吳益雄，陳欣宏，彭家萬(wàn)，劉嘉盟，劉 偉，張鳳林

(1.廣州晶體科技有限公司，廣州 510520;2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

1 引言

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應(yīng)用于石材、玻璃、混凝土、建筑陶瓷、瀝青路面的切割、鉆孔、成型加工等[1]。其常用的制備方法是采用粉末冶金將金剛石磨粒與Cu、Sn、Co、Ni、Zn、Fe、W、Cr等金屬單質(zhì)或合金粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，其中的重金屬元素較高[2- 3]。這些重金屬元素價(jià)格高昂，而且在制造以及應(yīng)用等過(guò)程中都有可能會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染。此外，重金屬可以通過(guò)大氣、土壤及水等進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)或食物鏈，從而對(duì)人體的健康產(chǎn)生極大危害。

Fe和Al在地殼中含量豐富，屬于非重金屬元素，其消耗后在自然環(huán)境中氧化或分解都不會(huì)造成重金屬污染。并且成本低廉，經(jīng)濟(jì)性好。Fe和Al在經(jīng)過(guò)一定的材料設(shè)計(jì)后，可以合成力學(xué)性能優(yōu)異的各種結(jié)構(gòu)材料，例如Fe3Al，其密度小(6.72 g/cm3)，比強(qiáng)度大，在高溫下的抗氧化、抗腐蝕以及摩擦磨損性能優(yōu)異[4-5]。并具備反常屈服效應(yīng)，即隨著溫度的提高，F(xiàn)e3A1金屬間化合物的屈服強(qiáng)度先升高后降低，在550 °C左右達(dá)到最大值[6]。

為了獲得一種環(huán)境友好型高性能的金剛石工具，本文提出基于Fe-Al自蔓延反應(yīng)的金屬結(jié)合劑金剛石工具制備，研究Fe3Al結(jié)合劑的自蔓延反應(yīng)熱壓燒結(jié)機(jī)理，并制備了金剛石工具，測(cè)試了工具的加工性能。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究所使用原材料的主要參數(shù)及來(lái)源見(jiàn)表1所示，在Ar氣氛保護(hù)下，將Fe和Al粉按摩爾比3∶1進(jìn)行配比密封于尼龍球磨罐中，球料比為6∶1，以250 r/min的轉(zhuǎn)速行星球磨5小時(shí)。對(duì)于含金剛石的樣品，將金剛石顆粒(35/40目，25 vol.%)與球磨粉體混合均勻。使用Φ30 mm的鋼質(zhì)模具，在200 MPa的單向壓力下將粉體冷壓成型。壓制得到壓坯在30 MPa的壓力下，使用石墨模具在真空熱壓爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱過(guò)程中爐內(nèi)真空度不小于10-2Pa。

表1 原材料的主要參數(shù)及來(lái)源

差示掃描量熱分析(DSC)使用德國(guó) NETZSCH公司生產(chǎn)的 STA449F5型熱重及同步分析儀，保護(hù)氣氛為Ar2，升溫速率為10 ℃/min。燒結(jié)后樣品用金剛石磨盤(pán)去除表面滲碳層，使用以Cu Kα射線為靶材的X射線衍射儀(Philip X-pert)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。采用HR-150DT型電動(dòng)洛氏硬度計(jì)檢測(cè)樣品的硬度(HRB)，設(shè)定載荷為1000 N。并使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(QT-1166)測(cè)試樣品抗彎強(qiáng)度(三點(diǎn)抗彎)，樣品尺寸為(2 × 1.5 × 25)mm，跨距為20 mm，加載速度為0.5 mm/min。

優(yōu)化結(jié)合劑燒結(jié)工藝后，制備金剛石工具并驗(yàn)證其加工性能。金剛石工具結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖1所示，金剛石磨頭通過(guò)高頻感應(yīng)加熱焊接到鋼制刀柄上。濕磨條件下，使用加工中心(Brother S500Z1)對(duì)建筑陶瓷進(jìn)行端面磨削加工(圖2)，并測(cè)試磨削過(guò)程中的磨削力。加工參數(shù)中主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度分別為4000 r/min、95 mm/min和0.1 mm。建筑陶瓷(426 HV0.5)其成分及微觀形貌見(jiàn)圖3所示。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，Nova NanoSEM430)觀察磨削后工具及工件磨損形貌。被加工材料磨削后表面粗糙度使用V2.0型袖珍式表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量。

圖1 (a)金剛石工具結(jié)構(gòu)示意圖；(b)金剛石工具實(shí)物圖

圖2 金剛石工具磨削加工示意圖

圖3 被加工材料建筑陶瓷的實(shí)物圖(a)和表面形貌的SEM圖(b)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 Fe3Al結(jié)合劑的制備及性能研究

將球磨冷壓后的Fe和Al粉進(jìn)行DSC熱分析，見(jiàn)圖4所示，在640.9 ℃有一個(gè)明顯的放熱峰。當(dāng)溫度升高至Al的熔點(diǎn)附近，Al轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗖苍贔e顆粒表面，引發(fā)Fe-Al自蔓延反應(yīng)，導(dǎo)致大量的熱量釋放[7]。因此，制備Fe3Al的燒結(jié)溫度應(yīng)大于640.9 ℃。然而，如圖5所示，當(dāng)燒結(jié)溫度為700和800 ℃時(shí)，樣品的XRD圖譜中物相組成為Fe、FeAl和Al86Fe14，并未檢測(cè)出Fe3Al的衍射峰。直至燒結(jié)溫度提升到1090 ℃后，才檢測(cè)出Fe3Al的衍射峰，表明 Fe-Al自蔓延反應(yīng)后中間產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步完全轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3Al。因此，文中選取1090℃～1250℃的溫度范圍來(lái)研究燒結(jié)溫度對(duì)Fe3Al性能的影響。

圖4 球磨后粉體的DSC曲線

圖5 不同燒結(jié)溫度下Fe-Al樣品的XRD圖譜

圖6顯示了不同燒結(jié)溫度對(duì)Fe3Al結(jié)合劑硬度和抗彎強(qiáng)度的影響，可以看出所有樣品硬度均在95 HRB以上，并在1170 ℃時(shí)硬度最高，為103 HRB。隨著熱壓燒結(jié)溫度的提高，樣品的抗彎強(qiáng)度逐漸增大。燒結(jié)溫度為1090 ℃時(shí)，F(xiàn)e3Al的抗彎強(qiáng)度為955 MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度升高至1250 °C時(shí)，其抗彎強(qiáng)度提高至1255 MPa。燒結(jié)溫度的增加有利于樣品的致密化和Fe3Al的DO3有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[8]，微孔隙和裂紋縮小，所以其硬度和抗彎強(qiáng)度增大。

圖6 不同燒結(jié)溫度下Fe3Al結(jié)合劑的硬度和抗彎強(qiáng)度

3.2 Fe3Al結(jié)合劑金剛石工具的制備及性能研究

根據(jù)3.1中的工藝和優(yōu)化的成分，采用未鍍W和鍍W金剛石制備了兩種金剛石工具，并測(cè)試其對(duì)建筑陶瓷的加工性能。圖7顯示了Fe3Al基金剛石工具加工建筑陶瓷的磨削力，可以看出添加鍍W金剛石的工具小于無(wú)鍍層金剛石的工具，這表明鍍W金剛石工具的鋒利度高于無(wú)鍍層金剛石的工具。如圖8所示，鍍W金剛石的工具磨削比為23，高于無(wú)鍍層金剛石的工具(18)。在較高的燒結(jié)溫度下，無(wú)鍍層金剛石表面可能發(fā)生石墨化[9]，金剛石強(qiáng)度和硬度下降，耐磨性降低，在加工過(guò)程中易發(fā)生破碎脫落。而鍍W金剛石卻能保持其高硬度和鋒利度，工具磨損量更小。

圖7 金剛石工具磨削建筑陶瓷的磨削力

圖8 金剛石工具磨削建筑陶瓷的磨削比

圖9顯示了Fe3Al結(jié)合劑金剛石工具磨削建筑陶瓷后，添加鍍W金剛石的工具和無(wú)鍍層金剛石的工具金剛石顆粒周?chē)Y(jié)合劑均出現(xiàn)了一些裂紋和破碎，這可能是由于在磨削力和熱應(yīng)力的作用下，F(xiàn)e3Al金屬間化合物結(jié)合劑因其脆性較大發(fā)生微破碎所造成的。

圖9 磨削后金剛石工具的微觀形貌圖

圖10顯示了建筑陶瓷被磨削后的表面SEM圖，可以觀察到表面存在較多的凹坑，表明其去除方式主要為脆性去除。圖11顯示了無(wú)鍍層金剛石的工具磨削后陶瓷表面粗糙度Ra為3.40μm，鍍W金剛石的工具磨削后陶瓷表面粗糙度Ra為3.51μm。

圖10 磨削后建筑陶瓷的微觀形貌圖

圖11 磨削后建筑陶瓷的表面粗糙度

4 總結(jié)

為了獲得一種環(huán)境友好型高性能的金剛石工具，本文提出基于Fe-Al自蔓延反應(yīng)熱壓燒結(jié)制備Fe3Al結(jié)合劑金剛石工具。研究了Fe3Al結(jié)合劑的熱壓燒結(jié)機(jī)理，并制備了金剛石工具，測(cè)試了工具的加工性能，主要結(jié)論如下：

(1)Fe-Al自蔓延反應(yīng)溫度為640.9 ℃，當(dāng)熱壓燒結(jié)溫度提升至1090 ℃時(shí)，可以合成Fe3Al單相。

(2)Fe3Al結(jié)合劑的抗彎強(qiáng)度隨熱壓燒結(jié)溫度的提高而增大，在燒結(jié)溫度為1250 ℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度為1255 MPa。

(3)Fe3Al結(jié)合劑金剛石工具可以對(duì)建筑陶瓷進(jìn)行磨削加工，鍍W金剛石的工具相比于無(wú)鍍層金剛石的工具有更高的磨削比和更小的磨削力。