Cu-Sn-Ti釬料與陶瓷結(jié)合劑體積比對(duì)金剛石節(jié)塊微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響*

趙鵬程， 閆薪霖， 肖 冰， 孟祥龍， 柳炳恒

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具具有加工效率高、不易堵塞、強(qiáng)度高和加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、結(jié)構(gòu)陶瓷和硬質(zhì)合金的精加工、半精加工中[1-2]。其性能受結(jié)合劑化學(xué)成分和比例的影響較大。

陶瓷結(jié)合劑包括傳統(tǒng)礦物結(jié)合劑、微晶玻璃結(jié)合劑和玻璃料結(jié)合劑[3]。傳統(tǒng)礦物結(jié)合劑含雜質(zhì)較多，燒后存在一些難熔物，因而此類結(jié)合劑的強(qiáng)度不高[4]；微晶玻璃結(jié)合劑的顆粒尺寸為1～2 μm，難以實(shí)現(xiàn)均勻晶化，還處于探索研究階段；玻璃料結(jié)合劑制備難度低，對(duì)金剛石潤濕性良好，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于磨具制作中。常用玻璃料結(jié)合劑主要有鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽和硼鋁硅酸鹽體系[5]。本試驗(yàn)所研究的陶瓷結(jié)合劑均為玻璃料結(jié)合劑。

陶瓷結(jié)合劑自銳性好、排屑好，但是脆性大，易導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，對(duì)金剛石把持力不高，影響工具的使用壽命。為滿足高效精密磨削要求，研發(fā)出性能優(yōu)越的陶瓷結(jié)合劑已成為國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。各種添加物成為改善結(jié)合劑性能最直接的方法。Na2O、Li2O和BaO等氧化物被加入硼鋁硅酸鹽系陶瓷結(jié)合劑中[5-8]，抑制結(jié)合劑中石英晶體的析出，可提高結(jié)合劑的抗彎強(qiáng)度。ZrO2、Y2O3能夠促進(jìn)陶瓷結(jié)合劑的晶核形成，可有效提高結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)致密性和機(jī)械性能[9-12]。Cu、Fe、Al與陶瓷結(jié)合劑結(jié)合可制得新型陶瓷-金屬結(jié)合劑，但金屬添加劑過多時(shí)會(huì)使結(jié)合劑樣塊發(fā)泡[13-14]。一些納米尺度的添加物如納米AlN、納米TiO2、納米ZrO2被引入到陶瓷結(jié)合劑中，可增強(qiáng)晶須，有效提高結(jié)合劑強(qiáng)度和耐磨性[15-17]。

隨著釬焊金剛石磨具的發(fā)展，結(jié)合劑與磨料的結(jié)合由機(jī)械包埋轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合。Ni-Cr釬料、Cu-Sn-Ti釬料對(duì)金剛石潤濕良好[18]，可作為添加物引入到陶瓷結(jié)合劑中，實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷結(jié)合劑的改性。本試驗(yàn)以SiO2-Al2O3-B2O3-Li2O為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑，通過控制陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料的體積比，分析金剛石節(jié)塊的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，以期獲得一種新型的陶瓷-金屬結(jié)合劑。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑原料組成如表1所示，金剛石為黃河旋風(fēng)HWD30金剛石(粒度40/45)。

根據(jù)表1定量稱取原料，機(jī)械攪拌后放入熔煉爐中在1 400 ℃下熔煉，保溫1 h后水淬，獲得的玻璃料放入干燥箱烘干8 h，球磨過250目篩后得到基礎(chǔ)結(jié)合劑。 將基礎(chǔ)結(jié)合劑在50 MPa壓力下壓成5 mm×7 mm×40 mm 的樣條，通過計(jì)算得出基礎(chǔ)結(jié)合劑的壓實(shí)密度ρ基。用同樣方法得出Cu-Sn-Ti釬料的壓實(shí)密度ρ釬。利用分析天平稱取試驗(yàn)體積下的基礎(chǔ)結(jié)合劑的質(zhì)量M基與釬料的質(zhì)量M釬?；A(chǔ)結(jié)合劑和釬料的體積由式(1)、式(2)計(jì)算。

表1 基礎(chǔ)結(jié)合劑組成

M基=ρ基V基

(1)

M釬=ρ釬V釬

(2)

其中：V基和V釬是試驗(yàn)分組中所要求的基礎(chǔ)結(jié)合劑與釬料的體積。

表2為陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料不同體積比分組。根據(jù)表2制得陶瓷-金屬混合粉體A、B、C、D、E。

表2 陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料體積比

將混合粉體和濃度50%的金剛石在混料機(jī)中混料8 h，混料轉(zhuǎn)速為200 r/min，即得到試驗(yàn)用粉體。利用模具將A、B、C、D、E陶瓷-金屬混合粉體壓制成5 mm×7 mm×40 mm的樣條，每組5個(gè)，成型密度分別為1.696、1.919、2.270、3.082、1.428 g/cm3。將樣條置于真空釬焊爐中，分別在930 ℃和950 ℃下燒結(jié)，保溫15 min，隨爐冷卻，得到陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊。

1.2 性能檢測(cè)與表征

坯體體積通過模壓后測(cè)量得到。采用阿基米德排水法測(cè)定金剛石節(jié)塊燒結(jié)后的體積，通過計(jì)算得出體積收縮率μ。

(1)

其中：V1為坯體體積；V2為燒結(jié)后節(jié)塊體積。

用光學(xué)顯微鏡(XSP-8CA)觀察陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊宏觀形貌，用掃描電鏡(Hitachi S-3400N)觀察節(jié)塊的微觀形貌，用X射線衍射儀(D8Advance)分析節(jié)塊的物相組成，用SANS萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試節(jié)塊抗彎強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 收縮率隨體積比α的變化規(guī)律

圖1為收縮率隨陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料體積比的變化規(guī)律。由圖1可知：隨著溫度升高，節(jié)塊的收縮率增大。隨著體積比α的減小，樣品的收縮率μ降低，表明Cu-Sn-Ti釬料的加入能夠降低節(jié)塊收縮率，從而有利于減少燒成后的裂紋數(shù)量。另外，Cu-Sn-Ti釬料的熔點(diǎn)約為930 ℃，基礎(chǔ)結(jié)合劑的耐火度為750 ℃，提高釬料含量即向基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中引入了更多的難熔物，有利于節(jié)塊整體耐火度的提高，使得陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊在高溫下燒結(jié)后能夠更好地保持形狀。

圖1 收縮率隨陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料體積比

2.2 溫度和體積比對(duì)節(jié)塊形貌的影響

圖2為光學(xué)顯微鏡下不同溫度及體積比下燒結(jié)后的陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊形貌。對(duì)比圖2a、圖2b可知溫度對(duì)節(jié)塊形貌的影響。由圖2a可看出：930 ℃時(shí)，Cu-Sn-Ti合金釬料沒有達(dá)到熔融狀態(tài)，以球團(tuán)的形式存在于節(jié)塊中，球團(tuán)之間是熔融的陶瓷結(jié)合劑，二者無法形成連接橋。釬料以摻雜物的形式存在于結(jié)合劑中，破壞了結(jié)合劑的均勻性。同時(shí)，結(jié)合劑中的陶瓷相存在發(fā)泡現(xiàn)象。由圖2b可看出：950 ℃時(shí)，Cu-Sn-Ti合金釬料達(dá)到了熔融狀態(tài)，有助于結(jié)合劑潤濕金剛石。

對(duì)比圖2b、圖2c、圖2d可知體積比對(duì)節(jié)塊形貌的影響。由圖2d可知：α=5∶1時(shí)，節(jié)塊中能夠觀察到有部分釬料未熔化，并出現(xiàn)明顯的孔洞。由圖2c可知：隨著釬料體積分?jǐn)?shù)增大，α=2.5∶1時(shí)，未熔的釬料比例逐漸降低，已有釬料鋪展，可以連接成片，少量釬料仍以球團(tuán)形式存在。這是因?yàn)楫?dāng)釬料含量較低時(shí)，節(jié)塊以陶瓷結(jié)合劑作為骨架，釬料不足以相互連接形成網(wǎng)絡(luò)，待自然冷卻后，未能相連的釬料又縮合為金屬球。由圖2b可知：α=1∶1時(shí)，釬料在陶瓷結(jié)合劑中完全鋪展，二者形成致密的交叉網(wǎng)絡(luò)。

(a) 930 ℃,α=1∶1(b) 950 ℃,α=1∶1(c) 950 ℃,α=2.5∶1(d) 950 ℃,α=5∶1圖2 陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊形貌Fig. 2 Morphology of vitrified-metal bond diamond segments

圖3為950 ℃，α=2.5∶1和α=1∶1時(shí)燒結(jié)的金剛石節(jié)塊的SEM圖像。由圖3a可知：當(dāng)釬料含量過低時(shí)，金剛石與釬料之間存在顆粒狀的陶瓷相，導(dǎo)致兩者無法接觸，熔融的釬料在自然冷卻后又縮為球團(tuán)(與圖2分析結(jié)果一致)。金剛石、陶瓷結(jié)合劑、Cu-Sn-Ti釬料三者之間有明顯間隔，無法提高節(jié)塊的整體強(qiáng)度。由圖3b可知：隨著釬料含量增加，釬料與陶瓷結(jié)合劑結(jié)合更加均勻，對(duì)金剛石的包裹作用增強(qiáng)，說明陶瓷-金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石表面的浸潤能力得到提高。

(a) 950 ℃,α=2.5∶1(b) 950 ℃,α=1∶1圖3 陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的微觀形貌Fig. 3 Microscopic morphology of vitrified-metal bond diamond segments

2.3 陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的物相分析

真空釬焊過程中，金剛石的C元素與Cu-Sn-Ti釬料中的Ti生成TiC[19]。在陶瓷相的參與下，為了驗(yàn)證是否同樣有TiC和新相生成，燒結(jié)時(shí)將金剛石密排，周圍以陶瓷-金屬結(jié)合劑包覆，然后對(duì)燒結(jié)后的表層進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖4所示。圖4中存在TiC, Ti3AlC2, Ti3SiC2的衍射峰，表明金剛石-釬料、釬料-陶瓷結(jié)合劑之間生成了碳化物，因此在陶瓷結(jié)合劑的參與下，Cu-Sn-Ti釬料仍能夠與金剛石發(fā)生冶金結(jié)合。

圖4 陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的XRD圖譜

2.4 抗彎強(qiáng)度隨體積比α的變化規(guī)律

圖5是陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度隨體積比α的變化規(guī)律。

圖5 陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度

由圖5可知：燒結(jié)溫度升高有利于抗彎強(qiáng)度的提升，在950 ℃條件下，α=1∶1(樣品D)時(shí)，節(jié)塊抗彎強(qiáng)度達(dá)到64.4 MPa，相較于α=2.5∶1(樣品C)時(shí)的強(qiáng)度提高了37.6%。通過微觀結(jié)構(gòu)和物相分析可知：界面處生成了鍵合強(qiáng)度較高的TiC，降低了金剛石與結(jié)合劑間的界面張力[20]，提高了結(jié)合劑對(duì)金剛石表面的潤濕性。相比陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石的機(jī)械包埋作用，添加釬料的陶瓷-金屬結(jié)合劑與金剛石之間的冶金結(jié)合能夠牢固地把持金剛石，使得金剛石磨粒裸露度達(dá)到50%～60%，可提高磨削效率[21]。

3 結(jié)論

研究在930 ℃和950 ℃下，陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料體積比變化對(duì)陶瓷-金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，得出結(jié)論如下：

(1)燒結(jié)溫度為950 ℃，陶瓷結(jié)合劑與Cu-Sn-Ti釬料體積比為1∶1時(shí)，陶瓷-金屬結(jié)合劑在金剛石表面存在浸潤現(xiàn)象。金剛石-釬料和釬料-陶瓷之間生成了TiC、Ti3AlC2和Ti3SiC2，使得結(jié)合劑與金剛石的機(jī)械包埋作用轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合劑與金剛石的機(jī)械包埋和冶金結(jié)合共同作用。

(2)隨著Cu-Sn-Ti釬料體積的增大，金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)陶瓷結(jié)合劑與釬料體積比為1∶1時(shí)，在950 ℃條件下，節(jié)塊抗彎強(qiáng)度最大為64.4 MPa，較體積比為2.5∶1時(shí)的節(jié)塊抗彎強(qiáng)度提高了37.6%。