FeCuNiSnCo粉末胎體的材料物理性能研究

摘要：粉末冶金金屬基金剛石復(fù)合材料工具廣泛應(yīng)用于加工石材等脆硬材料，隨著航空航天等高端領(lǐng)域的快速發(fā)展，對工磨具材料精細(xì)化提出更高的要求。為保證工磨具材料優(yōu)良機(jī)械性能，采用機(jī)械合金化法制備Fe基預(yù)合金粉，對制備Fe基預(yù)合金粉莫進(jìn)行表征，研究球磨轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間等對粉末松裝密度，抗彎強(qiáng)度的影響。對胎體材料顯微組織觀察，表明粉末顆粒經(jīng)重組變女性，粉末形貌發(fā)生變化。球磨轉(zhuǎn)速是影響胎體材料硬度的主要因素，最佳工藝參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速400r/min-1，液固比為0.5：1.0。

關(guān)鍵詞：機(jī)械合金化;粉末胎體，物理性能

1885年法國Jaeguin制成首片鑲嵌式金剛石圓鋸片，50年代美國通用電氣公司合成首顆人造金剛石。金剛石工磨具制造業(yè)得到長足發(fā)展。金剛石工磨具種類繁多，胎體類型分為陶瓷基、金屬基等。金屬基工磨具以其生產(chǎn)效率高，使用壽命長等特點(diǎn)成為石材等崔硬材料加工業(yè)的首選。按制備方法分為電鍍與粉末冶金法，電鍍發(fā)制備金剛石工磨具胎體包鑲力大，電鍍法僅適用于單層金剛石工磨具生產(chǎn)。粉末冶金法制備金剛石復(fù)合材料工磨具已有較長歷史，因粉末冶金法還設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于植被金屬金剛石工磨具與材料。鐵基金剛石工具是以Fe為主要成分，配合Cu，Sn等元素制備金剛石復(fù)合材料。對金剛石濕潤能力較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于陶瓷等硬脆材料加工領(lǐng)域。本文采用機(jī)械合金化法制備Fe基預(yù)合金粉，研究球磨時(shí)間轉(zhuǎn)速對鐵基預(yù)合金粉性能的影響。

1.金屬基金剛石復(fù)合材料的研究

Fe對金剛石侵蝕能力強(qiáng)，導(dǎo)致金剛石性能下降。結(jié)合劑胎體材料發(fā)生磨損，無法實(shí)現(xiàn)對金剛石有效把持[1]。金剛石切阻力增大，胎體與金剛石保持匹配磨損速度，是發(fā)揮金剛石耐磨優(yōu)勢的關(guān)鍵。預(yù)合金粉具有組織均勻性高，成分易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，可以提高胎體材料組織均勻性，提高金剛石工具使用性能。如何降低金屬基金剛石復(fù)合材料工磨具制備成本成為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對胎體與金剛石界面強(qiáng)化法進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究。

隨著電子通信等高端領(lǐng)域的快速發(fā)展，目前市場上提供工磨具厚度大，降低厚度可提高材料利用率，工磨具厚度成為非金屬脆硬材料加工關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。金屬基金剛石工磨具中胎體用于固結(jié)切削元件。金屬粘結(jié)劑包括電沉積金屬與合金粉末制成合金，胎體作用是與加工對象具有匹配耐磨性，胎體性能由其組成與加工工藝決定。金剛石工磨具要求胎體性能對金剛石具有良好濕潤性，與金剛石膨脹系數(shù)差異小，增強(qiáng)胎體與金剛石的粘結(jié)力;胎體材料使用不易發(fā)生塑性變形，鋸切工具要有合適的磨損性等。金屬胎體由粘結(jié)金屬、骨架材料等元素構(gòu)成。金剛石潤滑性能的金屬材料為粘結(jié)金屬材料，主要用于牢固把持金剛石。Cu等金屬具有很好受熱變形，燒結(jié)中易于填充粉末顆粒間空隙。

Co元素在金屬基金剛石工磨具胎體的組分中具有很大優(yōu)越性，Co元素與金剛石低溫粘結(jié)性好，可用于提高胎體性能，在金剛石工具研究初期得到廣泛應(yīng)用。90年代中期比利時(shí)Umicore公司提出金剛石工具中使用預(yù)合金粉末，研發(fā)快速切割下對金剛石具有很好把持力的高硬度耐磨性系胎體[2]。2001年西班牙學(xué)者采用熱壓燒結(jié)等靜壓燒結(jié)工藝，制備金剛石工具，表明無壓燒結(jié)后等靜壓處理可得到全致密材料。印度學(xué)者研究Cu含量對Cu-Co-Fe基預(yù)合金胎體燒結(jié)性能影響，表明胎體燒結(jié)性隨著Cu粉末尺寸減小增強(qiáng)。

2.FeCuNiSnCo粉末胎體材料性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要原料包括單質(zhì)Fe粉，Sn粉，Co粉等;分析純無水乙醇。以球磨時(shí)間、液固比等為主要控制因素。按照配方要求稱取原料粉末，采用PM-10L型球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械合金化。球磨后物料真空干燥，預(yù)合金粉末經(jīng)冷形成素坯，裝入石墨模具熱壓燒結(jié)得到鐵基胎體材料，壓力為20MPa。采用LS-POP（9）型激光粒度儀測量預(yù)合金粉末粒度，利用TESCAN MIRA3LMH掃描電鏡對預(yù)合金粉末進(jìn)行顯微形貌觀察。

研究使用原料粉末為霧化單質(zhì)粉末，D50為45-50μm，磨球通過碰撞將能量傳遞給粉末，伴隨冷焊重組過程，改變原始粉末特性。球磨控制因素可影響預(yù)合金粉莫激光粒度，L3工藝制備預(yù)合金粉末激光粒度D50最大72.78μm。粉末松裝密度是粉末的重要工藝特性，對粉末冶金機(jī)械零件生產(chǎn)工藝穩(wěn)定非常重要。粉末冶金生產(chǎn)中需要具有較高流動(dòng)性，隨球磨時(shí)間延長，預(yù)合金粉末宋莊密度先增后減。機(jī)械合金化方法制備預(yù)合金粉末影響因素排序?yàn)榍蛄媳?gt;液固比。L1，L2，L4，L6，L8工藝制備粉末具有相似顯微形貌，預(yù)合金粉末保留原料粉末特征，L5，L7，L9預(yù)合金粉末呈厚片狀。

L1預(yù)合金粉末X射線衍射譜線中僅出現(xiàn)Cu，F(xiàn)e衍射峰，L3與L5粉末X射線衍射譜線中，L3，L5粉末X射線衍射撲線中Cu衍射峰強(qiáng)度下降，表明球磨中Cu等與Fe元素相互合金化。L3，L9預(yù)合金粉末壓制特性較差。機(jī)械合金化參數(shù)對胎體材料硬度影響排序?yàn)榍蛄媳?gt;液固比;可獲得高強(qiáng)度的最佳生產(chǎn)工藝為球磨轉(zhuǎn)速400r/min-1，液固比0.5：1.球磨時(shí)間與液固比對燒結(jié)胎體材料性能影響較細(xì)小。隨球料比增加，高能球磨產(chǎn)生大量加工應(yīng)變能，有利于燒結(jié)組織均化。

預(yù)合金粉末松裝密度對球磨液固比不敏感，球磨轉(zhuǎn)速對預(yù)合金粉末松裝密度影響較小。考慮過度球磨導(dǎo)致粉末松裝密度下降，最佳球料比為4：1。L1工藝制備胎體組織由富Fe骨架相遇富Cu粘結(jié)相組成，骨架相內(nèi)部有絮狀粘結(jié)相存在。粘結(jié)相內(nèi)部有彌散分布點(diǎn)狀富Sn相存在。短時(shí)球磨制備預(yù)合金粉莫，胎體抗彎斷口形貌以骨架相拔出為主。胎體斷口以準(zhǔn)解理斷裂為主，球磨能量增加，球磨留下大量位錯(cuò)。對骨架相進(jìn)行強(qiáng)化，使得胎體脆性增加。

結(jié)語

機(jī)械合金化工藝改變粉末分布狀態(tài)，高能球磨將粉末轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝罱Y(jié)構(gòu)，影響因素強(qiáng)度排序?yàn)榍蛄媳?gt;液固比。機(jī)械合金化工藝對燒結(jié)胎體強(qiáng)度有影響，球磨時(shí)間對胎體材料硬度較小，最佳球磨工藝為轉(zhuǎn)速400r/min-1，液固比為0.5：1.0.機(jī)械合金化工藝斷口形貌，骨架相由多變形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛睿ンw抗彎斷口轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志環(huán)，張紹和.金剛石繩鋸用Fe基預(yù)合金粉代Co性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，50（04）：796-805.

[2]周強(qiáng)，魏世超，楊樹忠，羅莉，常德民.機(jī)械合金化FeCuNiSnCo粉末的制備及其胎體材料物理性能研究？[J].粉末冶金技術(shù)，2019，37（01）：30-35.

作者簡介：程碩（2000-），男，漢族，福建永泰，本科，福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院。