Y2O3對(duì)鐵基金剛石工具性能的影響＊

溫 祿，周 強(qiáng)，羅 莉，潘錫翔，吳勁頻

（1.國(guó)家離子型稀土資源高效開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心,江西 贛州 341000）

（2.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司,江西 贛州 341000）

金屬結(jié)合劑金剛石工具因具有高強(qiáng)度、高硬度和良好的耐磨性，廣泛應(yīng)用于建材切削、礦石開采、地質(zhì)勘測(cè)等硬脆材料加工領(lǐng)域。對(duì)用戶來說，因電力成本在加工支出項(xiàng)中占很大比重，金剛石工具的切割效率和加工能耗是關(guān)注的重點(diǎn)。因此，提高金剛石工具的鋒利度和耐磨性顯得尤為重要，而胎體配方和加工工藝等是影響金剛石工具鋒利度和耐磨性的關(guān)鍵。金屬結(jié)合劑金剛石工具用胎體一般包含金屬基結(jié)合劑和金屬基預(yù)合金粉等，其中的金屬基結(jié)合劑有Co 基、Fe 基、Cu 基結(jié)合劑等，且金屬基預(yù)合金粉能很好地把持金剛石顆粒。由于Fe 基結(jié)合劑具有良好的綜合性能且成本相對(duì)較低，近年來已成為研究的熱點(diǎn)。如以相對(duì)便宜的Fe 基產(chǎn)品替代成本較高的Co 基或低Co 基產(chǎn)品等來制造鋸片，但替代時(shí)要解決工具自銳能力下降、結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度不高等問題[1-3]。針對(duì)花崗巖的硬脆特性，林濤等[4]用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%Co 的超細(xì)預(yù)合金粉在燒結(jié)溫度為830～860 ℃時(shí)制造了鐵基金剛石鋸片，并使胎體對(duì)金剛石呈現(xiàn)較好的包鑲能力，獲得了切割性能較好的鐵基金剛石鋸片。但其中的Co 含量還有下降空間，且燒結(jié)溫度較高會(huì)對(duì)金剛石本身性能造成破壞。金屬結(jié)合劑中添加稀土元素就是解決該問題的途徑之一。

金屬結(jié)合劑中添加稀土元素可細(xì)化結(jié)合劑晶粒、凈化金剛石和結(jié)合劑的界面，進(jìn)而改善彼此間結(jié)合狀態(tài)[5-6]。劉英等[7]研究了稀土Y 對(duì)45Ni-40Fe-8Co-7Cu合金微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)添加稀土后的合金晶界清晰，其稀土相促進(jìn)了Ni 的外擴(kuò)散，細(xì)化了氧化物的結(jié)晶顆粒；LI 等[8]研究了Y 摻雜對(duì)TiAl 基合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)Y 的加入對(duì)晶粒細(xì)化和結(jié)晶的層間距有明顯影響，這有助于提高合金的機(jī)械強(qiáng)度；葉紀(jì)超[9]發(fā)現(xiàn)添加適量的Y2O3能明顯提高金屬胎體的力學(xué)性能，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的稀土Y2O3后，胎體抗沖擊韌性提高了約90%，抗彎強(qiáng)度提高了16%，硬度提高了15%以上。原因是Y2O3的添加，能通過彌散強(qiáng)化及晶粒細(xì)化等作用改善胎體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使胎體更加致密化，從而提高了胎體性能；郭森林[10]研究發(fā)現(xiàn)：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%Y2O3的胎體對(duì)CBN 磨粒結(jié)合更緊密，且Y2O3在胎體中高度彌散，其機(jī)械包覆能力更強(qiáng)。

為研究及制備性價(jià)比較高的金剛石工具來加工花崗巖，選用Fe 基低Co 配方金屬結(jié)合劑，并添加適量Y2O3，制備16 組金剛石胎體燒結(jié)樣，基于正交試驗(yàn)方法研究熱壓壓力、燒結(jié)溫度和Y2O3含量等3 個(gè)因素的變化對(duì)樣品硬度、致密度、抗彎強(qiáng)度和斷口微觀形貌等的影響，并獲得較優(yōu)的燒結(jié)工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，向胎體中加入金剛石顆粒制備金剛石工具，對(duì)工具的斷口形貌、耐磨性和鋒利度等進(jìn)行檢測(cè)及分析，以期了解稀土氧化物含量對(duì)金剛石工具性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

CuSn15 合金粉、FeCu30 合金粉及FeCu40Ni12Sn7 Co10 合金粉，3 種合金粉的基本顆粒尺寸均為48 μm，其密度分別為8.64，8.15 和8.43 g/cm3，純度均為99.5%；Y2O3粉基本顆粒尺寸為74 μm，密度為5.01 g/cm3，質(zhì)量為分析純；金剛石粒度代號(hào)為40/45，為SMD 系列人造金剛石。

1.2 樣品制備

表1 鐵基胎體配方表（質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Formula of iron-based matrix (mass fraction)

表2 正交試驗(yàn)的因素和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

金剛石工具制備：在表1 配方中再分別加入體積分?jǐn)?shù)為20%的40/45 金剛石，用石蠟油潤(rùn)濕并混合均勻，用胎體試樣制備相同的方法制備同尺寸的4 種金剛石工具試樣，以進(jìn)行相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度、形貌等的測(cè)試。制備金剛石工具試樣時(shí)，根據(jù)胎體性能檢測(cè)結(jié)果，選擇胎體制備時(shí)較佳的燒結(jié)工藝參數(shù)來制備4種金剛石工具試樣。4 種胎體及4 種金剛石工具試樣分別都用D，E，F(xiàn)，G 命名。

1.3 性能測(cè)試及結(jié)構(gòu)表征

試樣密度根據(jù) GB/T 3850-2015《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測(cè)定方法-排水法》進(jìn)行測(cè)量[11]。采用HVS-10008 數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試胎體試樣硬度。試樣抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法在CMT-5205D 電子萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，測(cè)試時(shí)跨距為14.5 mm。每組試樣單個(gè)性能檢測(cè)項(xiàng)目重復(fù)檢測(cè)4 個(gè)（次），最終數(shù)據(jù)取平均值。用TESCAN MIRA3 LMH 掃描電鏡對(duì)試樣斷口形貌進(jìn)行觀察。將金剛石工具試樣與綠碳化硅砂輪（綠碳化硅基本顆粒尺寸為178 μm，砂輪規(guī)格為100 mm×16 mm×20 mm）在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)磨，磨削時(shí)加載9.8 N 的力，磨削50 s，計(jì)算金剛石工具試樣的質(zhì)量損耗，以反映金剛石工具試樣的耐磨性及鋒利度。

2 結(jié)果與討論

2.1 胎體的性能

表3 為胎體試樣燒結(jié)的正交試驗(yàn)方案及性能檢測(cè)結(jié)果，其中的相對(duì)密度=胎體實(shí)測(cè)密度/胎體理論密度，胎體理論密度由表1 各成分占比計(jì)算得到。表4 是胎體試樣各性能指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果，其極差值越大說明該因素與結(jié)果變化相關(guān)性越大，影響越顯著。從表4 中可知：顯著影響相對(duì)密度和硬度的因素次序?yàn)閅2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞燒結(jié)溫度＞熱壓壓力，對(duì)抗彎強(qiáng)度影響顯著的因素次序?yàn)闊Y(jié)溫度＞Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞熱壓壓力。

表3 胎體燒結(jié)試樣正交試驗(yàn)方案及性能檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Orthogonal test scheme and performance test results of matrix sintered samples

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results of orthogonal test results

圖1、圖2 和圖3 分別為試樣相對(duì)密度、硬度和抗彎強(qiáng)度隨各因素水平的變化趨勢(shì)。由圖1 可知：熱壓壓力增大、燒結(jié)溫度升高，試樣相對(duì)密度隨之增大；若Y2O3含量增加，相對(duì)密度則先減小后增大。由圖2 可知：壓力增大，硬度先減小后增大；若溫度升高、Y2O3含量增加，試樣硬度則先增大后減小再增大。由圖3可知：試樣的抗彎強(qiáng)度與溫度變化呈強(qiáng)烈的正相關(guān)性，且波動(dòng)幅度較大；抗彎曲度與壓力和Y2O3含量的變化基本上是先減小后增大。綜合起來，在水平3 時(shí)，胎體綜合性能最弱；在水平4 時(shí)，胎體綜合性能最優(yōu)。此時(shí)，若以胎體相對(duì)密度最大、硬度最高、抗彎強(qiáng)度最大為目標(biāo)，則相應(yīng)的最佳參數(shù)組合分別為A4B4C4、A4B4C2及A4B4C4。

圖1 試樣相對(duì)密度隨各因素及水平變化的趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of relative densities of samples with factors and levels

圖2 試樣硬度隨各因素及水平變化的趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of hardness of samples with factors and levels

圖3 試樣抗彎強(qiáng)度隨各因素及水平變化的趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of flexural strengths of samples with factors and levels

2.2 胎體試樣斷口形貌

圖4 是部分胎體試樣斷口形貌。由圖4 可知：1#和5#試樣的孔隙率較大。原因是在溫度較低時(shí)，體積擴(kuò)散較慢，顆粒重排或溶解重排不充分，胎體未完全致密化，其斷口存在較大的解理面，斷裂方式主要為沿晶斷裂，致使胎體抗彎強(qiáng)度和相對(duì)密度均處于較低水平；13#和16#試樣的致密度化程度明顯改善，斷裂方式主要為穿晶斷裂。其中，13#試樣添加了較多的Y2O3（表3），其斷口組織相較1#和5#的更加致密，且表3 數(shù)據(jù)也顯示其抗彎強(qiáng)度較1#和5#的均提高了13% 以上；16#試樣雖未添加Y2O3，但因提高了燒結(jié)溫度和熱壓壓力，胎體孔隙被金屬液相填充，其胎體斷口組織相比13#試樣的更加均勻、細(xì)密。但13#和16#試樣熱壓壓力相同，燒結(jié)溫度差別較大，分別是760 ℃和820 ℃，這表明13#試樣中添加的Y2O3能降低燒結(jié)溫度并促進(jìn)胎體組織致密化。

圖4 部分胎體試樣斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of some matrix samples

2.3 金剛石工具試樣的性能

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步探究Y2O3對(duì)4 種金屬胎體金剛石工具試樣性能的影響，對(duì)D，E，F(xiàn)，G 4 種金剛石工具試樣的燒結(jié)選取較優(yōu)的燒結(jié)工藝參數(shù)組合A3B2，即在熱壓壓力為51 kN，燒結(jié)溫度為780 ℃下進(jìn)行燒結(jié)。表5 是在較優(yōu)燒結(jié)參數(shù)下改變Y2O3含量制備的4 種胎體及4 種金剛石工具試樣的性能測(cè)試結(jié)果，表中的抗彎強(qiáng)度損失率η=（σ1-σ2）/σ1×100%。

表5 金剛石胎體/工具試樣性能測(cè)試結(jié)果Tab.5 Performance test results of diamond matrix/tool samples

表5 數(shù)據(jù)表明：隨著Y2O3含量增加，金剛石工具試樣的抗彎強(qiáng)度損失率是先增大后減小再增大，當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50% 時(shí)，其抗彎強(qiáng)度最高為899.00 MPa，抗彎強(qiáng)度損失率最低為9.91%，僅為空白組（即Y2O3為0 時(shí)的組）D 的抗彎強(qiáng)度損失率的34.41%。說明含適量Y2O3的金屬結(jié)合劑不僅能為金剛石提供支撐而且能傳遞并分散應(yīng)力，使金剛石工具能承受相對(duì)較大的應(yīng)力而不斷裂。這在宏觀力學(xué)上表現(xiàn)為金剛石工具試樣的抗彎強(qiáng)度相對(duì)較高，即金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石有較好的包鑲能力[12]。

圖5 是表5 中4 種金剛石工具試樣的斷口形貌。由圖5 可知：4 種胎體結(jié)合劑和金剛石結(jié)合緊密，且組織致密。圖中4 種金剛石工具的結(jié)合順序?yàn)镕＞G＞D＞E，該結(jié)果與表5 中的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)一致。說明適量的Y2O3能使燒結(jié)體孔隙率減小，黏結(jié)狀況改善，增強(qiáng)了燒結(jié)體對(duì)金剛石顆粒的把持能力。

圖5 金剛石工具各試樣斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of diamond tool samples

2.4 金剛石工具試樣的耐磨性

表6 是表5 中4 種金剛石工具試樣分別與碳化硅砂輪對(duì)磨的測(cè)試結(jié)果，其中的磨耗比R=工具試樣損耗的質(zhì)量m1/砂輪損耗的質(zhì)量m2，R值越低，表明工具耐磨性越好；且單位時(shí)間內(nèi)碳化硅砂輪的質(zhì)量損耗越高，證明金剛石工具越鋒利。表6 數(shù)據(jù)顯示：添加Y2O3后，金剛石工具的磨耗比增加，表明其耐磨性降低。隨著Y2O3含量的增加，綠碳化硅砂輪的損耗先減小后增大，當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，碳化硅砂輪損耗質(zhì)量最大，為22.90 g，是空白組D 時(shí)的1.70 倍；此時(shí)金剛石工具的鋒利度最好，但其磨耗比比D 組的增加34.57%，工具耐磨性變差。

準(zhǔn)備完畢，姑媽要鎖門時(shí)，玉敏指著姑媽手指上的鉆戒，說這個(gè)拿下吧，帶到洗澡中心不安全。弄上水了，還會(huì)影響光潔度。姑媽說對(duì)對(duì)，這玩藝是寶貝，莫讓小偷盯上了。玉敏心里格登一下，臉有些發(fā)燙。姑媽取下鉆戒，進(jìn)了臥室，拉開床頭柜最上層抽屜，將鉆戒放了進(jìn)去。

表6 金剛石工具試樣耐磨性測(cè)試結(jié)果Tab.6 Wear resistance test results of diamond tool samples

圖6 是D，F(xiàn) 金剛石工具試樣的磨損面形貌。圖6中的2 組胎體對(duì)金剛石的機(jī)械包鑲均較好，但試樣F的金剛石顆粒出露高度明顯高于試樣D 的，表明該金剛石工具的切削效率更高。研究證實(shí)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%Y2O3的金剛石工具的自銳性更好，與加工對(duì)象具有優(yōu)良的匹配性[13]。

圖6 金剛石工具磨損面形貌Fig.6 Morphologies of wear surface of diamond tools

3 結(jié)論

（1）顯著影響鐵基結(jié)合劑胎體相對(duì)密度、硬度的因素次序?yàn)閅2O3含量＞燒結(jié)溫度＞熱壓壓力，顯著影響抗彎強(qiáng)度的因素次序?yàn)闊Y(jié)溫度＞Y2O3含量＞熱壓壓力，且Y2O3能促進(jìn)鐵基金剛石胎體組織致密化，降低胎體燒結(jié)溫度。

（2）鐵基金剛石工具試樣制備選取的較優(yōu)燒結(jié)工藝參數(shù)為：熱壓熱力，51 kN；燒結(jié)溫度，780 ℃。添加適量的Y2O3能使工具試樣中的孔隙率減小，黏結(jié)狀況改善，并增強(qiáng)結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的把持能力。

（3）用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%Y2O3的配方制作金剛石工具試樣，其抗彎強(qiáng)度最高且抗彎強(qiáng)度損失率最低，分別為899.00 MPa 和9.91%，此時(shí)工具的綜合性能最優(yōu)。與該金剛石工具對(duì)磨的碳化硅砂輪的損耗量最大為22.90 g，是不含Y2O3時(shí)的空白組工具的1.70 倍。此時(shí)，金剛石工具試樣的鋒利度最好，但其磨耗比比空白組工具試樣的增加34.57%，金剛石工具的耐磨性降低。同時(shí)，工具中的金剛石顆粒出露高度更高，其自銳性更好。