金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中鋁基結(jié)合劑性能優(yōu)化研究

陳克鑫， 劉一波, ， 曹彩婷， 劉 偉

(1. 鋼鐵研究總院， 北京100081) (2. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司， 北京102200)

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪廣泛用于磨削加工硬脆材料，如陶瓷、玻璃、石材、混凝土以及新興工業(yè)材料(半導(dǎo)體硅、藍(lán)寶石、電子陶瓷)[1]。青銅結(jié)合劑作為傳統(tǒng)的金屬結(jié)合劑的一種，具有好的成形性、導(dǎo)熱性、低溫?zé)Y(jié)性、耐磨性及高的強(qiáng)度，一直被廣泛應(yīng)用。近年來，鋁基結(jié)合劑得到了人們的關(guān)注。TANAKA等[2]用放電等離子燒結(jié)法制備Al/Fullerene、Al/Diamond砂輪，用來拋光半導(dǎo)體硅片，獲得了納米級(jí)的表面粗糙度。肖長(zhǎng)江等[3-4]研究鋁中添加Ti和Cr合金元素對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性和把持力的影響。添加的Ti顯著改善了金剛石的潤(rùn)濕性，提高了對(duì)金剛石的把持力；添加的Cr對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性沒有改善，但可以提高對(duì)金剛石的把持力。徐俊杰等[5]用熱壓燒結(jié)法制備Al-Cu-Mg-Ti-Cr結(jié)合劑金剛石砂輪，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，鋁基結(jié)合劑對(duì)金剛石包鑲能力較好，胎體綜合力學(xué)性能最優(yōu)。Cu的加入促進(jìn)Al2CuMg強(qiáng)化相和Al3Ti、Al2Cr彌散相的形成，細(xì)化了晶粒，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化了胎體。黎克楠等[6-7]通過熱壓燒結(jié)制備Al-Cu-Sn-Ni結(jié)合劑,研究了Mg和Ti對(duì)鋁基結(jié)合劑性能的影響。Mg和Ti都能降低鋁基結(jié)合劑的燒結(jié)溫度，細(xì)化晶粒并生成強(qiáng)化相，可提高結(jié)合劑的強(qiáng)度和硬度。王雙喜等[8]制備了多種鋁基結(jié)合劑磨輪，Al-Sn-Ti-Ni-Co系列結(jié)合劑在 300 ℃燒結(jié)制備的金剛石磨輪，結(jié)合劑的韌性比較適合修整陶瓷磚，結(jié)合劑對(duì)金剛石把持力好，陶瓷磚磨削時(shí)金剛石出刃較高，成本和樹脂結(jié)合劑相當(dāng)，壽命是樹脂結(jié)合劑的3倍。

過共晶AlSi20合金導(dǎo)熱性能好，線膨脹系數(shù)低，具有一定強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及耐蝕性，且Al、Si元素和金剛石又具有一定親和力。本研究以過共晶AlSi20合金為主體，加入強(qiáng)化鋁的常用元素Cu、Zn、Mg、Mn，制定正交試驗(yàn)方案，研究合金元素對(duì)鋁基結(jié)合劑性能的影響規(guī)律，為提高金剛石砂輪性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

AlSi20合金粉為主元，添加Cu、Zn、Mg、Mn等元素制備鋁基結(jié)合劑試樣。表1列出了所用原料的主要性能，5種粉末SEM形貌如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)粉末性能

(a)AlSi20粉(b)Cu粉(c)Zn粉(d)Mn粉(e)AlMg50粉圖1 5種粉末SEM形貌圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程

實(shí)驗(yàn)工藝流程圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置了AlSi20粉不添加合金元素的燒結(jié)試樣作為原始對(duì)照試樣。為了強(qiáng)化AlSi20的強(qiáng)度、硬度以及提高結(jié)合劑的脆性，確定出合適的合金成分，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu、Zn、Mg、Mn等4個(gè)合金元素，在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了四因素三水平正交表L9(34)，進(jìn)行9種不同成分合金試樣的燒結(jié)制備。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.2.3 熱壓燒結(jié)工藝流程

AlSi20粉的燒結(jié)工藝流程為：(1)從400 ℃開始勻速升溫，溫度達(dá)到500 ℃時(shí)保溫2 min, 保壓壓力20 kN；(2)勻速升溫達(dá)到530 ℃保溫2 min，保壓壓力25 kN；(3)再勻速升溫至550 ℃保溫5 min，保壓壓力25 kN；(4)隨爐冷卻至室溫。升溫速率為60 ℃/min。

其他9組試樣的燒結(jié)工藝流程為：(1)從400 ℃開始勻速升溫，溫度達(dá)到500 ℃保溫2 min，保壓壓力20 kN；(2)勻速升溫至510 ℃保溫2 min，保壓壓力25 kN；(3)再勻速升溫至520 ℃保溫5 min，保壓壓力25 kN；(4)隨爐冷卻至室溫。升溫速率為60 ℃/min。

1.2.4 試樣性能檢測(cè)

(1)采用阿基米德排水法測(cè)密度，每組測(cè)試5個(gè)試樣，并計(jì)算平均值，再計(jì)算致密度。

(1)

式中：ρ——試樣的密度，g/cm3；

ρ0——水的密度，ρ0=1 g/cm3；

m1——試樣在空氣中的質(zhì)量，g；

m2——試樣在水中的質(zhì)量，g。

致密度等于試樣密度除以其理論密度，理論密度按文獻(xiàn)[9]計(jì)算。

(2)用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)硬度，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，除去最大、最小值，取平均值。

(3)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在CMT4304 型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每組測(cè)試5個(gè)試樣并計(jì)算平均值。根據(jù)加載力、試樣尺寸、跨距來計(jì)算試樣的抗彎強(qiáng)度。

(2)

式中：σ——試樣抗彎強(qiáng)度，MPa；

F——試樣斷裂時(shí)的加載力，N；

L——支架兩點(diǎn)之間的跨距，mm；

b——試樣寬度，mm；

h——試樣高度，mm。

(4)用JSM-6400 型掃描電子顯微鏡觀察抗彎強(qiáng)度測(cè)試折斷后的試樣斷口形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原始對(duì)照組AlSi20在550 ℃燒結(jié)后試樣致密度為94.63%，硬度為HRB 41，抗彎強(qiáng)度為176.89 MPa。正交試驗(yàn)9組試樣燒結(jié)后的致密度、硬度、抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 試樣正交試驗(yàn)各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 試樣致密度正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表4是燒結(jié)試樣致密度測(cè)試結(jié)果的極差分析表。

表4 燒結(jié)試樣致密度正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

由表3、表4中數(shù)據(jù)可以看出：添加合金元素的9組試樣和沒有添加合金元素的試樣相比，致密度都有很大的提高，各個(gè)因素的極差值R的大小順序R(Zn)>R(Cu)>R(Mg)>R(Mn)，即各個(gè)因素對(duì)致密度的影響大小順序?yàn)閆n>Cu>Mg>Mn。

加入的合金元素都促使試樣燒結(jié)致密化，降低了燒結(jié)溫度。Zn和Al的共晶溫度為381 ℃，在燒結(jié)初期就已先熔化；Cu和Al、Si在522 ℃有共晶點(diǎn)，燒結(jié)過程中能生成液相。液相的生成促進(jìn)了元素的擴(kuò)散遷移，加速了燒結(jié)過程。Mg在燒結(jié)過程中，可以消除鋁硅粉末表面的氧化膜，促進(jìn)燒結(jié)致密化；材料的熔點(diǎn)隨粉末粒徑的減小而降低，由于加入的錳粉粒徑較小，熱壓燒結(jié)中錳也促進(jìn)了擴(kuò)散合金化的進(jìn)行。

2.2.2 試樣硬度正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表5是燒結(jié)試樣HRB硬度測(cè)試結(jié)果的極差分析表。不同合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硬度的影響變化趨勢(shì)曲線如圖3所示。

表5 試樣HRB硬度正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

(a)(b)(c)(d)圖3 不同合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硬度的影響

表5中各個(gè)因素極差值R的大小順序?yàn)镽(Mn)>R(Zn)>R(Cu)>R(Mg) ，即各個(gè)因素對(duì)硬度的影響大小順序?yàn)镸n>Zn>Cu>Mg。由圖3也可以看出：隨著Mn含量的增加，結(jié)合劑硬度顯著增加，Mn在合金中起著固溶強(qiáng)化的作用，同時(shí)Mn和Al能生成硬脆的Al-Mn化合物，顯著提高結(jié)合劑的硬度；隨著Zn含量的增加結(jié)合劑硬度緩慢增加。Zn在Al中固溶度很高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用；Cu在Al中的固溶度為5.65%[10]，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，溫度低時(shí)析出Al2Cu提高強(qiáng)度；由于Mg含量較低，Mg對(duì)硬度的影響較小。

硬度是反映材料彈性、強(qiáng)度、塑性和韌性等的綜合性能指標(biāo)。金剛石工具胎體中，硬度和耐磨性基本呈正相關(guān)關(guān)系。高硬度意味著高耐磨性，同時(shí)也意味著低塑性，高脆性。金剛石砂輪在磨削硬脆材料時(shí)，磨削對(duì)象產(chǎn)生的碎屑，同時(shí)也會(huì)對(duì)胎體產(chǎn)生研磨作用，結(jié)合劑高的硬度可以提高金剛石砂輪使用壽命。但為了滿足金剛石砂輪磨削自銳性的要求，提高胎體硬度后，再通過添加造孔劑，使結(jié)合劑在磨削中能像陶瓷結(jié)合劑一樣脆性斷裂。添加合金元素后AlSi20硬度由HRB 41增加到最高HRB 120。因此，添加適量的合金元素達(dá)到了預(yù)期效果。

2.2.3 試樣抗彎強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表6是燒結(jié)試樣抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的極差分析表。不同合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響變化趨勢(shì)曲線，如圖4所示。

表6 燒結(jié)試樣抗彎強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表 單位：MPa

合金元素的添加產(chǎn)生了強(qiáng)化的效果，從表6可看出：各個(gè)因素極差值R的大小順序?yàn)镽(Cu)>R(Mn)>R(Zn)>R(Mg) ，即各個(gè)因素對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)镃u、Mn、Zn、Mg。從圖4可知：σ在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)最高，在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4%以后緩慢減少；Zn和Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)σ的影響曲線相對(duì)平緩；σ隨Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，過多的Mn對(duì)抗彎強(qiáng)度不利。

結(jié)合劑的抗彎強(qiáng)度反映結(jié)合劑的相對(duì)韌性，高的抗彎強(qiáng)度能保證磨削的安全性?？紤]到后期引入造孔劑，高的孔隙率會(huì)削弱結(jié)合劑的強(qiáng)度，相對(duì)高一點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度是有必要的。

(a)(b)(c)(d)圖4 不同合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

2.3 試樣斷口形貌觀察

AlSi20燒結(jié)試樣斷口形貌如圖5所示。綜合結(jié)合劑強(qiáng)度、自銳性、安全性等因素選擇2個(gè)具有代表性的組合A1B2C2D2和A1B3C3D3，分別加入100%濃度的70/80的金剛石，觀察結(jié)合劑對(duì)金剛石的包鑲情況。A1B2C2D2和A1B3C3D3加入金剛石前后的燒結(jié)試樣斷口形貌分別如圖6和圖7所示。

(a)(b)圖5 AlSi20燒結(jié)試樣斷口形貌圖

(a)(b)(c)圖6 A1B2C2D2加入金剛石前后的燒結(jié)試樣斷口形貌

(a)(b)(c)圖7 A1B3C3D3加入金剛石前后的燒結(jié)試樣斷口形貌

斷口形貌和顯微組織與機(jī)械性能之間有緊密的聯(lián)系[11]，根據(jù)斷口可以判斷材料的韌性和脆性。圖5中AlSi20燒結(jié)試樣斷口組織疏松、粗大，有孔洞等缺陷。沿晶韌窩深淺不一，晶界結(jié)合較弱。從斷口形貌可以得出AlSi20燒結(jié)試樣機(jī)械強(qiáng)度不高，斷裂屬于韌性斷裂。

圖6a中A1B2C2D2燒結(jié)試樣斷口平坦光亮，組織致密細(xì)小、無明顯缺陷；圖6b中形貌呈河流花樣，有解理臺(tái)階以及大量的舌狀花樣，屬典型脆性斷裂的形貌特征；圖6c中胎體對(duì)金剛石包鑲良好，無明顯縫隙，表明胎體對(duì)金剛石的把持力較高。A1B2C2D2燒結(jié)試樣的硬度HRB 113，抗彎強(qiáng)度266.32 MPa。

圖7a中A1B3C3D3燒結(jié)試樣斷口比A1B2C2D2燒結(jié)試樣斷口更平坦，組織致密、細(xì)小；圖7b中斷口分布著河流花樣，有較大的解理臺(tái)階和舌狀花樣，表明其具有更高的脆性；圖7c中胎體對(duì)金剛石包鑲良好。A1B3C3D3燒結(jié)試樣的硬度HRB 118，抗彎強(qiáng)度229.42 MPa。

3 結(jié)論

(1)添加合金元素Cu、Zn、Mg、Mn可降低AlSi20的燒結(jié)溫度，促進(jìn)了燒結(jié)致密化，使鋁基結(jié)合劑有較高的致密度。

(2)合金元素對(duì)硬度的影響大小順序?yàn)镸n>Zn>Cu>Mg。Mn對(duì)AlSi20的硬度提高有很大作用，主要是生成了硬脆的Al-Mn化合物所致；合金元素對(duì)AlSi20抗彎強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)镃u>Mn>Zn>Mg。抗彎強(qiáng)度隨Cu、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加顯著減小，過多的Cu、Mn對(duì)AlSi20抗彎強(qiáng)度是不利因素。

(3)組合A1B2C2D2、A1B3C3D3有高的硬度和合適的抗彎強(qiáng)度，對(duì)金剛石包鑲良好，具有很高的脆性，可以提高鋁基結(jié)合劑金剛石砂輪磨削自銳性。

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