銅基胎體中低熔點(diǎn)金屬的反應(yīng)特性及性能研究

周浩鈞，陶洪亮，文 平

（廣東奔朗新材料股份有限公司，廣東 佛山 528313）

1 引言

金屬Sn、Zn是金屬基金剛石工具常用的低熔點(diǎn)組分，可以用來調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度，改善燒結(jié)致密化行為，調(diào)控工具的鋒利度和使用壽命。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)及其對工藝參數(shù)的敏感性，常常困擾著配方設(shè)計(jì)工作者。若使用不合理，不僅難以達(dá)到調(diào)節(jié)效果，反而會(huì)嚴(yán)重偏離理想的工藝，惡化工具的使用性能［1－3］。因此，掌握低熔點(diǎn)金屬的燒結(jié)特性及其與其他金屬粉末或者預(yù)合金粉末間的相互作用特點(diǎn)，是發(fā)揮其應(yīng)用效能的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種配方，采用電阻式熱壓燒結(jié)法制備試樣，借助多種表征手段對比研究了低熔點(diǎn)金屬在銅基胎體中的燒結(jié)特性及其對性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 配方設(shè)計(jì)

采用電阻式熱壓的方法，制備了四種試樣。原材料包括單質(zhì)粉和預(yù)合金粉，氧含量均低于1500×10－6，其中Zn和部分Cu由預(yù)合金粉引入。表1為A、B、C、D試樣元素組成情況。

表1 實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)Table 1 Experimental formula design

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

用MX－6搖擺式三維渦流混料機(jī)混料1．5h，鋼模冷壓后，采用電阻式熱壓法制備尺寸規(guī)格為55mm×12mm×5mm和30mm×12mm×5mm的試樣。宏觀力學(xué)性能采用硬度儀、電子萬能試驗(yàn)機(jī)和沖擊韌性測定儀進(jìn)行測試，斷口形貌及物相定量分析分別借助掃描電子顯微鏡和X－射線衍射儀。熱壓燒結(jié)溫度為720℃，壓力為80kN，保溫180s，燒結(jié)工藝曲線如圖1所示。

圖1 燒結(jié)工藝曲線Fig．1 The curve of sintering process

3 結(jié)果及分析

3.1 宏觀力學(xué)性能分析

硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性是衡量金剛石工具燒結(jié)體性能的重要指標(biāo)，其大小與合金成分及燒結(jié)工藝關(guān)系密切。其中，硬度是指材料局部抵抗外界硬物壓入其表面的能力，在一定程度上也反映了燒結(jié)體致密程度；抗彎強(qiáng)度（TRS）常被眾多冶金技術(shù)人員當(dāng)作衡量“韌性”或者“強(qiáng)度”的尺度［4］；沖擊韌性與材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展行為有關(guān)，是指材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)單位截面積所消耗的能量，同時(shí)它也是產(chǎn)品安全性的重要判據(jù)。表2和圖2對比了四種試樣各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。

由測試結(jié)果可知：以Zn代Sn，當(dāng)Zn引入量由0→3wt%→5wt%→8wt%時(shí)，硬度值A(chǔ)＞B≈C＞D，而沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度值A(chǔ)＜B≈C＜D。這說明燒結(jié)試樣的性能與低熔點(diǎn)金屬組分關(guān)系密切，可通過改變Zn和Sn的配比來調(diào)控銅基胎體的性能。表2中B、C組和C、D組數(shù)據(jù)變化幅度呈現(xiàn)高度一致性，這說明硬度－沖擊韌性－抗彎強(qiáng)度三者之間可能存在某種相關(guān)性。在力學(xué)理論上，沖擊韌性主要反映的是制品內(nèi)部裂紋在擴(kuò)展過程中所受阻力的大小，抗彎強(qiáng)度則同時(shí)依賴于裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過程。當(dāng)硬度高、韌性低時(shí)，裂紋產(chǎn)生所需的應(yīng)力就大，裂紋產(chǎn)生過程對抗彎強(qiáng)度起控制作用。當(dāng)硬度低、韌性高時(shí)，裂紋擴(kuò)展所受的阻力越大，裂紋擴(kuò)展過程對抗彎強(qiáng)度就會(huì)起控制作用。對金剛石工具而言，其抗彎強(qiáng)度在一定程度上反映了胎體對金剛石磨料的把持能力。因此，在設(shè)計(jì)配方時(shí)應(yīng)綜合考慮硬脆相和韌性相的協(xié)同作用，在工具應(yīng)用端也應(yīng)充分了解加工工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能可能造成的影響。

表2 宏觀性能指標(biāo)對比Table 2 Comparison of macro－performances

圖2 硬度－抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性－抗彎強(qiáng)度關(guān)系圖Fig．2 The relationship of hardness－bending strength and impact toughness－bending strength

3.2 斷口形貌分析

選用美國FEI公司的Inspect S50掃描電子顯微鏡對A、B、C、D試樣進(jìn)行斷口形貌分析，放大倍數(shù)為3000倍，結(jié)果如圖3所示。由圖可知：（1）四種試樣均出現(xiàn)光亮平整的脆性斷面特征和類似于塑性斷裂的淺韌窩特征。相比較而言，D試樣淺韌窩特征最為明顯，這也間接說明了其燒結(jié)組織中塑性相的存在，且含量相對較高。（2）四種試樣斷面均有明顯孔洞和裂縫。其中A試樣中的細(xì)孔洞主要與瞬時(shí)液相燒結(jié)過程有關(guān)，液相Sn在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散及遷移行為，并在原來位置留下孔隙。B、C、D試樣出現(xiàn)孔洞和裂縫除了與上述原因有關(guān)外，還與Zn的引入有關(guān)，Zn的流動(dòng)性很好，但易形成集中縮孔。引入量較高時(shí)，Zn受熱揮發(fā)，易導(dǎo)致燒結(jié)體疏松。

3.3 物相定量分析

采用德國Bruker D8ADWANCE型X射線衍射儀，對A、B、C、D四種試樣進(jìn)行X射線衍射分析，并借助Jade 6．5完成數(shù)據(jù)處理。圖4為衍射圖譜，表3為相組成測試結(jié)果。

從圖3～圖4可以看出：（1）從衍射圖譜可知A、B、C試樣Cu41Sn11衍射峰的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，但D樣品未見Cu41Sn11峰。由此說明Cu41Sn11相含量：A＞B＞C，而D試樣不含Cu41Sn11相。（2）3．1宏觀力學(xué)性能結(jié)果顯示：相比于C試樣，D試樣各項(xiàng)性能出現(xiàn)驟變，尤其是硬度與沖擊韌性，這與硬脆相Cu41Sn11的消失有關(guān)。（3）B、C、D 試樣中的 Cu13．7Sn 與Cu0．7Zn0．3相衍射峰位置十分接近，單憑 XRD 衍射分析手段很難準(zhǔn)確定量分析，這也說明在一定條件下，Zn、Sn可分別固溶于Cu相中形成結(jié)構(gòu)相似的中間相。（4）XRD衍射峰的尖銳程度，在一定程度上可反映燒結(jié)試樣結(jié)晶的好壞。圖中D試樣衍射峰最為尖銳，說明結(jié)晶度相對較好。

圖3 斷口形貌SEM圖Fig．3 SEM morphology of fracture surface

圖4 四種試樣的X射線衍射圖譜Fig．4 X－ray diffraction pattern of different samples

表3 四種試樣物相組成Table 3 The phase composition of different samples

3.4 物相形成機(jī)理探討

A試樣原料為Cu－Sn預(yù)合金粉和單質(zhì)Cu，均勻混合后，單質(zhì)Cu顆粒被Cu－Sn預(yù)合金粉包圍。升溫過程中，合金粉受熱后優(yōu)先熔融并形成液相Sn，靠近Cu顆粒的液相Sn會(huì)借助顆粒間的毛細(xì)管力向周圍的Cu顆粒遷移，并形成面心結(jié)構(gòu)Cu13．7Sn固溶體。由于擴(kuò)散能力有限，遠(yuǎn)離Cu顆粒的液相Sn很難脫離預(yù)合金粉區(qū)域，最終形成硬脆相Cu41Sn11［5～6］。因此，A 試樣相組成包括 Cu13．7Sn和Cu41Sn11，其背散射電子圖像見圖5（A）所示。根據(jù)Cu－Sn－Zn三元平衡相圖可知［7］：Zn能大量固溶于錫青銅的α相中，且在Zn由零增至38%的范圍內(nèi)，Sn的固溶度逐漸降低，由15%降至0．7%。因此，增加Zn的引入量，有助于B、C、D試樣中液相Sn與單質(zhì)Cu反應(yīng)形成固溶體，其合金化程度也隨之提高。D試樣Zn含量為8wt%，最終形成結(jié)構(gòu)類似的Cu13．7Sn相＋Cu0．7Zn0．3相，圖5中 D 樣品背散射電子圖像未見明顯襯度。

圖5 背散射電子成像圖Fig．5 The imaging formation of backscattered electron

4 結(jié)論

（1）Sn／Zn相對含量的改變，會(huì)顯著影響燒結(jié)體的相組成、力學(xué)性能及斷裂行為。保持Sn＋Zn總量不變，隨著Zn引入量由0增加到8wt%，燒結(jié)體中Cu41Sn11硬脆相逐漸減少，最終消失，而Cu13．7Sn＋Cu0．7Zn0．3相 逐 漸 增 加。 燒 結(jié) 試 樣 硬 度 值 由84．6HRB降至67HRB，抗彎強(qiáng)度由630MPa提高至736MPa，沖擊韌性由5．7J／cm2提高至26．65．7J／cm2。

（2）在Cu－Sn體系中適當(dāng)引入Zn，可降低Sn在Cu中的固溶度，并提高燒結(jié)體的結(jié)晶度。但要注意燒結(jié)工藝的匹配性，防止因?yàn)閆n揮發(fā)造成燒結(jié)體疏松。

（3）四種試樣斷口均出現(xiàn)光亮平整的脆性斷面特征和類似于塑性斷裂的淺韌窩特征。但從力值－變形曲線看仍屬于典型的脆性斷裂行為。

（4）抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和硬度指標(biāo)之間存在相關(guān)性?？箯潖?qiáng)度同時(shí)依賴于裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過程，裂紋的產(chǎn)生與硬度有關(guān)，裂紋的擴(kuò)展與韌性有關(guān)，可通過改變硬脆相和韌性相相對含量，來調(diào)節(jié)胎體性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 孫毓超，劉一波，王秦生．金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，1999．

［2］ 欒會(huì)生，董書山，吳中延．單質(zhì)鋅粉在燒結(jié)小鋸片中的作用［J］．超硬材料工程，2015，27（1）：17－21．

［3］ 段隆臣，徐少林，李俊萍．青銅結(jié)合劑金剛石砂輪胎體性能評價(jià)的研究（1）－胎體金相分析［J］．金剛石與磨料磨具工程，2011，31（5）：51－55．

［4］ Zhi Gangfang，Jimmy W Easin．WC－Co復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度［J］．國外難熔金屬與硬質(zhì)材料，1997，13（1）：25－27．

［5］ Z．Nitkiewicz，wierzy．Tin influence on diamond– metal matrix hot pressed tools for stone cutting［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，175（1－3）：306－315．

［6］ 翟秋亞，楊揚(yáng)，等．快速凝固Cu－Sn合金的組織形態(tài)及相結(jié)構(gòu)［J］．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2006，16（8）：1374－1379．

［7］ 張啟運(yùn)，莊鴻壽，等．三元合金相圖手冊［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．