基于鋁熱反應的金屬結(jié)合劑金剛石工具初探

李明聰，陳家泓，黃耀杰，廖燕玲，趙 軒, 張鳳林

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應用于花崗巖、大理石、陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削、成型、切割[1，2]。按照結(jié)合劑主要合金元素可將金屬結(jié)合劑金剛石工具分為鈷基，鎳基，青銅基，鐵基等幾種類型。鈷的價格昂貴, 且屬于國家戰(zhàn)略性物質(zhì)，鐵基結(jié)合劑由于價格低廉，經(jīng)強化后可以獲得較好的性能，因此以鐵代鈷制備金屬結(jié)合劑金剛石工具是一個重要的趨勢[3]。

自蔓延高溫合成是基于放熱化學反應的基本原理，利用外部能量使反應物局部被點燃，形成燃燒波并放出熱量，此后，反應在自身放出的熱量支持下繼續(xù)進行，直至反應完成[4]。劉明耀等以錫青銅為結(jié)合劑基礎，通過添加鋁、鈦等活性元素，自蔓延燒結(jié)了金剛石砂輪，并與熱壓燒結(jié)法制備的金剛石砂輪進行了對比，發(fā)現(xiàn)能源消耗大幅降低，砂輪鋒利性明顯提高[5, 6]。周玉梅等在 Ni-Al 體系中加入金剛石磨料，研究了金剛石磨料對自蔓延反應過程的影響和自蔓延反應后金剛石的表面形貌及強度變化，結(jié)果表明，與 Ni-Al 體系相比，金剛石 Ni-Al 體系的燃燒波速度會降低 33%，反應后金剛石的平均抗壓強度降低 23%[7，8]。張鳳林等研究了馬弗爐加熱、真空爐加熱和高頻感應加熱等不同加熱方式對自蔓延燒結(jié)單層金剛石磨削工具的影響，指出感應加熱法是 Ni-Al 體系自蔓延制備單層金剛石磨具的最佳方法[9]。在 Ni-Al 體系中加入 Ni-Cr-P 合金、Cu 和 B 等混合粉做稀釋劑，能夠降低燃燒波速度和自蔓延反應溫度，提高結(jié)合劑對金剛石磨粒的把持力，所制備的金剛石砂輪在磨削人造合成藍寶石的試驗中表現(xiàn)出了磨損率小等優(yōu)點[10]。

鋁熱反應是自蔓延反應中的特殊的一種形式，其中, Al-Fe2O3是一種傳統(tǒng)鋁熱劑, 能量密度為3.71 kJ·g-1。反應式如下：3Fe2O3+8Al→2Fe3Al+3Al2O3[11]，以往的研究多將鋁熱反應應用于焊接、粉末冶金、新材料合成、表面涂覆等領域[12，13,14]，但目前利用鋁熱反應制備鐵基金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究還比較少。因此本文嘗試利用鋁熱反應合成Fe-Al體系金屬結(jié)合劑，旨在獲得一種新型的金屬結(jié)合劑金剛石工具制備的相關理論和方法，并初步對反應機制、燒結(jié)工藝及加工性能進行探索。

1 實驗方法

本文采用的原材料包括Fe2O3粉、Al粉等，具體材料參數(shù)見表1。將摩爾比為3∶8的Fe2O3粉和Al粉置于行星式球磨機中進行混合球磨, 球磨機的轉(zhuǎn)速為250 r/min, 時間為5 h, 球料比為10∶1。然后將球磨后的粉末在250MPa的冷壓壓力下成坯，隨后置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進行燃燒反應, 爐內(nèi)加熱最高溫度依次為930℃、1030℃、1130℃、1230℃, 保溫時間為25 min，加熱過程中爐內(nèi)真空度不小于10-2Pa，最后得到鋁熱反應金屬結(jié)合劑。

制備鋁熱反應金剛石工具時，在上述配方基礎上加入微量Si、B、Ti等元素優(yōu)化結(jié)合劑性能，并通過高頻感應加熱線圈對鋁熱反應結(jié)合劑金剛石刀頭與45鋼基體進行焊接。

表1 原材料的參數(shù)

制備的金剛石工具結(jié)構見圖1所示。

差示掃描量熱分析(DSC)使用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA449F5型熱重及同步分析儀，保護氣氛為Ar氣，升溫速率10℃/min；用阿基米德排水法測試結(jié)合劑的致密度；在QT-1166型萬能材料試驗機上采用三點彎曲方式測定其抗彎強度；使用HR-150DT電動洛氏硬度計測試其硬度；采用型號為S500Z1的日本(brother)精機立式銑床進行工件表面磨削,加工過程轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度95mm/min，磨削深度0.1mm，磨削工件為建筑陶瓷磚，再使用Kistler9257BA壓電晶體測力儀測量磨削力；使用X射線能譜儀(EDS)和X射線衍射(XRD)對鋁熱反應金屬結(jié)合劑產(chǎn)物進行表征；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察結(jié)合劑、砂輪及工件的微觀形貌。

圖1 制備的金剛石工具結(jié)構示意圖Fig.1 Schematic illustration of the structure of the prepared diamond tool

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Fe-Al體系鋁熱反應DSC分析

圖2為Fe-Al體系鋁熱反應過程典型的DSC曲線?？梢钥闯?高溫下存在一個吸熱峰和一個放熱峰，其中在668.4℃出現(xiàn)吸熱峰，在1028.8℃處出現(xiàn)放熱，1043.7℃形成一個較強的放熱峰，668.4℃對應于鋁的熔化吸熱，1028.8℃開始發(fā)生鋁熱反應，達到1043.7℃則反應發(fā)生較為完全。為獲得鋁熱反應結(jié)合劑，熱壓燒結(jié)溫度應該控制在1028.8℃附近，為此，我們后續(xù)研究了不同溫度熱壓燒結(jié)條件下結(jié)合劑的物相和力學性能。

圖2 鋁熱反應DSC分析結(jié)果Fig.2 DSC analysis of aluminothermic reaction

2.2 熱壓燒結(jié)溫度對鋁熱反應結(jié)合劑的影響

圖3是在不同溫度條件下熱壓燒結(jié)燃燒反應產(chǎn)物的XRD圖。由圖可知， 930℃熱壓燒結(jié)生成物有Fe、Fe3Al相以及少許的Al2O3及FeAl2O4(尖晶石)相。但隨著反應溫度的提高，除了有Fe、Fe3Al相外，F(xiàn)eAl2O4(鐵鋁尖晶石)相含量增加。說明隨著溫度的提高，反應能更加充分地進行。

圖3 不同燒結(jié)溫度下鋁熱反應結(jié)合劑XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of aluminothermic reaction bond under different sintering temperature

2.3 熱壓燒結(jié)溫度對鋁熱反應結(jié)合劑力學性能的影響

熱壓燒結(jié)溫度對鋁熱反應結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強度的影響如圖4到圖6所示。從圖中可以看出, 隨著熱壓燒結(jié)溫度的增大, 結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強度都隨之升高。這與Fe2O3的高熔點(1565℃)有關，Al在930℃時已呈液相，隨著燒結(jié)溫度的提高，F(xiàn)e2O3流動性得到改善,其燒結(jié)致密度也因此提高，而燒結(jié)致密度對粉末冶金燒結(jié)制品的硬度和強度有明顯的影響。同時反應愈充分就會生成更多的Fe3Al硬度增強相，相應提高了結(jié)合劑的硬度。

圖4 熱壓燒結(jié)溫度對鋁熱反應結(jié)合劑硬度的影響Fig.4 Effect of sintering temperature on hardness of aluminothermal reaction bond

圖5 熱壓燒結(jié)后樣品的致密度Fig.5 Density of samples sintered.

2.4 鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具微觀結(jié)構

經(jīng)上述研究優(yōu)化，我們選擇1230℃作為熱壓燒結(jié)溫度并制備了鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具，升溫速率為10℃/min。為減少較高燒結(jié)溫度對金剛石的弱化作用，使用了鍍鎢金剛石。圖7a-b為不同放大倍數(shù)下金剛石工具的斷口形貌。從圖中可以看出,金剛石工具的斷面無明顯的裂紋、氣孔等缺陷。結(jié)合劑呈細密的網(wǎng)紋結(jié)構, 斷面表現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特征。圖8是金剛石工具中結(jié)合劑與金剛石結(jié)合界面的面掃描能譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn), Al元素均勻地分布在金剛石周圍。

圖6 熱壓燒結(jié)溫度對鋁熱反應結(jié)合劑抗彎強度的影響Fig.6 Effect of sintering temperature on bending strength of aluminothermal reaction bond.

圖7 1230℃條件下真空熱壓制備鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工件的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of diamond tool with aluminothermic reaction bond at the sintering temperature of 1230℃

圖8 金剛石磨具樣品結(jié)合界面EDSFig.8 SEM images of bonding interface between diamond grit and element

2.5 鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具的加工性能

經(jīng)測試，鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具的硬度為106.5HRB。圖9為鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具在干式和濕式條件下加工建筑陶瓷磚的磨削力對比圖。其中Ft、Fn、Fz分別為切向力，法向力和軸向磨削力。由圖中可以看出，濕磨的磨削力明顯比干磨的低。

2.6 被加工材料與金剛石工具表面形貌

圖10為加工前后陶瓷表面微觀形貌。建筑陶瓷磚在干式磨削中主要以大塊崩碎脆性去除為主，加工后表面質(zhì)量較差，濕磨狀態(tài)下，陶瓷磚表面質(zhì)量提高，大塊崩碎去除明顯減少。干式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度Ra為6.95μm，濕式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度Ra為3.14μm，說明濕式加工有效的冷卻和潤滑在獲得較低的磨削力的同時，也使得被加工材料脆性大塊崩碎的現(xiàn)象減少，磨削表面質(zhì)量更好。

圖9 鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具干式和濕磨加工磨削力Fig.9 Grinding force of diamond tools of aluminothermic reaction bond with dry and wet grinding

圖11為鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具干磨及濕磨后的表面形貌。由圖可以看出，磨削中金剛石沒有出現(xiàn)整顆脫落的現(xiàn)象，干磨狀態(tài)下，結(jié)合劑容易出現(xiàn)裂紋，濕磨下也存在一些微裂紋，說明該類型結(jié)合劑的脆性較大，容易由于磨削應力和熱應力出現(xiàn)裂紋；此外，工具整體耐磨性還存在不足，金剛石的出刃較低，也沒有普通金屬結(jié)合劑與金剛石之間形成的蝌蚪尾支撐結(jié)構，這一方面可能是因為反應熱壓燒結(jié)溫度過高，導致即使經(jīng)過鍍鎢，也會使金剛石出現(xiàn)明顯弱化，從而出現(xiàn)金剛石強度降低，耐磨性差的情況，另一方面，由于結(jié)合劑硬度和脆性較大，不能有效地磨損使金剛石形成出露出刃，因此，對鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具的成分和制備工藝還需要進一步深入研究。

圖11 鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具磨損SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of diamond tools with aluminothermic reaction bond:(a)dry grinding,(b)wet grinding

3 結(jié)論與展望

初步探索了基于鋁熱反應的金剛石工具的制備方法，測試了工具的微觀結(jié)構、力學性能及加工性能。主要結(jié)論如下：

(1)在熱壓燒結(jié)的條件下，F(xiàn)e2O3-Al復合粉體在1028.8℃開始發(fā)生鋁熱反應。在熱壓燒結(jié)過程中，隨著溫度的提高，F(xiàn)eAl2O4(鐵鋁尖晶石)含量有所增加，同時結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強度隨溫度升高而增加。

(2)制備的鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具初步測試可以對建筑陶瓷磚進行干式和濕式加工，但工具的耐磨性還存在不足。這種鋁熱反應結(jié)合劑金剛石工具還需要進一步對其成分和制備工藝進行深入研究。