NaCl對(duì)自蔓延制備多孔金屬結(jié)合劑的影響

謝高賞, 何 方, 于展翔

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

金屬結(jié)合劑金剛石磨具在光學(xué)玻璃、寶石、硬質(zhì)合金等硬脆材料中有著廣泛應(yīng)用[1-2],具有耐磨性好、耐溫導(dǎo)熱性能好、使用壽命長(zhǎng)和形狀保持性好等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。不同體系的金屬結(jié)合劑應(yīng)用于不同的場(chǎng)合,與陶瓷和樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪相比較,金屬結(jié)合劑砂輪沒(méi)有氣孔,結(jié)合強(qiáng)度較高,自銳性相對(duì)較差,所以金屬結(jié)合劑砂輪的修銳是一個(gè)大問(wèn)題[5-7]。為了使金屬結(jié)合劑有更好的自銳性,通常模仿陶瓷結(jié)合劑中的孔隙結(jié)構(gòu),通過(guò)添加一定量的造孔劑[8-10],改善金屬結(jié)合劑的性能和孔隙結(jié)構(gòu),從而解決本身缺陷。

關(guān)于多孔金屬結(jié)合劑金剛石磨具造孔的研究,早在20世紀(jì)90年代,日本研究人員Tanaka[11]就提出了多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪PMBDW(Porous Metal-Bonded Diamond Wheel),在金屬結(jié)合劑磨具中引入陶瓷結(jié)合劑的氣孔結(jié)構(gòu),以獲得磨料易出刃、磨削效率高、易修整和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。而NiAl金屬間化合物[12-14]由于其典型的晶體結(jié)構(gòu)(體心立方晶格),同時(shí)具有金屬材料的韌性和陶瓷材料的高溫特性,在宏觀上表現(xiàn)為硬脆性,所以反應(yīng)后的NiAl可以作為耐磨材料應(yīng)用于多孔金屬結(jié)合劑磨具上[15]。Zhang等[16]提出了一種基于選擇性激光熔化的方法,利用SLM技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控不同工況下內(nèi)部氣孔的數(shù)目和形狀,設(shè)計(jì)制備出兩種類型的氣孔結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和有限元模擬。結(jié)果表明:該工藝可以有效提高樣品的氣孔率,從而制備出高氣孔率高強(qiáng)度的砂輪。Zhao等[17]以氧化鋁空心球?yàn)樵炜讋?制備了高強(qiáng)度、高氣孔率的多孔金屬結(jié)合劑cBN砂輪。結(jié)果表明:該多孔cBN砂輪的孔結(jié)構(gòu)和氣孔率都是可控制的,且磨削效果較好,可以獲得較高的材料去除率和較低的磨削表面硬度?？傊?添加造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑性能有著至關(guān)重要的作用。

以Ni、Al金屬粉末的混合粉末作為原料,添加NaCl作為造孔劑,利用真空熱壓燒結(jié)法制備鎳鋁基多孔金屬結(jié)合劑,研究不同的NaCl含量下對(duì)鎳鋁基金屬結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度、硬度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)及金屬結(jié)合劑金剛石樣品抗折強(qiáng)度和顯微結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料選用

鎳粉(30～53 μm,純度99.9%)、鋁粉(30～53 μm,純度99.9%)、銅粉(30～53 μm,純度99.9%)、錫粉(30～53 μm,純度99.9%)、氯化鈉,所有試劑都是分析級(jí)的,不經(jīng)過(guò)純化就可以使用。

1.2 樣品制備

混料是制備過(guò)程中非常重要的一步,混合后金屬結(jié)合劑中各組分分布是否均勻,將直接影響后續(xù)壓制成型的多孔金屬結(jié)合劑力學(xué)性能。將Cu粉和Al、Ni、Cr粉按照實(shí)驗(yàn)出的最優(yōu)比例在混料機(jī)中混合均勻,分別添加體積分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、15%、20%的NaCl造孔劑進(jìn)行混合。將混合好的粉末倒入模具中,使用液壓機(jī)壓制成30 mm×6 mm×6 mm的樣條。自蔓延燒結(jié)前,應(yīng)先通入氬氣,然后打開(kāi)電源,開(kāi)始加熱樣品。當(dāng)樣品一端被點(diǎn)燃時(shí),應(yīng)立即停止加熱,待反應(yīng)結(jié)束并冷卻后關(guān)閉氬氣。圖1為自蔓延反應(yīng)的示意圖。

圖1 樣品自蔓延反應(yīng)的示意圖

1.3 表征

斷面形貌:采用金相顯微鏡對(duì)樣品斷面形貌進(jìn)行觀察。

抗折強(qiáng)度:按照GB/T 9341—2008測(cè)試,用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試樣品抗折強(qiáng)度,取其平均值。

氣孔率:利用阿基米德排水法原理來(lái)測(cè)樣品的氣孔率,測(cè)試五組樣品取平均值。

洛氏硬度:使用型號(hào)HR-150的洛氏硬度計(jì)測(cè)樣品洛氏硬度,測(cè)試五次取平均值。

SEM分析:采用型號(hào)為Inspect F50的掃描電子顯微鏡觀察樣品斷面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同組分樣品反應(yīng)后的形狀結(jié)構(gòu)分析

由圖2和圖3可以看出,在樣品中添加NaCl后,不同結(jié)合劑的基礎(chǔ)配方經(jīng)過(guò)自蔓延反應(yīng)后樣品的斷面形貌差異較大。對(duì)比圖2而言,圖3(a～d)中可以看出,在40%(體積分?jǐn)?shù))的Cu 85 Sn 15為基礎(chǔ)結(jié)合劑的樣品中添加不同含量的NaCl都會(huì)出現(xiàn)較大的氣孔結(jié)構(gòu),這可能是因?yàn)樘砑覵n粉的樣品的引燃時(shí)間非常慢,比不添加Sn粉的樣品引燃時(shí)間長(zhǎng)2～3倍時(shí)間,較長(zhǎng)時(shí)間的加熱會(huì)使液相Sn包裹住NaCl顆粒,使熔融狀態(tài)的NaCl流動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng),造成更多的氣孔結(jié)構(gòu),引起骨架移動(dòng),所以在宏觀結(jié)構(gòu)上就可以清楚地看到斷面形貌上的氣孔。因此,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中采用30% (體積分?jǐn)?shù))的Cu作為基礎(chǔ)結(jié)合劑,添加的Ni和Al摩爾比為1∶1,并在此基礎(chǔ)上添加不同含量的NaCl,探究NaCl對(duì)金屬結(jié)合劑的性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 體積分?jǐn)?shù)5%的NaCl的金屬結(jié)合劑(體積分?jǐn)?shù)30%的Cu添加量)斷面形貌圖

圖3 不同含量NaCl的金屬結(jié)合劑(體積分?jǐn)?shù)40%的Cu 85 Sn 15添加量)斷面形貌圖

2.2 NaCl造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出,在使用模具固定時(shí)不添加NaCl的金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度較高,平均抗折強(qiáng)度達(dá)到了305 MPa。隨著NaCl含量的增加,樣品的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了遞減的變化規(guī)律,當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到了最小值,其值為117.2 MPa,比NaCl體積分?jǐn)?shù)為0%時(shí)的金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度降低了61.6%。當(dāng)不使用模具固定時(shí),樣品的抗折強(qiáng)度也發(fā)生了相似的變化,抗折強(qiáng)度普遍呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律,且減小趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。從抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律可以看出,使用模具固定時(shí),加入NaCl造孔劑的金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度都大于沒(méi)有使用模具固定的金屬結(jié)合劑。這是可能是因?yàn)镹i和Al摩爾比為1∶1時(shí),其自蔓延反應(yīng)燃燒溫度高達(dá)1 613℃,由于自蔓延反應(yīng)所引起的瞬時(shí)溫度遠(yuǎn)高于NaCl的熔點(diǎn),使NaCl發(fā)生了熔化,會(huì)導(dǎo)致骨架移動(dòng),樣品形狀結(jié)構(gòu)輕微變形。而使用模具加以固定時(shí),樣品中液相流動(dòng)時(shí)不會(huì)引起骨架移動(dòng)而失去穩(wěn)定性坍塌,從而保持了樣品本身的形狀結(jié)構(gòu),因此使用模具固定的金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度大于未使用模具固定的抗折強(qiáng)度。此外,隨著NaCl含量的增加,兩者抗折強(qiáng)度的差值逐漸減小,這是由于NaCl含量較高時(shí),雖然自蔓延反應(yīng)更加平緩,但熔融狀態(tài)的NaCl會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔昧鲃?dòng)到樣品底部。其次結(jié)合劑對(duì)金剛石主要是機(jī)械鑲嵌力,NaCl含量較高時(shí)結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力較弱,因此兩者抗折強(qiáng)度相差不大。

圖4 NaCl含量對(duì)金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度的影響

2.3 NaCl造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑硬度的影響

NaCl含量對(duì)金屬結(jié)合劑洛氏硬度的影響見(jiàn)圖5。

圖5 NaCl含量對(duì)金屬結(jié)合劑洛氏硬度的影響

由圖5可以看出,在使用模具固定時(shí)不添加NaCl的金屬結(jié)合劑洛氏硬度較高,平均洛氏硬度達(dá)到了91.7 HRB。隨著NaCl含量的增加,樣品的洛氏硬度出現(xiàn)了遞減的變化規(guī)律,當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)洛氏硬度達(dá)到了最小值,其值為60.7 HRB,比NaCl體積分?jǐn)?shù)為0%時(shí)的金屬結(jié)合劑洛氏硬度降低了33.8%。當(dāng)不使用模具固定時(shí),樣品的洛氏硬度也發(fā)生了相似的變化,洛氏硬度普遍呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律,且減小趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。特別是NaCl體積分?jǐn)?shù)從10%至20%時(shí),兩者硬度基本都保持在一個(gè)穩(wěn)定值,且隨著NaCl含量的增大,其硬度也不會(huì)有顯著的變化。這是可能是因?yàn)榻饘俳Y(jié)合劑樣品在含有去離子水的燒杯中溶解處理后,樣品表面和內(nèi)部會(huì)的一部分NaCl會(huì)溶解在水中。隨著樣品中NaCl的溶解,樣品表面和內(nèi)部會(huì)形成骨架孔結(jié)構(gòu)。從圖7的SEM圖中可以看出NaCl溶解后的孔隙形貌。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí),骨架中的孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之增多。對(duì)于洛氏硬度計(jì)而言,這種孔隙的存在會(huì)削弱結(jié)合劑對(duì)鋼球的支撐能力,而鋼球?qū)Y(jié)合劑的侵入量則會(huì)隨之增加。因此,隨著結(jié)合劑中的NaCl含量的增加,結(jié)合劑的硬度會(huì)隨之降低,樣品中NaCl含量的增加會(huì)使結(jié)合劑表面骨架結(jié)構(gòu)變得更多,但也會(huì)有NaCl包裹在金屬結(jié)合劑的內(nèi)部,內(nèi)部被包裹的NaCl沒(méi)有被去離子水溶解。由于NaCl尚未完全溶解,因此在結(jié)合劑內(nèi)部就不會(huì)形成孔隙,使NaCl在結(jié)合劑中具有一定的強(qiáng)度支撐作用,所以隨著NaCl含量的增加,其硬度不再呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

2.4 NaCl造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑氣孔率的影響

由圖6可以看出,在使用模具固定時(shí)不添加NaCl的金屬結(jié)合劑氣孔率較低,平均氣孔率達(dá)到了15.3%。隨著NaCl含量的增加,樣品的氣孔率出現(xiàn)了遞增的變化規(guī)律,當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)氣孔率達(dá)到了最大值,其值為42%,比NaCl體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)的金屬結(jié)合劑氣孔率提高了174.5%。當(dāng)不使用模具固定時(shí),樣品的氣孔率也發(fā)生了相似的變化,氣孔率普遍呈現(xiàn)遞增的變化規(guī)律,且增大趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。由于NaCl的熔融溫度低于自蔓延反應(yīng)的燃燒溫度,當(dāng)樣品被引燃時(shí),NaCl會(huì)熔化產(chǎn)生液相,在燒結(jié)過(guò)程中,液相在粉末之間流動(dòng),形成孔隙結(jié)構(gòu)。但是,在反應(yīng)完成后,需要用去離子水溶解NaCl,才能更好地在樣品中留下孔隙。隨著NaCl含量的增加,孔隙之間會(huì)形成更多的通孔,去離子水也能完全滲透到樣品中,使結(jié)合劑中的NaCl幾乎完全溶解,因此當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí),樣品孔隙率的增加更為明顯,反而隨著NaCl含量的不斷增加,樣品氣孔率的增加變慢。通常所用的造孔劑在水或磨削液中的溶解度高會(huì)使所制備的多孔金屬結(jié)合劑金剛石磨具在磨削過(guò)程中表現(xiàn)更好。這是因?yàn)樵谀ハ鬟^(guò)程中,水或磨削液會(huì)將磨具表面的造孔劑溶解,從而在切削層表面為切屑留下更多的空間。由此形成的孔隙更有利于磨具具有良好的自銳性、排出磨削液、降低磨削表面溫度,從而避免燒傷工件表面。

圖6 NaCl含量對(duì)金屬結(jié)合劑氣孔率的影響

2.5 NaCl造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑磨具性能的影響

表1和表2分別為是否使用模具固定的情況下,結(jié)合劑中金剛石濃度為75%時(shí)添加不同含量NaCl對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石磨具的抗折強(qiáng)度和強(qiáng)度損失率的影響規(guī)律。由表1可以看出,在使用模具固定時(shí)不添加NaCl的金屬結(jié)合劑強(qiáng)度損失率較低,強(qiáng)度損失率達(dá)到了27.5%。隨著NaCl含量的增加,樣品的強(qiáng)度損失率出現(xiàn)了遞增的變化規(guī)律,當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)強(qiáng)度損失率達(dá)到了最大值,其值為49.8%。當(dāng)不使用模具固定時(shí),樣品的強(qiáng)度損失率也發(fā)生了相似的變化,強(qiáng)度損失率普遍呈現(xiàn)遞增的變化規(guī)律,表明金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力也隨著NaCl含量的增加而逐漸減弱。在添加NaCl后,金剛石與NaCl顆粒之間會(huì)出現(xiàn)直接的界面接觸。如圖7所示,當(dāng)造孔劑與金剛石之間存在直接的界面接觸時(shí),造孔劑溶于水后,會(huì)在結(jié)合劑的內(nèi)部形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí),造孔劑對(duì)金剛石沒(méi)有機(jī)械鑲嵌力或化學(xué)結(jié)合力,這也降低了結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力,增大了強(qiáng)度損失率。然而,形成的孔隙可以發(fā)揮出容屑和排液的作用,在加入適量的造孔劑時(shí),可使磨具有一定的孔隙率,并在磨削過(guò)程中起到容屑、排液的作用。

表1 多孔金屬結(jié)合劑金剛石樣品抗折強(qiáng)度損失率(使用模具固定)

表2 多孔金屬結(jié)合劑金剛石樣品抗折強(qiáng)度損失率(未使用模具固定)

圖7 不同NaCl含量金屬結(jié)合劑掃描電鏡圖

2.6 不同含量NaCl造孔劑的金屬結(jié)合劑掃描電鏡分析

由圖7可以看出,是否使用模具固定制備的樣品都存在著一定的氣孔,且隨著NaCl含量的增加,樣品斷面處的微孔數(shù)目也在增加。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí),氣孔率較低,是否使用模具固定的樣品氣孔分布都不均勻且形狀不規(guī)則,隨著NaCl含量的增加,兩者氣孔率都升高。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),對(duì)比圖7(c)而言,圖7(d)中可以看出,使用模具固定的樣品氣孔分布均勻,氣孔形狀更加規(guī)則,且氣孔尺寸變小。這可能是因?yàn)樘砑覰aCl造孔劑的樣品在使用模具固定時(shí),由于內(nèi)部受到了外部的壓力,所以會(huì)使形變量變得很小。在自蔓延反應(yīng)過(guò)程中,會(huì)伴隨著NaCl被液態(tài)金屬逐漸包裹,在燒結(jié)體水煮后,由于連接的氣孔數(shù)量較少,所形成的氣孔就會(huì)被隔離的存在于結(jié)合劑內(nèi)部。而不使用模具固定的樣品,因?yàn)閮?nèi)部不會(huì)受到來(lái)自外部模具給予的壓力,在自蔓延反應(yīng)時(shí),熔融后的NaCl會(huì)更無(wú)規(guī)則的流動(dòng),所以也會(huì)出現(xiàn)圖7(c)中大氣孔和小氣孔,并且圖7(c)中大孔數(shù)目明顯高于圖7(a)中的數(shù)目,這表明樣品生坯中的造孔劑的含量越高,最終燒結(jié)體中的大孔的數(shù)目越多。此外,大孔的孔壁上也有一些小孔,這也極大地提高了氣孔率。

2.7 不同含量NaCl造孔劑的金屬結(jié)合劑金剛石磨具掃描電鏡分析

由圖8可以看出,在氣孔周?chē)妆诠饣牡胤绞墙饎偸袈涞牡胤?而氣孔周?chē)恍┎黄秸牡胤絼t是加入了造孔劑進(jìn)行自蔓延反應(yīng),再用去離子水處理后形成的氣孔結(jié)構(gòu)。加入NaCl后,大部分氣孔近似為球形結(jié)構(gòu),當(dāng)未使用模具固定時(shí),金屬結(jié)合劑金剛石斷面處的微細(xì)裂紋會(huì)增加。圖8(a)和圖8(b)為NaCl體積分?jǐn)?shù)為5%的樣品經(jīng)去離子水處理后,NaCl與金剛石直接接觸后的金剛石與金屬結(jié)合劑的結(jié)合情況圖。在NaCl溶于水后,金剛石與金屬結(jié)合劑的結(jié)合面積減少。溶解NaCl后,金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力也降低,這與表1和表2中的金屬結(jié)合劑金剛石磨具的強(qiáng)度損失率相一致。因此,當(dāng)可溶性造孔劑含量增加時(shí),金剛石與造孔劑的接觸面積增大,會(huì)導(dǎo)致多孔金屬結(jié)合劑金剛石磨具的強(qiáng)度大幅度降低。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),對(duì)比圖8(c)而言,圖8(d)中可以看出,使用模具固定的金屬結(jié)合劑與金剛石結(jié)合情況良好,沒(méi)有明顯孔隙,但未使用模具固定的金屬結(jié)合劑與金剛石的界面處孔隙較大較寬,且氣孔更多地分布在金剛石磨粒周?chē)Ｒ虼?結(jié)合表1和表2可知,在金剛石不與氣孔直接接觸的情況下,金屬結(jié)合劑能更好地包裹金剛石,樣品的力學(xué)性能也能更佳。

圖8 不同NaCl含量金屬結(jié)合劑金剛石掃描電鏡圖

3 結(jié)論

本論文的實(shí)驗(yàn)主要研究了不同含量的可溶性造孔劑NaCl對(duì)Ni-Al自蔓延反應(yīng)制備多孔金屬結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度、硬度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)及金屬結(jié)合劑金剛石樣品抗折強(qiáng)度和顯微結(jié)構(gòu)的影響,得出如下結(jié)論:

(1)添加NaCl造孔劑后的金屬結(jié)合劑抗折強(qiáng)度和硬度有所下降,氣孔率增加。當(dāng)添加體積分?jǐn)?shù)為5%的NaCl時(shí),使用模具固定制備的樣品抗折強(qiáng)度和硬度分別為262.2 MPa和74.1 HRB均高于不使用模具固定的樣品(214.6 MPa和61.3 HRB),但是否使用模具固定對(duì)金屬結(jié)合劑的氣孔率影響差別不大。

(2)添加NaCl造孔劑時(shí),是否使用模具固定會(huì)影響金屬結(jié)合劑中氣孔分布和形狀。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí),氣孔率較低,是否使用模具固定的樣品氣孔分布都不均勻且形狀不規(guī)則。當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),使用模具固定的樣品氣孔分布均勻,氣孔形狀更加規(guī)則,且氣孔尺寸變小。

(3)添加NaCl造孔劑后,使用模具固定的金屬結(jié)合劑金剛石磨具抗折強(qiáng)度從221 MPa降低到58.8 MPa。而加入NaCl后,金剛石磨具大部分氣孔近似為球形結(jié)構(gòu),但未使用模具固定時(shí),其斷面處的微細(xì)裂紋會(huì)增加。