒有鍍覆層，高溫?zé)Y(jié)時(shí)鐵合金中的元素會(huì)對(duì)金剛石表面產(chǎn)生較嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕（如使金剛石表面石墨化），從而影響結(jié)合劑對(duì)它的把持力和金剛石的強(qiáng)度。金剛石表面鍍鈦后，依靠鍍鈦層的中介作用，結(jié)合劑牢牢地把持著金剛石。這說明使用鍍鈦金剛石能夠改善鐵基結(jié)合劑與金剛石界面的結(jié)合狀況，增強(qiáng)了結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力［8］。銅基結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合與此類似。

3　結(jié)論

采用表面鍍鈦金剛石制備的鐵基和銅基結(jié)合劑節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和把持力系數(shù)與采用表面未鍍金剛石制備的節(jié)塊相比都有所提高。

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［ 編輯：溫靖邦 ］

Effect of titanium coating on holding force of metal-bonded diamond segment

XIAO Chang-jiang*， LI Xiao-long，LI Juan， LI Zheng-xin

Fe- and Cu-matrix diamond segments were prepared by hot pressing at different sintering temperatures using diamonds unmodified and coated with titanium via vacuum evaporation， respectively. The fracture morphologies of segments were observed by scanning electron microscopy and their flexural strength was measured by a three-point bending method. The results showed that compared with the segment prepared with uncoated diamonds， the flexural strength and holding force coefficient of Fe- and Cu-matrix titanium-coated diamond segments are both improved. The titanium coating on diamond surface strengthen the bonding between metal matrix and diamond， thus increasing the holding force.

metal-matrix/diamond composite； vacuum evaporation of titanium； iron； copper； hot pressing； sintering temperature； holding force

TB333

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0407 - 04

2015-08-21

2015-10-19

河南省教育廳基金資助項(xiàng)目（15A430022）。

肖長(zhǎng)江（1969-），男，博士，副教授，主要從事超硬材料和功能材料的制備和性能研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） cjxiao@haut.edu.cn。