韓 平， 劉恒源， 徐三魁， 黃 威， 徐天兵

(1. 河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450001) (2. 連云港市沃鑫高新材料有限公司, 江蘇 連云港 222300)

硬質(zhì)合金由難熔金屬的碳化物和黏結(jié)金屬組成，在高溫下能保持高硬度和耐磨性，被廣泛應(yīng)用在數(shù)控刀具材料中。一般使用樹(shù)脂結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑金剛石磨具加工硬質(zhì)合金。相對(duì)于樹(shù)脂結(jié)合劑磨具，金屬結(jié)合劑磨具磨削的工件能實(shí)現(xiàn)同等水平的尺寸一致性，可獲得更低的表面粗糙度和更高的磨削比[1]。

金屬結(jié)合劑具有結(jié)合強(qiáng)度高、成形性好以及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。應(yīng)用最普遍的金屬結(jié)合劑是銅基結(jié)合劑，包括青銅結(jié)合劑和黃銅結(jié)合劑[2]。為使銅基結(jié)合劑具有較好的結(jié)合性能，通常加入一定量的鈦。鈦可以增加銅基結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，強(qiáng)化銅基結(jié)合劑的力學(xué)性能[3]。不過(guò)，由于金屬結(jié)合劑自銳性較差，用其制造的磨具在使用過(guò)程中鋒利性差，需要多次修整。研究者往往通過(guò)提高結(jié)合劑脆性，加入非金屬粉末和造孔劑進(jìn)行改善。廖翠姣[4]在金屬結(jié)合劑中添加TiH2，結(jié)合劑的斷口形貌從以韌性斷裂為主變成完全脆性斷裂，提高了磨具的自銳性。隨著磨具脆性和孔隙率的增加，結(jié)合劑的力學(xué)性能和對(duì)超硬材料的把持力下降[5]。如何提高金屬結(jié)合劑的自銳性而不降低其力學(xué)性能，同時(shí)保證結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力，將成為金屬結(jié)合劑的研究重點(diǎn)。

Cu60Zn40合金具有較高的強(qiáng)度和脆性，是較好的金屬結(jié)合劑[6]。TiH2加熱分解成鈦和氫氣，氫氣在燒結(jié)過(guò)程還原氧化物促進(jìn)燒結(jié)，活性的鈦既能強(qiáng)化金屬[7]，還可以與超硬材料化學(xué)結(jié)合提高結(jié)合劑的把持能力，而且TiH2分解后形成孔隙，可以提高磨具的鋒利性。因此，以Cu60Zn40合金粉末為原料，以TiH2為添加物，研究TiH2的體積分?jǐn)?shù)與燒結(jié)溫度對(duì)Cu60Zn40結(jié)合劑力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究TiH2加入Cu60Zn40結(jié)合劑后對(duì)金剛石磨具磨削硬質(zhì)合金性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

主要原料：氫化鈦(工業(yè)級(jí)，上海三聯(lián)粉末冶金有限公司)，Cu60Zn40合金粉(工業(yè)級(jí)，漯河市華通冶金粉末有限責(zé)任公司)，金剛石(工業(yè)級(jí)，黃河旋風(fēng)股份有限公司)。

1.2 主要儀器及設(shè)備

真空燒結(jié)熱壓機(jī)：RY-200Z型，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)；洛氏硬度計(jì)：HR-150A型，萊州市蔚儀試驗(yàn)器械制造有限公司生產(chǎn)；電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW-50型，濟(jì)南永科試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)；沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)：TY-4021A型，江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)；掃描電子顯微鏡：Inspect F50型，美國(guó)FEI公司生產(chǎn)；金相顯微鏡：AXIOSKOP40型，德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)；高精度多功能密度測(cè)試儀(阿基米德原理測(cè)定表面氣孔率)：ET-01BE型，北京儀特諾電子科技有限公司生產(chǎn)；立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：MMW-1型，濟(jì)南普業(yè)機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.3 金屬結(jié)合劑樣品的制備

將TiH2和Cu60Zn40合金粉置于三維混料機(jī)中混合均勻，投料，置于石墨模具中熱壓燒結(jié)(TiH2的體積分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、15%、20%，余量為合金粉)。在不同燒結(jié)溫度(520、560、600、640、680 ℃)下制備出10 mm×10 mm×50 mm的結(jié)合劑樣條。

1.4 性能測(cè)試

用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣品的硬度；用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其抗彎強(qiáng)度；用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其沖擊強(qiáng)度；用立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量其摩擦系數(shù)；用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察試樣的物相分析；用高精度多功能密度測(cè)試儀(北京儀特諾電子科技有限公司)測(cè)量樣品的氣孔率。

1.5 硬質(zhì)合金磨削測(cè)試

制備不同體積分?jǐn)?shù)TiH2的Cu60Zn40結(jié)合劑金剛石磨具，金剛石顆粒基本磨粒尺寸為150 μm，體積分?jǐn)?shù)為20%，燒結(jié)溫度為680 ℃。在MMW-1型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，磨削材質(zhì)為硬質(zhì)合金Y316。試驗(yàn)過(guò)程加載的試驗(yàn)力為400 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min，加載速度為2 N/s，磨耗時(shí)間為800 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗彎曲強(qiáng)度的影響

圖1所示為不同燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)下，結(jié)合劑抗彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律。由圖1可知：在520～680 ℃，樣品抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大；隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)增大，樣品抗彎曲強(qiáng)度先增大后緩慢減小，在TiH2體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度為680 ℃，不添加TiH2時(shí)，結(jié)合劑抗彎強(qiáng)度為225 MPa；TiH2的體積分?jǐn)?shù)10%時(shí)，抗彎曲強(qiáng)度最大值為445 MPa，提高97.8%；當(dāng)TiH2的體積分?jǐn)?shù)20%時(shí)，抗彎曲強(qiáng)度為415 MPa，比最大值低6.7%。

圖1 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effects of sintering temperature and TiH2 volume fraction on flexual strength

2.2 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗沖擊強(qiáng)度的影響

圖2所示為不同燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)下，結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律。由圖2可知：在520～680 ℃，結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大；隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)增大，結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度先增大后減?。划?dāng)TiH2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度為680 ℃時(shí)，不添加TiH2結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度為28.3 kJ/m2，TiH2體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為54.3 kJ/m2，增加了91.9%。

圖2 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗沖擊強(qiáng)度的影響

2.3 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)硬度的影響

圖3所示為不同燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)下，結(jié)合劑硬度的變化規(guī)律。由圖3可知：隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)增大，結(jié)合劑的硬度先增大后減??；在TiH2體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，硬度達(dá)到最大值。以燒結(jié)溫度為560 ℃制備的結(jié)合劑為例，未加入TiH2時(shí)，結(jié)合劑的硬度為46 HRB；當(dāng)TiH2體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，結(jié)合劑的硬度增大為88 HRB；當(dāng)TiH2體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，結(jié)合劑的硬度減??；當(dāng)TiH2體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，結(jié)合劑的硬度為76 HRB。

圖3 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)硬度的影響

2.4 燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)表面氣孔率的影響

圖4所示為不同燒結(jié)溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)下，結(jié)合劑表面氣孔率的變化規(guī)律。由圖4可知：在520～680 ℃，結(jié)合劑的表面氣孔率受溫度的影響較??；結(jié)合劑的表面氣孔率隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)的增大而增大；當(dāng)燒結(jié)溫度為680 ℃，TiH2體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，結(jié)合劑的表面氣孔率達(dá)到最大值，為6.2%。

圖4 溫度和TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)表面氣孔率的影響

2.5 TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5是添加不同體積分?jǐn)?shù)TiH2的結(jié)合劑在燒結(jié)溫度為680 ℃時(shí)的金相照片。黃色為Cu60Zn40相，灰白色為Ti[6]。在TiH2體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，黃色物相較多，隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)增大，灰白色物相增多。在Ti周圍的黑點(diǎn)和黑色線條狀圖形為TiH2分解后產(chǎn)生的氣孔。隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)不斷增大，灰白色Ti在Cu60Zn40相中分布面積變大，同時(shí)產(chǎn)生的黑色點(diǎn)狀和條形狀氣孔增多，這些氣孔不是均勻分布在結(jié)合劑之中。添加TiH2具有活化燒結(jié)作用，Cu60Zn40結(jié)合劑的力學(xué)性能會(huì)因此提高；但是TiH2體積分?jǐn)?shù)增大，結(jié)合劑的氣孔體積分?jǐn)?shù)也隨之增大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)合劑的力學(xué)性能下降。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%(e)20%圖5 不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2下的Cu60Zn40金相照片 Fig. 5 Metallography of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

圖6是不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2下的金屬結(jié)合劑斷口形貌。從圖6可以看出：斷口表面有大塊的層狀區(qū)域和分散的粒狀區(qū)域，斷口形貌說(shuō)明結(jié)合劑均為脆性斷裂。

(a)5%(b)20%圖6 不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2下的Cu60Zn40斷口形貌 Fig. 6 Fracture morphologies of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)的增大，斷面處顆粒區(qū)域不斷增多，斷裂面的微孔數(shù)目也相應(yīng)增加，這些微孔的形狀多以無(wú)規(guī)則形狀被結(jié)合劑包裹存在于晶界處。其原因是：在真空熱壓燒結(jié)過(guò)程中，TiH2分解產(chǎn)生氫氣，增大金屬結(jié)合劑的氣孔率，同時(shí)TiH2的加入能起到活化燒結(jié)作用，但過(guò)量TiH2的分解，氣孔率增多，導(dǎo)致合金力學(xué)性能下降。

2.6 TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)結(jié)合劑磨具微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖7是添加不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2所制成的金剛石磨具斷面，燒結(jié)溫度為680 ℃。從圖7可以看出：當(dāng)TiH2體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石包裹性好，結(jié)合劑與金剛石鑲嵌緊密，金剛石周圍沒(méi)有觀察到明顯縫隙。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%圖7 不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2下的Cu60Zn40磨具斷口掃描電鏡圖 Fig. 7 SEM fracture morphologies of Cu60Zn40 abrasives with different TiH2 volume fractions

圖8a為圖7b中直線處EDS能譜，圖8b為圖7d中直線處EDS能譜。從圖8可以看出：在結(jié)合劑與金剛石界面處Cu、Zn等2種元素?cái)U(kuò)散較少。觀察圖8a中60 μm和220 μm附近和圖8b中50 μm和200 μm附近，可以看出：Ti元素主要富集在結(jié)合劑與金剛石界面位置。

(a)圖7b線掃描EDS能譜EDS spectrum of line scanning in Fig. 7b(b)圖7d線掃描EDS能譜EDS spectrum of line scanning in Fig. 7d圖8 線掃描EDS能譜 Fig. 8 EDS spectrum of line scanning

2.7 TiH2體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削性能的影響

表1是Cu60Zn40結(jié)合劑金剛石磨具磨削試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不添加TiH2時(shí)，磨耗比為28.50；添加TiH2后，磨具的磨削比均有提高。當(dāng)TiH2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，磨耗比達(dá)到最大值61.67。這說(shuō)明TiH2增強(qiáng)了結(jié)合劑的自銳性和把持力，提高了Cu60Zn40結(jié)合劑金剛石磨具的磨削性能。

表 1 磨削試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9為添加不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2時(shí)磨具磨削硬質(zhì)合金后工件表面形貌。由圖9a可以看出：不添加TiH2時(shí)，工件表面有明顯的燒傷劃痕，并且局部燒傷嚴(yán)重，工件表面被燒傷為黑紫色。由圖9b可以看出：TiH2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，磨具磨削硬質(zhì)合金表面燒傷情況減少。未添加TiH2時(shí)，金屬結(jié)合劑磨具表面氣孔率低，容屑和冷卻效果差，導(dǎo)致磨削溫度高，燒傷工件。添加TiH2后，金屬結(jié)合劑磨具表面氣孔率高，容屑和冷卻效果較好，工件沒(méi)有燒傷現(xiàn)象。

(a)0(b)10%圖9 不同體積分?jǐn)?shù)的TiH2金剛石磨具磨削工件表面形貌 Fig. 9 Surface topographies of workpiece after grinding diamond wheel with different TiH2 volume fractions

3 結(jié)論

(1)TiH2對(duì)Cu60Zn40結(jié)合劑有增韌強(qiáng)化作用。當(dāng)燒結(jié)溫度為680 ℃，TiH2體積分?jǐn)?shù)從0增大到10%時(shí)，抗彎曲強(qiáng)度從225 MPa提高到445 MPa，抗沖擊強(qiáng)度從28.3 kJ/m2提高到54.3 kJ/m2。當(dāng)燒結(jié)溫度為560 ℃，體積分?jǐn)?shù)從0增大到5%時(shí)，硬度由46 HRB提高到88 HRB。表面氣孔率隨著TiH2體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，TiH2體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，表面氣孔率為6.2%。

(2)TiH2起到活化燒結(jié)作用，提高了Cu60Zn40的力學(xué)性能。

(3)TiH2提高了Cu60Zn40結(jié)合劑金剛石磨具磨削性能，TiH2體積分?jǐn)?shù)從0增大到10%時(shí)，磨耗比由28.50提高到61.67，同時(shí)減少了工件表面燒傷。