燒結(jié)溫度對Cu-P 金屬結(jié)合劑堆積磨料結(jié)構(gòu)和性能的影響

萬隆，朱泳霖，劉小磐，李建偉，周仁宸

（湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

金剛石堆積磨料是通過結(jié)合劑將單顆粒金剛石磨料黏結(jié)起來，形成的具有一定形狀、尺寸和強(qiáng)度的新型團(tuán)聚顆粒.與金剛石單晶磨料的單刃磨削方式不同，堆積磨料在磨削過程中局部破碎，堆積磨料與工件之間形成面接觸，產(chǎn)生多點(diǎn)式磨削.相比于金剛石單晶磨料，具有磨料利用率更高、磨削性能更穩(wěn)定、磨料自銳性更好、使用壽命更長等優(yōu)勢[1－3].

目前，國內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)堆積磨料方面進(jìn)行一定的研究.如Edward[4]利用樹脂、橡膠、多孔陶瓷作為結(jié)合劑，采用擠壓造粒、模壓造粒等方式制成各種形狀的堆積磨料應(yīng)用于砂紙、砂帶等涂附磨具中，使堆積磨料的自銳性、磨削效率得到大幅度的提高.王兆武[5]利用樹脂結(jié)合劑制成堆積磨料應(yīng)用于砂布中，對TC4 鈦合金進(jìn)行磨削試驗(yàn)，其使用壽命相比于普通磨料砂布提高2.35 倍.Chen 等[2]對陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料研磨藍(lán)寶石的磨削行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)堆積磨料在磨削中的表現(xiàn)主要為磨損和微斷裂，與單晶金剛石磨料相比，對工件表面的損害較小.綜上所述，目前關(guān)于堆積磨料的研究主要集中在樹脂基和陶瓷基上.其中樹脂結(jié)合劑堆積磨料因其耐熱性差、使用壽命短，只適用于涂覆磨具[6]；陶瓷結(jié)合劑堆積磨料雖然比樹脂結(jié)合劑耐熱性更好，但是由于陶瓷結(jié)合劑硬而脆，在有一定沖擊和載荷的條件下容易崩塌，導(dǎo)致其使用領(lǐng)域受限[7－8].若采用金屬合金作為結(jié)合劑來制備堆積磨料，在實(shí)現(xiàn)結(jié)合劑對金剛石良好結(jié)合的基礎(chǔ)上，金屬結(jié)合劑堆積磨料不僅擁有較高的強(qiáng)度，而且還擁有良好的韌性，有望應(yīng)用于高沖擊、重載荷磨具的制備.

銅及銅合金具有優(yōu)異的韌性、耐磨性、成型性和抗腐蝕能力，是常用的金剛石工具結(jié)合劑，而P 的添加不僅能降低銅基結(jié)合劑的燒結(jié)溫度，避免金剛石的熱損傷，還能增強(qiáng)結(jié)合劑對金剛石的潤濕性[9－12].因此，Cu－P 合金可作為較為理想的金剛石堆積磨料結(jié)合劑.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道[10－13]，Cu－P 合金作為結(jié)合劑制備金剛石工具時，在不同燒結(jié)溫度下其性能差異較大.針對該情況，選擇Cu－P 合金作為堆積磨料的結(jié)合劑，通過模壓破碎造粒法制備金剛石堆積磨料，對不同溫度燒結(jié)的堆積磨料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測定了不同燒結(jié)溫度的堆積磨料的力學(xué)性能，對比了不同溫度燒結(jié)的堆積磨料的磨削性能，為金屬結(jié)合劑制備堆積磨料奠定了理論基礎(chǔ).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 堆積磨料的制備

堆積磨料的結(jié)合劑采用Cu－P 合金，其化學(xué)組成為n（Cu）∶n（P）=92∶8.采用模壓破碎造粒法對金剛石堆積磨料造粒，按m（金剛石）：m（Cu－P 合金）=1∶4 稱取相應(yīng)的原材料（金剛石粒徑為74～88 μm，Cu－P 合金粒徑為74 μm 以細(xì)），將稱好的各種原料倒入球磨壇中，在球料比1∶1、轉(zhuǎn)速200 r/min 的條件下球磨2 h.將球磨好的原料裝入模具中，在100 MPa下定壓成型，保壓30 s，得到堆積磨料條狀試樣坯體.將堆積磨料樣條置于管式燒結(jié)爐中，在N2保護(hù)氣氛下，以一定速率升至600 ℃，保溫50 min，使其獲得一定的強(qiáng)度，隨爐冷卻后破碎、過篩，選擇500～740 μm 的顆粒做為預(yù)燒堆積磨料.為了避免燒結(jié)過程中堆積磨料顆?；ハ囵そY(jié)，在管式爐中采用埋金剛石（粒徑為74～88 μm）的方式對堆積磨料顆粒進(jìn)行煅燒，通入N2，升溫速率為5 ℃/min，燒結(jié)溫度分別為700、730、760、790、820 ℃，保溫1 h，爐冷、過篩，得到Cu－P 結(jié)合劑金剛石堆積磨料.

1.2 金剛石堆積磨料砂輪的制備

為了對比不同燒結(jié)溫度的堆積磨料的磨削性能，采用NaO2－SiO2－B2O3系低溫陶瓷結(jié)合劑，通過冷壓成型、燒結(jié)的方法，分別將不同燒結(jié)溫度制備的堆積磨料制成規(guī)格為1A1455 × 27 × 202 × 5 的砂輪（磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，低溫陶瓷結(jié)合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，在此基礎(chǔ)上，額外加臨時黏結(jié)劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，砂輪素坯成型密度為5.31 g/cm3，燒結(jié)溫度為680 ℃）.

1.3 性能測試與表征

通過熱重－差熱同步分析儀（STA7200）、X 射線衍射儀（D/max－rA10）分別測定Cu－P 合金的熔化特性與物相組成.采用S4800 型掃描電鏡（SEM）觀察不同燒結(jié)溫度的堆積磨料的顯微結(jié)構(gòu).采用微濾膜孔徑分析儀（PSDA－20）測試堆積磨料的氣孔率和平均孔徑尺寸.采用金剛石單顆?？箟簭?qiáng)度測定儀（THY－I）對金剛石堆積磨料的單顆?？箟簭?qiáng)度進(jìn)行測定，樣本量為40 粒，測試5 組，取平均值.采用CYCJ－04A 型沖擊韌性測定儀對金剛石堆積磨料的抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測定.采用接觸角測試儀（JY－82B Kruss DSA）測量Cu－P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角，將壓制成柱狀的Cu－P 結(jié)合劑置于表面鍍覆有CVD 多晶金剛石薄膜的單晶硅片上，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，升溫速率5 ℃/min，測試5 組數(shù)據(jù)，取平均值[14].在德國Walter400combi 外圓磨床上對氧化鋯陶瓷棒進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，冷卻介質(zhì)為油基冷卻液，砂輪工作速度設(shè)置為30 m·s－1，進(jìn)刀量為10 mm·min－1.根據(jù)砂輪磨損體積Vs和工件磨損體積Vw按公式（1）計(jì)算出磨耗比G.

采用手持式粗糙度測量儀（SRT－6200）對磨削后的氧化鋯陶瓷棒的表面粗糙度進(jìn)行測定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同燒結(jié)溫度下堆積磨料的顯微結(jié)構(gòu)及結(jié)合劑相組成

不同燒結(jié)溫度堆積磨料的顯微結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 不同燒結(jié)溫度下堆積磨料的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The microstructure diagram of agglomerated grains at varies sintered temperature

圖1（a）為760 ℃燒結(jié)后堆積磨料單顆粒形貌.由圖1（a）可知，堆積磨料經(jīng)過篩后，呈現(xiàn)近球形的顆粒形貌，單顆粒粒徑為0.5～1.0 mm.堆積磨料顆粒表面觀察到較多裸露的金剛石磨料，每顆金剛石之間有合適的結(jié)合劑橋和孔隙，這有利于堆積磨料在磨削中快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，形成多層切削刃參與磨削加工.從圖1 中金剛石與Cu－P 結(jié)合劑的界面顯微結(jié)構(gòu)可以看出，堆積磨料燒結(jié)溫度為700 ℃時（圖1（b）），結(jié)合劑與金剛石之間界面處存在一定的縫隙，結(jié)合劑對金剛石潤濕效果差.隨著燒結(jié)溫度升高至760 ℃（圖1（c）），結(jié)合劑表面孔隙減少，且結(jié)合劑沿著金剛石界面逐漸攀升，金剛石的裸露高度下降，直到820 ℃時（圖1（d））結(jié)合劑將金剛石整個顆粒包裹在基體內(nèi)，影響磨削過程中金剛石出刃.

Cu－P 結(jié)合劑的差熱分析如圖2 所示.由圖2 可知，曲線上出現(xiàn)兩個吸熱峰.結(jié)合Cu－P 合金相圖可知，它們分別為Cu3P 溶解吸熱峰和合金熔化吸熱峰.Cu－P 合金熔化所吸收的熱量比Cu3P 受熱分解的熱量要高很多，所以其吸熱峰高于Cu3P 受熱分解的吸熱峰[15].從差熱曲線中Cu－P 合金熔化吸熱峰還可得出，其固相線為710 ℃、液相線為720 ℃，710～720 ℃為Cu－P 合金的固液相共存區(qū)[16].

圖2 Cu－P 結(jié)合劑的差熱分析Fig.2 Differential thermal analysis of Cu－P bond

不同燒結(jié)溫度的Cu－P 結(jié)合劑XRD 分析如圖3所示.由圖3 可知，在燒結(jié)前后的Cu－P 結(jié)合劑樣品中均檢測到α－Cu 相的衍射峰和Cu3P 相的衍射峰.說明了在不同的燒結(jié)溫度下Cu－P 結(jié)合劑較為穩(wěn)定，未發(fā)生金屬間化合物之間的相轉(zhuǎn)變.

圖3 不同燒結(jié)溫度的Cu-P 結(jié)合劑XRD 分析Fig.3 XRD analysis of Cu-P bond at varies sintered temperature

由以上分析結(jié)果可知，在700 ℃燒結(jié)時，溫度在合金固相線以下，結(jié)合劑中未產(chǎn)生液相，結(jié)合劑流動性差，原子擴(kuò)散及遷移不充分，致密化程度不高，導(dǎo)致Cu-P 結(jié)合劑對金剛石表面潤濕性差.而隨著燒結(jié)溫度升高至合金液相線以上，Cu-P 結(jié)合劑全部為液相，流動性提高，結(jié)合劑對金剛石顆粒的包裹能力提高.當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到760 ℃時，液相結(jié)合劑覆蓋金剛石表面，這不僅提高了堆積磨料整體的強(qiáng)度還保證了金剛石顆粒的裸露.在820 ℃時，Cu-P 結(jié)合劑的黏度繼續(xù)下降，將金剛石完全覆蓋、掩埋.

為了定量表征Cu-P 結(jié)合劑與金剛石的潤濕狀態(tài)，測量了不同燒結(jié)溫度下，Cu-P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角，其結(jié)果如圖4 所示.

圖4 不同燒結(jié)溫度Cu-P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角Fig.4 Contact angle between Cu-P bond and diamond film at varies sintered temperature

隨著燒結(jié)溫度的升高，Cu-P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角逐漸減小.這是由于當(dāng)溫度超過液相線所在溫度時，結(jié)合劑全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，而隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，液相的黏度越低，有利于結(jié)合劑在金剛石表面的鋪展[17].故金剛石與Cu-P 結(jié)合劑的接觸角緩慢減小.當(dāng)燒結(jié)溫度為760 ℃時，Cu-P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角為28°，繼續(xù)提高燒結(jié)溫度，Cu-P 結(jié)合劑與金剛石薄膜之間的接觸角下降速率明顯變慢.

2.2 燒結(jié)溫度對堆積磨料的力學(xué)性能及氣孔率的影響

不同燒結(jié)溫度堆積磨料的力學(xué)性能、氣孔率分別如表1、圖5 和圖6 所示.

表1 不同燒結(jié)溫度堆積磨料的力學(xué)性能及氣孔率Tab.1 Mechanical properties and porosity of agglomerated grains at varies sintered temperature

圖5 不同燒結(jié)溫度堆積磨料的氣孔率及平均孔隙尺寸Fig.5 Porosity and average pore size of the agglomerated grains at varies sintered temperature

圖6 不同燒結(jié)溫度堆積磨料的力學(xué)性能曲線Fig.6 The mechanical properties of agglomerated grains at varies sintered temperature

從圖5 和表1 中氣孔率和平均孔隙尺寸數(shù)據(jù)可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，堆積磨料的氣孔率幾乎呈線性下降，由700 ℃時的36.98%下降至820 ℃時的25.07%.堆積磨料的平均孔隙尺寸隨燒結(jié)溫度的變化趨勢和孔隙率相似，但隨著溫度升高堆積磨料的平均孔隙尺寸減小的速度變慢，由700 ℃時的46.03 μm 減小至820 ℃時的13.11 μm.這是由于隨著燒結(jié)溫度升高，Cu-P 結(jié)合劑的黏度減小，結(jié)合劑收縮，其中的氣孔尺寸逐漸減小甚至消失，結(jié)合金剛石和結(jié)合劑的界面潤濕性分析可知，燒結(jié)溫度越高，結(jié)合劑對金剛石包裹越好，界面處縫隙也越少.

圖6 為不同燒結(jié)溫度下堆積磨料的力學(xué)性能曲線.從圖6 和表1 中力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，堆積磨料的單顆?？箟簭?qiáng)度和沖擊韌性均隨著燒結(jié)溫度的升高而增加.堆積磨料單顆?？箟簭?qiáng)度和沖擊韌性分別由700 ℃的16 N 和51%增加至820 ℃的25 N 和85%.其主要原因是隨著燒結(jié)溫度的升高，堆積磨料的氣孔率和孔隙尺寸逐漸減小，堆積磨料更加致密，使其力學(xué)性能明顯提高.其次，由于燒結(jié)溫度的升高，結(jié)合劑對金剛石的界面潤濕性越好，結(jié)合越緊密，其力學(xué)性能越好.

2.3 磨削性能分析

堆積磨料磨削示意圖如圖7 所示.金剛石堆積磨料具有面接觸多點(diǎn)式磨削的特性，磨削后堆積磨料呈半磨損狀態(tài)，金剛石利用率高，可明顯提高加工效率和磨削質(zhì)量.

圖7 堆積磨料磨削示意圖Fig.7 Schematic diagram of grinding of agglomerated grains

圖8 為堆積磨料在磨具中磨削前后的顯微形貌.從圖中磨削前的形貌可以看出（圖8（a）），在磨具中堆積磨料與陶瓷基體結(jié)合較為緊密，且堆積磨料的出刃高度合適，能形成穩(wěn)定高效磨削.磨削后，700 ℃燒結(jié)的堆積磨料顆粒大量破碎，碎磨料附著在磨具表面；760 ℃燒結(jié)的堆積磨料顆粒大部分為半磨損狀態(tài)，端面呈橢圓形，仍具有一定的出刃高度，個別堆積磨料整顆脫落，在陶瓷基體上留下凹坑；820 ℃燒結(jié)的堆積磨料整顆脫落的數(shù)量增加，在陶瓷基體上凹坑增多.這是由于700 ℃燒結(jié)的堆積磨料強(qiáng)度較低，在磨削過程中大量的破碎，脫落，其中部分金剛石顆粒和Cu-P 結(jié)合劑被擠壓進(jìn)磨具表面的孔隙，繼續(xù)影響內(nèi)部堆積磨料的出刃.而760 ℃和820 ℃燒結(jié)的堆積磨料均具有較高強(qiáng)度，但前者金剛石在堆積磨料中的裸露高度要高于后者，在磨削中，堆積磨料利用裸露的金剛石犁耕被磨工件，受到的切削力小，堆積磨料中磨鈍的金剛石脫落，大部分堆積磨料呈現(xiàn)部分磨損狀態(tài).而820 ℃燒結(jié)的堆積磨料中金剛石被Cu-P 結(jié)合劑完全包裹住，在磨削中，金剛石難以出刃，堆積磨料受到的切削力極大，易使整顆堆積磨料從陶瓷基體中脫落，留下較多凹坑.

圖8 不同溫度燒結(jié)堆積磨料在磨具中磨削前后的顯微形貌Fig.8 The micro morphology of agglomerated grains at varies sintered temperature before and after grinding

不同溫度制備的堆積磨料磨削氧化鋯陶瓷棒的磨削比如圖9 所示.

圖9 不同燒結(jié)溫度的堆積磨料制備的磨具磨削比Fig.9 Grinding ratio of wheels prepared by agglomerated grains at varies sintered temperature

從圖9 中可以看出，不同燒結(jié)溫度堆積磨料制備的磨具磨削氧化鋯陶瓷的磨削比分別為16.7、20.2、24.8、23.0 和21.4.隨著堆積磨料的燒結(jié)溫度增加，對應(yīng)磨具的磨削比先升高后降低.結(jié)合圖8 分析可知，這是由于堆積磨料燒結(jié)溫度較低時，Cu-P 結(jié)合劑對金剛石包裹程度不夠，堆積磨料強(qiáng)度低，在磨削過程中，大量的磨料破碎、脫落，其中部分金剛石顆粒和Cu－P 結(jié)合劑被磨到磨具表面，繼續(xù)影響內(nèi)部堆積磨料的出刃，降低了砂輪的磨削比.而760 ℃燒結(jié)的堆積磨料，Cu－P 結(jié)合劑對金剛石的把持能力大幅提高，且金剛石在堆積磨料中裸露高度合適，磨削更穩(wěn)定，砂輪磨削比隨之提高.當(dāng)燒結(jié)溫度超過820℃時，結(jié)合圖1 堆積磨料的SEM 分析可知，結(jié)合劑將金剛石完全包裹，堆積磨料中金剛石出刃困難造成砂輪磨削比下降.

磨削實(shí)驗(yàn)后5 個氧化鋯陶瓷棒的表面粗糙度如圖10 所示.由圖10 可知，760 ℃燒結(jié)的堆積磨料對應(yīng)的磨具加工工件表面質(zhì)量最好，其粗糙度為1.01 μm，這是由于堆積磨料中結(jié)合劑對金剛石把持力好，且金剛石裸露高度合適，磨削狀態(tài)更穩(wěn)定.但總體來說，隨著堆積磨料的燒結(jié)溫度變化，被磨工件表面粗糙度變化不大，這是由于用于制備堆積磨料的金剛石顆粒的粒徑一致，對工件的磨削深度差別較小，工件表面粗糙度變化不大.

圖10 磨削實(shí)驗(yàn)后5 個氧化鋯陶瓷棒的表面粗糙度Fig.10 Surface roughness of 5 zirconia ceramic rods after grinding ratio test

3 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)制備的堆積磨料經(jīng)過篩后呈現(xiàn)近球形的顆粒形貌，粒徑為0.5～1.0 mm.在最佳燒結(jié)溫度760℃燒結(jié)下，結(jié)合劑與金剛石的接觸角為28°，結(jié)合劑對金剛石包覆較好.

2）Cu－P 結(jié)合劑金剛石堆積磨料在760 ℃下燒結(jié)后具有較好的力學(xué)性能、合適的孔隙率和孔隙尺寸.其單顆?？箟簭?qiáng)度、沖擊韌性、氣孔率和平均孔隙尺寸分別為23 N、78%，29.33%和18.53 μm.

3）實(shí)驗(yàn)條件下760 ℃燒結(jié)的堆積磨料制成的砂輪具有最好的磨削性能，磨削后堆積磨料處于半磨損狀態(tài)，對氧化鋯陶瓷的磨削比為24.8，磨削后工件表面粗糙度為1.01 μm.