膠體石墨對(duì)低溫金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑性能的影響

刁銀艷， 崔 崇， 羊松燦， 馮圓茹

(1. 南京理工大學(xué) 材料學(xué)院, 南京 210000)

(2. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 超硬材料磨具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450001)

金剛石/立方氮化硼磨具由超硬磨料(金剛石/CBN)和結(jié)合劑、填料等經(jīng)表面處理、混料、壓制、燒結(jié)以及精加工等多道工序制作而成，主要用于半導(dǎo)體、光學(xué)、電子通訊以及汽車(chē)等領(lǐng)域的高速、高效、精密磨削及拋光上，具有加工速度快、使用壽命長(zhǎng)、加工精度好等特點(diǎn)[1]。由于超硬磨具是用結(jié)合劑將超硬磨料黏結(jié)在一起，使其具有一定的形狀、硬度、強(qiáng)度和自銳性等，因而結(jié)合劑的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)與磨具的性能緊密相關(guān)。在相同的金剛石/CBN磨料條件下，超硬磨具的強(qiáng)度、抗沖擊性、耐熱性以及自銳性等性能，都取決于超硬磨具結(jié)合劑的性能。

常用的超硬磨具結(jié)合劑有樹(shù)脂、金屬和陶瓷結(jié)合劑3種，制作的3種超硬磨具性能也各不相同。金屬結(jié)合劑超硬磨具強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)，但磨具在使用時(shí)發(fā)熱量大、易堵塞等，主要用于重負(fù)荷切割等耐磨性要求較好的材料上[1-2]；陶瓷結(jié)合劑超硬磨具雖然較鋒利，但其硬脆、易掉邊，且有結(jié)合劑的磨損和金剛石的磨損不匹配等問(wèn)題；樹(shù)脂結(jié)合劑超硬磨具的熱性能和機(jī)械性能都較差，磨具壽命短，且其平衡性差、精度低、磨削效率下降快等[3]。此外，金屬結(jié)合劑磨具剛性較大，對(duì)保持磨具的形狀精度有利，但其高速磨削時(shí)易發(fā)熱、自銳性較差[4]；樹(shù)脂結(jié)合劑磨具彈性好、自銳性好，具有一定吸震性，能降低磨具對(duì)磨床精度和剛性的苛刻要求，但其在高速狀態(tài)下極易發(fā)生變形，很難保證工件加工后的形狀精度等。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)的不斷進(jìn)步，碳化硅、氧化鋁等硬脆材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但該類(lèi)材料硬度高、脆性大，磨削時(shí)易產(chǎn)生燒傷等，同時(shí)對(duì)其加工時(shí)又要求使用的超硬磨具自銳性好、壽命長(zhǎng)，加工的效率高、精度好等，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的金屬、陶瓷和樹(shù)脂結(jié)合劑超硬磨具很難滿(mǎn)足其加工需要[5-6]，一般采用復(fù)合結(jié)合劑超硬磨具來(lái)替代。

復(fù)合結(jié)合劑超硬磨具可以有效結(jié)合單種結(jié)合劑磨具的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在硬脆材料等的加工上，成為工業(yè)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。常見(jiàn)的復(fù)合結(jié)合劑可分為金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑和金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑2大類(lèi)[5-6]，其中的金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑是目前研究的熱點(diǎn)。金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑將金屬和樹(shù)脂結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，以此制作的磨具壽命長(zhǎng)、自銳性好，加工時(shí)具有磨削質(zhì)量好、工件形變小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子、精密陶瓷部件等的加工[6]。

但是，目前的金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑主要集中在Sn和Zn等低熔點(diǎn)金屬含量較高的銅基結(jié)合劑和樹(shù)脂結(jié)合劑的復(fù)合上[6]。由于銅基結(jié)合劑的燒成溫度比樹(shù)脂熱壓燒結(jié)的溫度高，且易產(chǎn)生Sn偏析等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；鋁基結(jié)合劑具有良好的導(dǎo)熱性，燒成溫度低，與高溫樹(shù)脂結(jié)合劑的熱壓燒結(jié)溫度最接近，二者復(fù)合時(shí)便于和樹(shù)脂結(jié)合劑形成三維網(wǎng)狀組織，有效降低樹(shù)脂結(jié)合劑的高速形變，提高樹(shù)脂結(jié)合劑的壽命等[7]。與此對(duì)應(yīng)的是，其他類(lèi)金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑燒成溫度一般都在560 ℃以上，遠(yuǎn)高于樹(shù)脂結(jié)合劑的熱壓燒結(jié)溫度，所含的金屬在樹(shù)脂結(jié)合劑中主要以金屬顆粒夾雜的形式存在，且不易與樹(shù)脂結(jié)合劑形成真正的復(fù)合結(jié)合劑。

目前行業(yè)對(duì)鋁基結(jié)合劑的研究較多，但鋁基樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑的研究極少。王雙喜等[8]開(kāi)發(fā)了鋁基結(jié)合劑磨輪，用于石材表面的精磨拋光，其磨削壽命比樹(shù)脂磨輪好，效率比銅基結(jié)合劑高。根據(jù)蘇聯(lián)超硬材料研究所的試驗(yàn)結(jié)果，以代號(hào)為C-22的燒結(jié)Al粉制成的鋁基結(jié)合劑，與其他粉末冶金制品的性能有所不同，它接近于Al-Cu-Mg合金的強(qiáng)度，在500 ℃下不會(huì)出現(xiàn)重結(jié)晶，在400 ℃仍然能保持鑄造鋁合金5倍的動(dòng)力和強(qiáng)度，可主要用于精磨[7]。鄒文俊等[6]的研究表明：Al-Cu-Sn-Ce-Ni鋁基結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料有較好的潤(rùn)濕性，在950～1 150 ℃的潤(rùn)濕角為45.5°～76.0°；同時(shí)，Al-Cu-Zn-Si-Mg-Sn鋁基結(jié)合劑的應(yīng)用效果很出色，制作的砂輪可以將磨削光潔度提高一個(gè)精度等級(jí)，且金剛石的平均消耗量降低5%～33%。

因此，試驗(yàn)以鋁基結(jié)合劑為載體，在其中加入一定量的高溫酚醛樹(shù)脂進(jìn)行調(diào)配，制備出低溫金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑。由于鋁基結(jié)合劑自身存在易氧化、黏性大和強(qiáng)度低等問(wèn)題[9-10]，在其中加入Ti和Mn等元素調(diào)節(jié)其性能，并加入微量膠體石墨對(duì)復(fù)合結(jié)合劑進(jìn)行改性及優(yōu)化，研究膠體石墨加入量對(duì)復(fù)合結(jié)合劑強(qiáng)度、微觀組織等的影響，并探究復(fù)合結(jié)合劑的反應(yīng)結(jié)合機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 低溫鋁基金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑配方體系設(shè)計(jì)

金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑性能直接影響其制作的超硬磨具綜合性能，其配方設(shè)計(jì)是其超硬磨具制造首要考慮的問(wèn)題。由于金屬結(jié)合劑超硬磨具中的合金化嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)屬于一種假合金，其合金化主要存在于原始金屬顆粒界面，結(jié)合劑的強(qiáng)度和硬度等以及磨具的磨削性能等都與這層假合金密切相關(guān)，而這層假合金的形成與結(jié)合劑的配方有很大關(guān)系。鋁基結(jié)合劑中選有適量的Al、Cu、Sn元素，這些元素可在金屬粉體原始顆粒界面處生成微量的Cu3(Al，Sn)、Cu12Al3Sn和Cu12Al2Sn2等金屬間化合物[11]，以提高結(jié)合劑的性能，改善其磨削效果。試驗(yàn)結(jié)合酚醛樹(shù)脂碳化溫度，同時(shí)考慮生產(chǎn)成本和節(jié)能環(huán)保等方面的因素，設(shè)計(jì)Al-Cu-Sn-Ni系低溫金屬加酚醛樹(shù)脂的復(fù)合結(jié)合劑，同時(shí)添加少量的Ti和Mn等元素。

在該體系中，Al、Cu、Ni、Sn的原子半徑分別為1.432、1.278、1.243 和1.405 ?，同時(shí)Al、Cu、Ni金屬元素為面心立方結(jié)構(gòu)，金屬元素間可以形成固溶體。固溶體形成條件為[12]：

Δr=(rA-rB)/rA×%

(1)

式中：Δr表示原子半徑相對(duì)差，rA、rB分別表示A、B元素的原子半徑。

式(1)中的原子半徑相對(duì)差越小，越易形成固溶體，且金屬溶解度越大；當(dāng)Δr<15%時(shí)，有利于金屬元素間大量互溶。Al與Cu、Ni的原子半徑相對(duì)差均遠(yuǎn)小于15%，原子間易產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。但Al在熔融狀態(tài)下與金剛石的潤(rùn)濕性差，通過(guò)添加一定量的Cu、Sn和Ni調(diào)節(jié)結(jié)合劑和金剛石磨料的潤(rùn)濕性，同時(shí)Cu、Sn和Ni三者原子半徑相對(duì)差小，容易形成合金化。且Al、Cu和Sn生成的Cu3(Al，Sn)、Cu12Al3Sn、Cu12Al2Sn2等脆性金屬間化合物，也可以改善Al基結(jié)合劑的高速磨削黏性等。結(jié)合劑中加入少量Ti、Mn等元素，還可以改善其燒結(jié)性能。因此，綜合以上因素，同時(shí)根據(jù)Al合金有關(guān)相圖[13]以及Cu、Sn、Ni等金屬元素的性質(zhì)，確定各元素類(lèi)型及添加范圍。

在金屬結(jié)合劑超硬材料制品中，Sn可以降低液態(tài)合金的表面張力，即降低液態(tài)金屬及其合金對(duì)金剛石和石墨的潤(rùn)濕角，提高其對(duì)金剛石和石墨等的潤(rùn)濕性，同時(shí)降低結(jié)合劑熔點(diǎn)，改善其壓制時(shí)的成型性[4]。因此，在復(fù)合結(jié)合劑中引入適量的低熔點(diǎn)Sn有助于降低制品燒成溫度，實(shí)現(xiàn)樣品致密化；且Sn在Al中一部分以游離態(tài)形式存在，對(duì)Al晶粒有明顯晶粒細(xì)化作用，另一部分還可以形成網(wǎng)絡(luò)狀組織[14]，有一定的吸震性，防止制品產(chǎn)生崩口現(xiàn)象。雖然Sn在Al中的固溶度不大，但Sn可以與復(fù)合結(jié)合劑試樣中的Cu、Ni、Ti等其他金屬和合金形成固溶體和金屬間化合物[15]。需要注意的是，Sn、Al的熱膨脹系數(shù)都較大，故Sn的含量不宜過(guò)高[16]。

根據(jù)以上分析和討論，結(jié)合復(fù)合結(jié)合劑超硬磨具有關(guān)工藝要求(便于壓制成型，燒成溫度低，對(duì)金剛石有一定的潤(rùn)濕性等)，確定以Al-Cu-Sn-Ni系加少量Ti、Mn為載體，并在其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%的酚醛樹(shù)脂粉形成復(fù)合結(jié)合劑，研究其硬度、密度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量及其結(jié)構(gòu)組織，以滿(mǎn)足光學(xué)玻璃和精密陶瓷等的精密磨削和拋光需求。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用材料有Cu粉、Al粉、Sn粉、Ti粉、Ni粉、膠體石墨、高溫酚醛樹(shù)脂粉等原材料，其技術(shù)條件如表1所示。其他材料有篩網(wǎng)400目(網(wǎng)孔尺寸為38 μm)、研錛、毛刷、電子天平(精度為0.01 g)、液態(tài)石蠟、石墨模具(G4)等。

表1 原材料技術(shù)條件

用RYJ-2000A燒結(jié)壓機(jī)(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn))進(jìn)行試樣燒結(jié)，采用三點(diǎn)彎曲法在DNS200電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn))上測(cè)量試樣抗折強(qiáng)度，用HR150洛氏硬度計(jì)(萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn))測(cè)量試樣硬度，用WCT-2C微機(jī)差熱分析儀進(jìn)行樣品差熱分析，用INSPECT S50掃描電鏡進(jìn)行樣品斷口形貌分析，用D8 ADVANCE X射線衍射儀(德國(guó)布魯克公司生產(chǎn))對(duì)樣品物相進(jìn)行分析。

1.3 低溫金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑制備

1.3.1 復(fù)合結(jié)合劑配方

配方只列出所用組分的主要部分，如表2所示。其中的樹(shù)脂為高溫酚醛樹(shù)脂，可耐500 ℃高溫。為了分別確定表2中所加金屬粉混合物及樹(shù)脂的熱性能，對(duì)表2中的金屬粉分別稱(chēng)量并混合均勻得到所謂的純“Al基結(jié)合劑”，其差熱分析曲線如圖1所示；純高溫樹(shù)脂的差熱曲線如圖2所示；將表2中所有成分稱(chēng)量、混合均勻制得的金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑差熱曲線如圖3所示。為了使研究更接近工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，3種結(jié)合劑的差熱分析都在空氣中進(jìn)行，與燒結(jié)制備產(chǎn)品時(shí)的氣氛一致。

表2 主要成分配比

一般情況下，大部分金屬結(jié)合劑都有一個(gè)最佳燒結(jié)溫度范圍。對(duì)于一般金屬粉末而言，其起始燒結(jié)溫度一般為其融化溫度的50%左右[7]。對(duì)于圖1所示的鋁基金屬結(jié)合劑而言，其主要成分是Al，Al粉融化溫度為662.55 ℃，則起始燒結(jié)溫度為331.28 ℃，且圖1中的Sn粉融化吸熱溫度為209.18 ℃。圖2中的高溫酚醛樹(shù)脂，其開(kāi)始失重溫度約為400.00 ℃，氧化放熱最高溫度為576.53 ℃。鋁基結(jié)合劑和樹(shù)脂復(fù)合后的復(fù)合結(jié)合劑差熱曲線為圖3。圖3中：Al粉融化溫度稍有變化，為662.07 ℃，則結(jié)合劑起始燒結(jié)溫度也稍有變化，為331.04 ℃，且Sn粉融化吸熱溫度也變?yōu)?09.58 ℃，復(fù)合結(jié)合劑的氧化放熱最高溫度變?yōu)?84.53 ℃。

圖3 金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑差熱曲線

綜合圖1～圖3的結(jié)果，得到：(1)圖1和圖3的結(jié)合劑中的Sn吸熱峰在209 ℃左右，過(guò)高的燒結(jié)溫度會(huì)使其液相流失；(2)根據(jù)鋁基結(jié)合劑燒結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)Al融化溫度Tm的0.6Tm(約為400 ℃)時(shí)，結(jié)合劑非常容易燒流，而產(chǎn)生次品[7]。所以，鋁基樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑的最佳燒結(jié)溫度范圍應(yīng)為0.5Tm～0.6Tm，即在331～400 ℃溫度范圍，均在鋁基或樹(shù)脂結(jié)合劑單獨(dú)燒結(jié)的溫度范圍內(nèi)。這就為鋁基和樹(shù)脂結(jié)合劑的復(fù)合提供了理論基礎(chǔ)，因而可以在鋁基結(jié)合劑中加入一定量的酚醛樹(shù)脂來(lái)制成鋁基樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑。

與此同時(shí)，圖3中在584.53 ℃時(shí)，復(fù)合結(jié)合劑有4.05%的質(zhì)量損失，且約從508 ℃開(kāi)始，復(fù)合結(jié)合劑的樹(shù)脂開(kāi)始發(fā)生碳化失去其功效。但由于圖1中的鋁基結(jié)合劑的燒成溫度一般不超過(guò)400 ℃，因此從差熱分析結(jié)果來(lái)看，這種情況不會(huì)發(fā)生，鋁基金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑的燒成工藝是可行的。

圖1和圖3的對(duì)比分析還表明：溫度升高時(shí)，鋁基結(jié)合劑和鋁基金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑均有氧化增質(zhì)現(xiàn)象，但加入適量酚醛樹(shù)脂后，復(fù)合結(jié)合劑的增重明顯放緩。但當(dāng)燒成溫度超過(guò)400 ℃時(shí)，復(fù)合結(jié)合劑氧化增重嚴(yán)重，這會(huì)嚴(yán)重影響其制品性能，因此要嚴(yán)格控制制品燒結(jié)溫度。

1.3.2 主要制備工藝過(guò)程

(1)稱(chēng)料、混料

按表2配方正確稱(chēng)量Al、Cu、Sn等各種金屬粉、酚醛樹(shù)脂粉及其他填料質(zhì)量，倒入研錛中用手順時(shí)針研磨混勻，過(guò)400目篩(篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為38 μm)，再加入一定量的分析純液態(tài)石蠟濕潤(rùn)劑混勻。

(2)試樣熱壓燒結(jié)參數(shù)

在RYJ-2000A燒結(jié)壓機(jī)上熱壓燒結(jié)制備試樣，試樣規(guī)格為50 mm×8 mm×8 mm，燒結(jié)好的試樣用600#(磨料基本顆粒尺寸為30 μm)金相砂紙磨平。具體燒結(jié)制備參數(shù)為：燒結(jié)溫度360 ℃，保溫時(shí)間5 min，保溫壓力2 100 N/cm2。

(3)試樣熱壓燒結(jié)工藝

首先檢查石墨模具的完整性，避免出現(xiàn)掉塊和暗裂紋，在模具的上下壓頭涂覆適量的脫模劑，并組裝模具；其次套上石墨模具外面的鋼外套并緊固螺釘，防止石墨模具崩裂；然后按照制定的熱壓工藝參數(shù)開(kāi)始通電燒結(jié)；最后卸模，用金相砂紙打磨試樣，測(cè)量其尺寸和單個(gè)質(zhì)量，為后續(xù)試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膠體石墨對(duì)復(fù)合結(jié)合劑力學(xué)性能的影響

圖4為膠體石墨對(duì)結(jié)合劑硬度和密度的影響，圖5為膠體石墨對(duì)結(jié)合劑強(qiáng)度和彈性模量的影響。圖4的結(jié)果表明：膠體石墨的加入量增加，復(fù)合結(jié)合劑的密度先下降再上升，隨后又下降；對(duì)硬度的影響是先上升再下降。圖5的結(jié)果表明：隨著膠體石墨的加入，結(jié)合劑的強(qiáng)度和彈性模量都先上升再下降。圖4及圖5的結(jié)果還顯示：在膠體石墨添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，復(fù)合結(jié)合劑的硬度和強(qiáng)度達(dá)最大值，分別為61.5 HRB和250 MPa，且復(fù)合結(jié)合劑的密度和彈性模量適中；繼續(xù)添加膠體石墨，不僅會(huì)大大降低結(jié)合劑的硬度和強(qiáng)度，而且會(huì)同時(shí)降低其密度和彈性模量，對(duì)復(fù)合結(jié)合劑的性能產(chǎn)生不利影響。

膠體石墨是金屬和樹(shù)脂超硬磨具中常見(jiàn)的一種添加劑。膠體石墨材質(zhì)較軟，是六邊層狀結(jié)構(gòu)，有一定的潤(rùn)滑性，導(dǎo)熱導(dǎo)電。根據(jù)有關(guān)研究[18]，膠體石墨具有一定的吸震作用，加入后磨具的耐磨性能和自潤(rùn)滑性能有很大的提高，同時(shí)還可以改善磨具的吸震性。因此，在金屬結(jié)合劑中加入適量的細(xì)粒度膠體石墨粉可以改善金屬結(jié)合劑砂輪的磨削效果。如為了改善干磨硬質(zhì)合金的金剛石磨具工作性能，研究者向青銅結(jié)合劑中加入體積比達(dá)15%的膠體石墨粉[17]；為了改善樹(shù)脂結(jié)合劑磨具的導(dǎo)電和磨削效果，降低磨削崩口，可向樹(shù)脂結(jié)合劑中加入適量的膠體石墨[18]；為了降低壓制模具側(cè)面的內(nèi)摩擦力，縮小磨具的上下密度差異，提高其燒結(jié)時(shí)燒結(jié)空間的熱量分布均勻性，也會(huì)向結(jié)合劑中添加一定量的膠體石墨[17]等。

此外，膠體石墨還有一定的脫氧性，在燒成溫度為633 K時(shí)，膠體石墨與O2反應(yīng)生成CO[19],起到保護(hù)氣氛的作用，并有助于金屬粉的脫氧處理，進(jìn)而提高復(fù)合結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，加入微量的膠體石墨后，低溫金屬樹(shù)脂結(jié)合劑的低熔點(diǎn)金屬流失改善，進(jìn)而提高其強(qiáng)度和硬度等。

總之，在合理的溫度和壓力條件下，添加一定量的膠體石墨促進(jìn)了磨具的熱壓燒結(jié)，使其密度、硬度等都有一定程度的提高，進(jìn)而改善其力學(xué)性能。而且，添加一定量的膠體石墨會(huì)影響結(jié)合劑的微觀組織和界面結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)影響結(jié)合劑的力學(xué)性能，對(duì)其微觀組織的研究需探究Al-C反應(yīng)機(jī)理。

2.2 Al-C反應(yīng)機(jī)理分析

C和Al的熱力反應(yīng)如式(2)所示：

3C+4Al=Al4C3

(2)

此反應(yīng)的吉布斯自由能變?chǔ)與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為ΔG=-89 611.00+32.84T[19]。在復(fù)合結(jié)合劑熱壓燒成溫度為360 ℃時(shí)，其ΔG=-89 611.00+32.84×(360+273)=-68 823.28<0，表明在此燒結(jié)溫度下，Al和C會(huì)發(fā)生界面擴(kuò)散反應(yīng)。由于燒結(jié)時(shí)熱電偶測(cè)量的是模具表面的溫度，而壓制燒結(jié)時(shí)石墨模具內(nèi)部的真實(shí)溫度一般要大于熱電偶所測(cè)量的模具表面的溫度，也就是說(shuō)內(nèi)部反應(yīng)溫度要大于360 ℃。因此，在上述熱壓參數(shù)下，Al和膠體石墨的界面處更容易發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)而生成Al4C3。

不含及含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的膠體石墨的復(fù)合結(jié)合劑XRD圖譜分別如圖6和圖7所示。圖6和圖7的結(jié)果顯示：只有圖7中存在Al4C3和AlCTi3物相。表明加入的膠體石墨與Al發(fā)生了式(2)的反應(yīng)。陳康華等[20]的研究表明，細(xì)顆粒膠體石墨轉(zhuǎn)化為Al4C3的轉(zhuǎn)化率隨溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而增加。且生成的Al4C3為HCP晶格結(jié)構(gòu)[21]，是一種彌散強(qiáng)化相，有助于增加復(fù)合結(jié)合劑的強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能。

2.3 膠體石墨對(duì)復(fù)合結(jié)合劑微觀組織的影響

圖8和圖9分別為不含及含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的膠體石墨的復(fù)合結(jié)合劑樣品斷口掃描形貌。圖8中的斷口掃描圖含有低熔點(diǎn)偏聚成分，這容易產(chǎn)生裂紋，降低結(jié)合劑的強(qiáng)度等。圖9中：隨著微量膠體石墨的加入，結(jié)合劑斷口發(fā)黑，同時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)狀彌散復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖中紅圈標(biāo)識(shí)處)。據(jù)王先逵等[18]的研究：網(wǎng)狀彌散結(jié)構(gòu)有利于提高復(fù)合結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度，降低精密磨削或拋光時(shí)的黏度，防止黏結(jié)劑堵塞，同時(shí)改善其自銳性和導(dǎo)熱性，進(jìn)而提高復(fù)合結(jié)合劑的綜合磨削效果。

總結(jié)起來(lái)，復(fù)合結(jié)合劑中加入微量膠體石墨，會(huì)生成彌散強(qiáng)化相Al4C3，在微觀結(jié)構(gòu)上形成了網(wǎng)狀彌散復(fù)合結(jié)構(gòu)，不會(huì)降低結(jié)合劑的力學(xué)性能，反而可以促進(jìn)鋁基樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑的燒結(jié)，提高其結(jié)合強(qiáng)度等。

3 結(jié)論

(1)在鋁基金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.4%的少量膠體石墨，隨著膠體石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合結(jié)合劑的密度先下降再上升隨后又下降，硬度、強(qiáng)度和彈性模量都是先上升再下降。在膠體石墨添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，復(fù)合結(jié)合劑的硬度和強(qiáng)度達(dá)最大值，分別為61.5 HRB和250 MPa，且復(fù)合結(jié)合劑的密度和彈性模量適中。

(2)在燒結(jié)溫度為360 ℃，保溫時(shí)間為5 min，保溫壓力為2 100 N/cm2條件下，加入微量膠體石墨使復(fù)合結(jié)合劑中的Al和C發(fā)生界面擴(kuò)散反應(yīng)生成少量Al4C3，有助于提高復(fù)合結(jié)合劑性能。

(3)微量膠體石墨加入，有助于促進(jìn)金屬樹(shù)脂復(fù)合結(jié)合劑中出現(xiàn)交叉網(wǎng)狀彌散結(jié)構(gòu)，提高其結(jié)合強(qiáng)度。