Sn粉氧含量的變化對(duì)Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑性能的影響及分析

陳恩厚, 杜曉旭, 王 兵, 邴建立, 王凍凍,趙 賦,鞏永剛

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

以Cu粉為主要成分的青銅基金屬結(jié)合劑,具有韌性好、強(qiáng)度適中、冷壓成型性好、燒結(jié)溫度低等特點(diǎn),在精密加工及超精密加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。制作金屬結(jié)合劑砂輪所使用的原材料金屬粉末粒度越來越細(xì),在放置時(shí)間較長(zhǎng)后,原材料金屬粉末容易發(fā)生氧化。因此,提高金屬結(jié)合劑性能的有效方法之一就是要嚴(yán)格控制原材料金屬粉末的氧含量[1-3]。

鈦在金剛石表面改性、Ti合金金剛石工具和釬焊方面的應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者都開展了深入的研究,在Cu基金屬結(jié)合劑中加入一定量的Ti,可有效改善Cu基金屬結(jié)合劑的組織結(jié)構(gòu),提高Cu基金屬結(jié)合劑的綜合性能[4-6]。

Sn粉在日常的存儲(chǔ)過程中,容易氧化。劉一波等[7]對(duì)金剛石工具用金屬粉末的研究中發(fā)現(xiàn),單質(zhì)Sn粉由于在粉末形貌、氧含量控制等方面的研究不足,不同質(zhì)量的Sn粉使金剛石工具胎體的合金化以及組織的致密性產(chǎn)生較大的影響。王兵等[8]在Sn粉氧化膜對(duì)Sn粉熔化溫度影響的研究中發(fā)現(xiàn),Sn粉顆粒表面的氧化膜會(huì)成為Sn塊熔化過程中的溫度壁壘,相同溫度下,高氧含量Sn粉完全熔化,需要更長(zhǎng)的時(shí)間。Dongyang Li等[9]在研究時(shí)發(fā)現(xiàn),單質(zhì)Ti粉燒結(jié)頸的生長(zhǎng)速率隨著氧含量的增加而降低。故添加了高氧含量的Sn粉,對(duì)Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的致密性、力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生影響,為了進(jìn)一步提高和改善Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的綜合性能,本次實(shí)驗(yàn)擬通過在結(jié)合劑中加入不同氧含量的Sn粉來研究Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑性能的變化,并通過Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的微觀組織結(jié)構(gòu)變化來分析引起金屬結(jié)合劑性能改變的原因。

1 試驗(yàn)方案

選定優(yōu)化過的Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑體系配方Cu 85 Sn 15,外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Ti。利用氧氮分析儀挑選出5組含有不同氧含量的Sn粉,采用相同的燒結(jié)工藝制備50 mm×8 mm×9 mm規(guī)格的Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條,通過檢測(cè)結(jié)合劑試條的機(jī)械性能,利用掃描電鏡觀察并分析結(jié)合劑的微觀組織結(jié)構(gòu),研究添加了不同氧含量的Sn粉對(duì)Cu-Sn-Ti結(jié)合劑性能的影響。

1.1 原材料

主要實(shí)驗(yàn)原料見表1、表2。通過圖1可以看出,隨著氧含量的增加,Sn粉的顏色也隨之發(fā)生變化。

表1 主要實(shí)驗(yàn)原料

表2 不同氧含量的Sn粉

圖1 不同氧含量Sn粉外觀對(duì)比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

三維混料機(jī)、真空燒結(jié)壓機(jī)(RYJ-2002Z)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)(DNS200)、洛氏硬度計(jì)(HR-150A型)、掃描電子顯微鏡(Inspect S50)、氧氮分析儀、X射線衍射儀(XRD)、DAD 3350半自動(dòng)切機(jī)。

1.3 試驗(yàn)所需Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條的制備工藝

試驗(yàn)所需熱壓燒結(jié)工藝和試條的制備工藝分別為表3和圖2所示。

表3 熱壓燒結(jié)工藝

圖2 試條制備工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 氧含量對(duì)Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑試條機(jī)械性能的影響

2.1.1 Cu-Sn-Ti結(jié)合劑的密度

通過排水法對(duì)所制結(jié)合劑試條的密度進(jìn)行了測(cè)定。Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的密度隨著Sn粉氧含量的變化如圖3所示。由圖3可知,隨著Sn粉氧含量的增加,結(jié)合劑的密度有逐漸減小的趨勢(shì)。

圖3 Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的密度隨Sn粉氧含量變化的數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1.2 抗折強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)通過DNS200電子萬能試驗(yàn)機(jī),對(duì)所制備的結(jié)合劑試條進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試,Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度隨Sn粉氧含量的變化如圖4所示。由圖4可知,隨著Sn粉氧含量的增加,結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖4 Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度隨Sn粉氧含量變化的數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1.3 洛氏硬度

由圖5可知,在相同的燒結(jié)條件下,隨著Sn粉氧含量的增加,Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的洛氏硬度逐漸增大。

圖5 Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的洛氏硬度隨Sn粉氧含量變化的數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)合劑試樣微觀組織分析

3.1.1 Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條表面微觀形貌(SEM)和物相分析(XRD)

利用電子顯微鏡對(duì)含有不同氧含量Sn粉的結(jié)合劑試條進(jìn)行表面微觀形貌觀察。 Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑燒結(jié)后,結(jié)合劑內(nèi)部形成以Ti為核心的核/殼結(jié)構(gòu),依次 Ti / Cu-Ti / Ti-Cu-Sn / Cu-Sn。具體的組織結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條表面微觀形貌及能譜照片

圖6a為結(jié)合劑試條的表面微觀形貌,圖6b為試條表面的能譜分析。如圖6及表4所示,結(jié)合劑試樣表面微觀形貌分為兩部分,深色部分為Ti核,淺色部分為Cu-Sn合金,Cu-Sn合金包圍著Ti核,這個(gè)核/殼結(jié)構(gòu)均勻分布在結(jié)合劑內(nèi)。

表4 試條表面的分析結(jié)果

由于Sn粉在使用前氧化,表面形成氧化膜,這層氧化膜阻礙液態(tài)Sn在粉末顆粒間的流動(dòng)和潤(rùn)濕性能,嚴(yán)重影響金屬粉末顆粒間的合金化,導(dǎo)致Cu-Sn-Ti結(jié)合劑的組織均勻性變差,從而使Cu-Sn-Ti結(jié)合劑的致密性變差,結(jié)合劑的力學(xué)性能也受到了影響。經(jīng)過對(duì)Cu-Sn-Ti結(jié)合劑表面進(jìn)行XRD分析,由圖7可知,試條編號(hào)5,既含有氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為3 000×10-6Sn粉的Cu-Sn-Ti結(jié)合劑中開始出現(xiàn)SnO2, SnO2的存在使結(jié)合劑內(nèi)部的純金屬相發(fā)生改變,形成金屬-陶瓷的硬脆相,結(jié)合劑的硬度會(huì)升高,脆性變大。

圖7 Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條表面物相分析(XRD)

3.1.2 Cu-Sn-Ti結(jié)合劑試條斷口形貌分析

筆者利用掃描電子顯微鏡(SEM)分別對(duì)含有不同氧含量Sn粉的結(jié)合劑試樣斷口進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)斷口存在許多微裂紋。具體的斷口裂紋情況如圖8所示。

圖8 含有不同氧含量Sn粉的結(jié)合劑試條斷口掃描電鏡圖片

如圖8所示,隨著Sn粉氧含量的增加,結(jié)合劑試條內(nèi)的裂紋越來越多。為了分析裂紋產(chǎn)生的原因,筆者對(duì)斷口的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能譜分析(EDS),分析結(jié)果如圖9和表5所示。

表5 結(jié)合劑組織結(jié)構(gòu)能譜分析結(jié)果

通過圖9和表5可以發(fā)現(xiàn),選取的1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)分別位于裂紋的兩邊,經(jīng)過能譜分析,顯示其成分均為Cu-Sn合金;Cu和Sn的質(zhì)量比接近為85∶15。說明產(chǎn)生裂紋的主體為Cu-Sn合金。Cu-Sn合金產(chǎn)生裂紋主要是由于部分Sn粉氧化,其表面形成氧化膜,氧化膜首先提高了Cu-Sn合金化進(jìn)程的起始溫度,其次氧化膜的阻隔使液態(tài)Sn難以在其他粉末顆粒間擴(kuò)散,氧化的Sn粉對(duì)于其他金屬粉不容易潤(rùn)濕,使燒結(jié)時(shí)顆粒間的結(jié)合力變差,試樣在做抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)結(jié)合劑斷面產(chǎn)生了大量微細(xì)的裂紋。

SnO2的加入,在結(jié)合劑中生成了金屬-陶瓷相,使Cu-Sn-Ti結(jié)合劑的脆性進(jìn)一步增大,更容易導(dǎo)致Cu-Sn-Ti結(jié)合劑發(fā)生脆性斷裂,降低了Cu-Sn-Ti結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度。

當(dāng)Sn粉氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))少于500×10-6時(shí), Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的斷口形貌裂紋明顯較少,顆粒間合金化程度高,結(jié)合劑的致密性好。

4 切割砂輪的磨耗比實(shí)驗(yàn)

利用氧氮分析儀挑選出5組含有不同氧含量的Sn粉,采用相同的燒結(jié)工藝制作Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑超薄切割砂輪,添加50%濃度的MBD6金剛石,金剛石粒度為300目,砂輪規(guī)格為M 1A 8 58 mm×0.3 mm×Φ40 mm。利用DAD 3350半自動(dòng)切機(jī),進(jìn)行切割磨耗對(duì)比實(shí)驗(yàn),切割對(duì)象為GC 320# 修刀板,分別切割40 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6和圖10所示。

表6 切割砂輪磨耗對(duì)比

圖10 切割砂輪磨耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖10可知, Sn粉的氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在<3 000×10-6時(shí),隨著氧含量的增加,Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑切割砂輪的切割磨耗逐漸降低。其主要原因是,含有高氧含量Sn粉的結(jié)合劑中存在SnO2,燒結(jié)過程中結(jié)合劑內(nèi)部生成金屬-陶瓷相,結(jié)合劑的硬度增加,使切割砂輪的耐磨性也相應(yīng)的得到提高,磨耗反而降低。

5 結(jié)論

(1)Sn粉氧含量的高低對(duì)Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的性能有著較大的影響,在添加高氧含量的Sn粉后,結(jié)合劑中由于出現(xiàn)SnO2,結(jié)合劑形成金屬-陶瓷相,導(dǎo)致Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑硬度和脆性增大。

(2)隨著Sn粉氧含量的升高,Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑的密度、抗折強(qiáng)度等性能都明顯下降。與添加氧含量為500×10-6Sn粉的結(jié)合劑相比,添加氧含量為3 000×10-6的Sn粉,結(jié)合劑的密度下降3.8%,抗折強(qiáng)度下降9.2%。

(3)Sn粉的氧含量在(500～3 000)×10-6范圍內(nèi),隨著Sn粉氧含量的增加,結(jié)合劑的硬度逐漸增加,使Cu-Sn-Ti金屬結(jié)合劑切割砂輪的耐磨性提高。