孫為云, 康 杰, 丁紫陽, 李連榮, 焦 璨, 劉勝新

(1. 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 鄭州 450121) (2. 鄭州大學(xué), 鄭州 450001)

隨著人造金剛石行業(yè)的快速發(fā)展，與之相關(guān)的金剛石工具也發(fā)展迅速[1]，并在機(jī)械、建材、光學(xué)玻璃、地質(zhì)勘探及開采、電子及能源工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。各類金剛石工具消耗量成倍增長，其中用于瓷質(zhì)磚磨邊和拋光用的金剛石磨具成為第二大金剛石工具品種[3]。瓷質(zhì)磚具有硬度高、耐磨性好及薄脆性質(zhì)、耐沖擊性差等特點(diǎn)而加工困難[1]，所以對瓷質(zhì)磚磨邊用金剛石磨邊輪的性能要求也很高。

金剛石磨邊輪主要由鋼基體和磨削刀頭2部分組成，刀頭對磨邊輪的性能起決定性作用。刀頭主要由骨架相、黏結(jié)相及金剛石磨料組成[4]，由骨架相和黏結(jié)相組成的胎體性能是影響刀頭切割性能最關(guān)鍵的因素。目前，國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的磨邊輪胎體配方主要由Fe、Cu、Ni、Sn、Mn等元素組成[5]。由于磨邊要求不同，各粉末材料的構(gòu)成不同而形成了不同胎體配方[6]，但從性能及成本等2方面綜合考慮，使用最廣泛的是鐵基胎體配方。鐵基胎體配方主要由Fe加其他單質(zhì)粉末或合金粉末混合構(gòu)成，存在合金化進(jìn)程較慢，燒結(jié)溫度偏高，且低熔點(diǎn)成分易發(fā)生偏析等缺點(diǎn)[7]。

預(yù)合金粉是將預(yù)先設(shè)計好的金屬成分燒結(jié)而制成的一定粒度的合金化粉末，在合適的燒結(jié)工藝下其組織成分較均勻，可有效改善單質(zhì)胎體成分偏析問題，從而提高胎體的綜合性能[8]。因此，在鐵基胎體配方的基礎(chǔ)上，用CuZnSn預(yù)合金粉代替部分單質(zhì)Cu粉、Sn粉，研究不同含量的預(yù)合金粉對鐵基胎體組織及性能的影響，以期獲得具有更高性價比的鐵基胎體。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料及配方

試驗用原材料為Fe粉、Cu粉、Sn粉、CuZnSn預(yù)合金粉(FBCu14)、FeCu預(yù)合金粉(FeCu30)、羰基Ni粉及FeP粉。根據(jù)磨邊輪實際生產(chǎn)情況，采用自制的胎體配方，成分配比如表1所示。表1中的配方1～配方5中固定FeCu30、Fe、Ni和FeP含量，只改變FBCu14、Cu和Sn含量，特別是FBCu14預(yù)合金粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0、2%、6%、10%和14%的方式遞增。

表1 磨邊輪胎體配方

1.2 試樣制備及檢測

(1)稱料、混料：根據(jù)各粉末的理論密度及壓制的模具體積計算投料質(zhì)量，并依據(jù)計算質(zhì)量增加5%的余量；再按照表1配方稱取各粉末質(zhì)量，在三維混料機(jī)中均勻混料3 h。

(2)熱壓燒結(jié)工藝：在燒結(jié)壓力15.6 MPa和升溫速率150 ℃/min的條件下，從400 ℃勻速升溫至750 ℃；當(dāng)爐溫達(dá)750 ℃時保溫3 min，再緩慢降溫；待爐溫降至200 ℃以下時取出模具，后空冷至室溫，制成規(guī)格為40.0 mm×8.0 mm×4.6 mm的試樣。

(3)用侵蝕劑FeCl3、HCl加H2O按體積比1∶2.92∶6.1配制溶液，通過取樣、鑲嵌、磨光、拋光、侵蝕等工序，制得金相試樣。用 Phenom XL臺式掃描電子顯微鏡的背散射電子成像技術(shù)觀察試樣的顯微組織，并借助其能譜儀進(jìn)行點(diǎn)掃描成分分析；用D8-focus X射線衍射儀分析試樣的物相組成；用阿基米德排水法測量并計算上述胎體試樣塊的致密度；用HR-150A洛氏硬度計測定胎體試樣的洛氏硬度；用萬能材料試驗機(jī)檢測胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度；用ML100磨粒磨損試驗機(jī)測試試樣磨損量，間接表征試樣的耐磨性。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 FBCu14預(yù)合金粉對鐵基胎體組織的影響

圖1為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、2%、6%、10%、14% 的FBCu14預(yù)合金粉后鐵基胎體試樣的典型顯微組織圖。由圖1可知：不添加CuZnSn預(yù)合金粉時，鐵基胎體中主要存在灰白色、淺灰色和深灰色3種組織，深灰色組織分散分布且部分呈枝狀分布，淺灰色組織面積較大且分布不均勻，灰白色組織分布于淺灰色組織之間，部分與深灰色組織相鄰(圖1a)；隨著CuZnSn預(yù)合金粉的添加及添加量增加，胎體中灰白色組織面積明顯減少，淺灰色組織面積增加，而深灰色組織面積變化不明顯(圖1b～圖1e)。

(a)0(b)2%(c)6%(d)10%(e)14%圖1 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)合金粉后鐵基胎體的顯微形貌Fig. 1 Microstructures of iron-based matrix with different mass fraction of pre-alloyed powder

為進(jìn)一步確定鐵基胎體中各組織的成分，對不添加與添加6%預(yù)合金粉的胎體組織進(jìn)行如圖1a、圖1c所示的點(diǎn)掃描分析，各點(diǎn)能譜分析結(jié)果如表2所示。

表2 選擇的各點(diǎn)能譜分析結(jié)果

由表2的能譜分析結(jié)果可知：A點(diǎn)(灰白色組織)主要成分為Cu、Ni、Sn及少量Fe，其中Ni能在Cu中無限互溶[9]。由于Ni具有良好的綜合性能，在鐵基胎體中加入適量的Ni，在燒結(jié)過程中可以改善Sn等低熔點(diǎn)粉料的流動性及均勻性[10]，起到細(xì)化晶粒作用，加速燒結(jié)的致密化進(jìn)程，使得燒結(jié)胎體的綜合性能提高[11]。根據(jù)Cu-Sn二元合金相圖，Cu與Sn能相互部分溶解，形成一系列化合物和有限固溶體[12]，但Sn在Cu中固溶度較小，主要生成少量Cu-Sn金屬間化合物。B點(diǎn)(淺灰色組織)主要成分為Cu，少量的Ni、Sn和Fe。根據(jù)Fe-Cu-Ni三元相圖，F(xiàn)e在Cu-Ni合金中溶解度很小，950 ℃時Fe在Cu-10%Ni合金中的溶解度為4.8%，而300 ℃時僅為0.1%[13]，故淺灰色組織主要為以Cu為基的固溶體。C點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Fe，少量Cu、Ni擴(kuò)散其中。D點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Cu、Fe，含有少量Sn、Ni，可明顯看出D點(diǎn)附近區(qū)域深灰色組織中夾雜著淺灰色樹枝狀組織。E點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Fe、Ni，含有少量Cu、P。根據(jù)Fe-Ni二元合金相圖，在燒結(jié)過程中該點(diǎn)處會形成(γ-Fe，Ni)固溶體[14]，推測是因冷卻速度較快來不及轉(zhuǎn)化而保留至室溫相中；P的存在是由于配方中加入了少量的FeP粉，磷可以有效地阻止鐵對金剛石的熱侵蝕作用，且含磷胎體對金剛石具有良好的鑲嵌能力[15]，同時工具也具備良好的自銳性，因而可以延長金剛石工具的壽命，提高其效率。

由表2結(jié)果還可知：F點(diǎn)(灰白色組織)成分與A點(diǎn)接近，F(xiàn)點(diǎn)檢測到少量Zn元素的存在，原因是配方中加入的預(yù)合金粉含有Zn。G點(diǎn)(淺灰色組織)與B點(diǎn)成分具有可比性，其主要成分為Cu、Fe，同時還有少量Zn及其他元素，估計是胎體燒結(jié)過程中，低熔點(diǎn)元素Sn與Cu反應(yīng)以及預(yù)合金粉自身熔化生成固溶體及金屬間化合物，隨后Fe元素熔化并互擴(kuò)散進(jìn)入。H點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Fe、Cu，推測這部分組織是由FeCu30預(yù)合金粉燒結(jié)而來的，Cu-Sn等金屬間化合物擴(kuò)散其中。I點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Fe，與C點(diǎn)成分接近，少量Cu、Fe原子間有自擴(kuò)散發(fā)生，使得Fe顆粒相成為連續(xù)相[16]，Cu-Sn等合金成為分散相。J點(diǎn)(深灰色組織)主要成分為Fe、Ni。K點(diǎn)(塊狀深灰色組織)主要成分為Fe、Ni和P，F(xiàn)eP粉形成的固溶體可以加速原子擴(kuò)散，促進(jìn)致密化進(jìn)程[17]，且少量的P就可顯著提升鐵基粉末材料的強(qiáng)度和硬度[18]。

為進(jìn)一步研究不同磨邊輪配方組織中的物相組成，對不添加及添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%預(yù)合金粉的胎體進(jìn)行XRD衍射分析，其結(jié)果如圖2所示。

(a)0

(b)6%

對比圖2a和圖2b可知：不添加預(yù)合金粉時，胎體中主要存在γ-Fe、(Cu,Sn)和(γ-Fe,Ni)固溶體以及Fe4Cu3、Cu41Sn11、Ni4Sn等金屬間化合物；添加6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))預(yù)合金粉后，除上述物相外，組織中還出現(xiàn)了Cu0.61Zn0.39和CuZn2新相，未檢測到FeP相關(guān)相，推測原因主要是其含量太少的緣故。

2.2 FBCu14預(yù)合金粉對鐵基胎體性能的影響

測試添加0、2%、6%、10%和14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))FBCu14預(yù)合金粉后，鐵基胎體的相對密度η、硬度HRB、抗彎強(qiáng)度σ及磨損量Δm結(jié)果如表3所示。

從表3可知：隨著FBCu14預(yù)合金粉的加入，鐵基胎體的相對密度、硬度、抗彎強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在預(yù)合金粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時達(dá)到最大值，分別為99.8%、104.4 HRB和947.2 MPa；磨損量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時達(dá)到最小值0.272 5 g。相較于不添加預(yù)合金粉，添加預(yù)合金粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～14%時，基體的相對密度、硬度值及磨損量變化幅度均小于10.0%；但抗彎強(qiáng)度值變化較大，當(dāng)預(yù)合金粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，抗彎強(qiáng)度提高了11.8%。原因是加入適量預(yù)合金粉后，燒結(jié)過程中的低熔點(diǎn)元素和預(yù)合金粉充填粉末顆粒間空隙的能力提升，使得胎體的綜合性能得到提升；而當(dāng)添加量過多，達(dá)到或超過10%時，又會造成胎體性能的整體下降，原因是燒結(jié)時生成的液相量過多，出現(xiàn)流料，反而會使其相對密度、硬度、抗彎強(qiáng)度降低。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)合金粉的鐵基胎體性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)不添加CuZnSn預(yù)合金粉時，鐵基胎體中主要存在灰白色、淺灰色和深灰色3種組織，隨著CuZnSn預(yù)合金粉添加量的增加，胎體中灰白色組織面積明顯減少，淺灰色組織面積增加，深灰色組織面積變化不明顯。

(2)不添加CuZnSn預(yù)合金粉時，胎體中主要存在γ-Fe、(Cu,Sn)和(γ-Fe,Ni)固溶體以及Fe4Cu3、Cu41Sn11、Ni4Sn等金屬間化合物；添加6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CuZnSn預(yù)合金粉后，除上述物相外，組織中還出現(xiàn)了Cu0.61Zn0.39和CuZn2新相。

(3)CuZnSn預(yù)合金粉含量增加，鐵基胎體的致密度、硬度、抗彎強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢，而磨損量則呈先減少后增加的趨勢；在其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，分別達(dá)到最大值99.8%、104.4 HRB、947.2 MPa和最小值0.272 5 g。添加適量CuZnSn預(yù)合金粉可以增加鐵基胎體的液相量，改善粉體流動性，提高胎體性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到或超過10%后則會降低鐵基胎體的綜合性能。