素化金屬結(jié)合劑金剛石工具初探

黃耀杰，向剛強，諸美杏，翟孟杰，周玉梅，張鳳林

(1.廣東工業(yè)大學，廣州 510006; 2.廣東奔朗新材料股份有限公司，佛山 528313;3.廣東技術師范大學，廣州 510665)

1 引言

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應用于陶瓷、玻璃、混凝土、石材等硬脆材料的粗加工[1]。常見的金屬結(jié)合劑主要包括鈷基、銅基、鎳基和鐵基等類別。為了改善結(jié)合劑的力學性能以及對金剛石的浸潤狀態(tài)，結(jié)合劑中常加入Ni、Co、Cu、Zn、Sn、Pb、Cr等合金元素[2-3]。一方面大量合金元素的添加會提高工具的原材料成本，另一方面?zhèn)€別元素可能在制造和使用過程中造成一定的重金屬污染和職業(yè)健康危害。盧柯院士曾提出在結(jié)構(gòu)材料的設計上進行素化的概念，即減少合金化，盡量通過微觀結(jié)構(gòu)或缺陷設計對材料進行強化[4]?；诖?，本文在金屬結(jié)合劑的材料設計上提出了一種“素化”的概念，以大幅減少合金元素的種類和含量，降低材料成本和重金屬含量，研究開發(fā)一種成分簡單、低成本、環(huán)境友好型的金屬結(jié)合劑金剛石工具。

2 試驗方法

本文使用的原材料包含F(xiàn)e粉和Al粉，具體的材料參數(shù)見表1所示。將Fe粉和Al粉按照一定比例配比，再使用行星式球磨機進行混合球磨，球磨轉(zhuǎn)速為250 r/min球料比為6∶1，球磨時間5 h。將球磨后的混合粉末冷壓成壓坯，壓力為200 MPa。隨后使用直燒式熱壓燒結(jié)機對冷壓壓坯進行燒結(jié)，在設定溫度下進行保溫，隨爐冷卻。

表1 原材料參數(shù)

使用阿基米德法測量結(jié)合劑的密度。使用HR-150DT洛氏硬度計測量結(jié)合劑的硬度。在AGS-X-50 KND型萬能材料試驗機上使用三點抗彎法測量結(jié)合劑的抗彎強度。使用S-3400N型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察結(jié)合劑、金剛石工具及被加工材料的微觀形貌。使用D8 advance型X射線衍射儀檢測結(jié)合劑的物相組成。在結(jié)合劑中加入100 % 濃度的鍍Ti金剛石制成金剛石磨頭，并將其粘結(jié)到45鋼刀柄上制成金剛石工具。使用Milltap 700銑床測試金剛石工具對Al2O3陶瓷的磨削性能，采用油基冷卻液進行冷卻，轉(zhuǎn)速為4500 r/min，進給速度為150 mm/min，磨削深度為0.08 mm，總磨削深度為8 mm。磨削加工圖如圖1所示。

圖1 金剛石工具磨削加工圖Fig.1 Grinding process chart of the diamond tool

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 燒結(jié)溫度對Fe-Al結(jié)合劑性能的影響

圖2為不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑XRD圖譜?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同燒結(jié)溫度制備的結(jié)合劑均以同一種Fe-Al金屬間化合物作為主要物相，且隨著燒結(jié)溫度的升高，其衍射峰強度逐漸增強。說明燒結(jié)溫度提高時結(jié)合劑晶粒尺寸增大，點陣畸變程度降低[5]。圖3為不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑微觀形貌。當燒結(jié)溫度為900℃～1000℃時，組織中包含了較多的裂紋和氣孔，而當燒結(jié)溫度高于1000℃時，結(jié)合劑中的裂紋和氣孔減少，同時致密性提高。這是因為過低的燒結(jié)溫度未能滿足Fe、Al原子擴散所需的能量，限制了金屬原子之間的移動和擴散[6]。

圖2 不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Fe-Al binders fabricated at different sintering temperatures

圖3 不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑微觀形貌Fig.3 The microstructure of Fe-Al binders fabricated at different sintering temperatures(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d)1200℃

圖4為不同溫度燒結(jié)制備的Fe-Al結(jié)合劑致密度曲線。由圖可知，結(jié)合劑的致密度隨著燒結(jié)溫度的提高而升高，這與其微觀形貌(圖3)相對應。其中燒結(jié)溫度為1050℃～1200 ℃時，結(jié)合劑的致密度維持在95 %以上。

圖5為不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑硬度變化曲線。由圖可知，硬度隨著燒結(jié)溫度的升高大體上呈現(xiàn)升高的趨勢，其中當燒結(jié)溫度為1150 ℃時，硬度達到了最高的102.9 HRB。一方面，致密度提升可以提高結(jié)合劑的硬度[7]；另一方面，如XRD圖譜所示(圖2)，燒結(jié)溫度的提高會促進Fe-Al金屬間化合物的生成，從而提高結(jié)合劑的硬度。

圖4 不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑致密度Fig.4 Relative density of Fe-Al binders fabricated at different sintering temperatures

圖5 不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑硬度Fig.5 Hardness of Fe-Al binders fabricated at different sintering temperatures

圖6為不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑抗彎強度。與硬度和致密度的趨勢相似，抗彎強度也會隨著燒結(jié)溫度的提高整體上呈現(xiàn)升高的趨勢。當燒結(jié)溫度為1150 ℃時，抗彎強度最高可以達到1070 MPa。從微觀形貌(圖3)上看，是由于組織中氣孔和裂紋的減少，致密度提高，從而提高了抗彎強度。從斷口形貌(見圖7、圖8)上看，是由于在較低溫度燒結(jié)(900℃～1000 ℃)時，斷口上存在較多的氧化物，從而降低了晶粒之間的結(jié)合強度，斷裂方式以沿晶斷裂為主。而燒結(jié)溫度的提高會促進Fe、Al原子之間的擴散和反應以及晶粒的長大，斷裂方式以沿晶斷裂為主，同時還包含了穿晶斷裂，這也符合燒結(jié)溫度對抗彎強度的影響趨勢。

圖6 不同燒結(jié)溫度制備的Fe-Al結(jié)合劑抗彎強度Fig.6 Flexural strength of Fe-Al binders fabricated at different sintering temperatures

3.2 Fe-Al結(jié)合劑金剛石工具制備及性能研究

通過以上燒結(jié)溫度對結(jié)合劑力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響研究，我們設計了一種優(yōu)化燒結(jié)工藝，采用該工藝制備了金剛石工具，并研究了金剛石工具對Al2O3陶瓷的加工性能。在本實驗設定的加工工藝參數(shù)下，金剛石工具磨削Al2O3陶瓷的磨削比可以達到702。圖9為磨削前后金剛石工具的微觀形貌。金剛石磨粒實現(xiàn)了良好的包鑲，在磨削過程中，金剛石以微破碎形式磨損，未見明顯的磨粒脫落現(xiàn)象，這說明結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合性能優(yōu)異。

圖9 磨削前后金剛石工具的微觀形貌Fig.9 Microstructure of diamond tool before and after grinding(a) 磨削前; (b) 磨削后

圖10為Al2O3陶瓷被磨削前后的表面微觀形貌，磨削后的表面粗糙度(Ra)為0.12 μm?？梢钥闯觯珹l2O3陶瓷的被加工表面存在較為明顯的脆性斷裂痕跡，這說明在本研究中的金剛石工具和相應加工參數(shù)下，Al2O3陶瓷以典型的脆性去除機制為主，這在金剛石工具粗加工中也是較為典型的去除形式[8-9]。

圖10 磨削前后Al2O3陶瓷的微觀形貌Fig.10 Microstructure of Al2O3 ceramic before and after grinding(a) 磨削前; (b) 磨削后

4 結(jié)論與展望

初步設計了一種素化金屬結(jié)合劑，研究了燒結(jié)工藝對微觀形貌及力學性能的影響規(guī)律，并通過優(yōu)化的燒結(jié)工藝，制備了金剛石工具，測試了工具的加工性能，主要結(jié)論如下：

隨著燒結(jié)溫度的升高，結(jié)合劑的致密性、硬度和抗彎強度大體上逐漸提高。特別是燒結(jié)溫度為1150 °C時，致密度可以達到96.8 %，硬度達到102.9 HRB，抗彎強度達到1070 MPa。經(jīng)優(yōu)化的燒結(jié)工藝制備的素化金屬結(jié)合劑金剛石工具對Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的加工性能，金剛石磨粒的主要磨損形式為微破碎。