董洪峰，郭從盛

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Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的界面性能

董洪峰，郭從盛

(陜西理工學院材料科學與工程學院，漢中 723003)

采用壓制燒結技術制備一種新型Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片；分別用XRD、SEM、拉曼光譜測試分析鋸片的斷面物相、斷口形貌、金剛石/胎體界面的元素分布和金剛石機械包鑲力。結果表明：金剛石/胎體界面存在鐵的碳化物；由金剛石靜應力公式算得金剛石的機械包鑲力為387 MPa，由于胎體冷卻時發(fā)生塑性變形以及界面處金剛石/鐵碳化物間存在晶格錯配，釋放熱應力，使得包鑲力絕對值遠小于熱殘余應力(4.6 GPa)的絕 對值。

Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片；界面反應；機械包鑲力；拉曼光譜

金屬基金剛石復合材料超薄鋸片具有自銳性、超硬、超薄、近凈成形、尺寸精度高等特點而廣泛應用于特種陶瓷、半導體、磁性材料、寶石等脆硬材料的精細加工[1?2]。根據(jù)Co元素百分含量不同，金剛石超薄鋸片可分為低Co基(質(zhì)量分數(shù)＜18%)和高Co基(質(zhì)量分數(shù)＞18%)。李文生等[3]采用壓制燒結技術成功制備節(jié)Co型(Co質(zhì)量分數(shù)＜8%)Fe-Cu基金剛石超薄鋸條，并研究了鋸條組織和性能。

金屬基金剛石超薄鋸條與其它金屬基金剛石復合材料相似，均由胎體、金剛石和界面構成。金剛石的共價鍵晶格結構使其具有高硬度、高強度和抗磨損等優(yōu)良性能，主要用做金剛石工具的切削元件[4?5]。胎體對金剛石的機械包鑲力和界面反應均制約著鋸條的摩擦性能，機械包鑲力大小影響鋸條摩擦時金剛石的出露高度和金剛石使用率；適當?shù)慕缑娣磻商岣呓缑娼Y合性能，但若界面反應過度則會惡化界面結合或?qū)е陆饎偸痆6]。部分學者已采用抗彎強度分析法、彈性力學方程間接表征或計算機械包鑲力，但計算值與真實值間誤差較大[7?8]。

拉曼光譜分析技術已成功應用于計算釬焊[9]、電解[10]等工藝制備試樣的界面靜應力，拉曼活性材料的界面應力可由其與無應力試樣的斯托克斯峰差值進行計算。由于被測試樣較小且拉曼光譜的分辨率較高，使界面應力可以精確測量。

本研究采用拉曼光譜和其它顯微測試技術研究壓制燒結Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的機械包鑲力和界面反應，并探討機械包鑲力的影響因素。

1 實驗

1.1 試樣制備

Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的組分和粉末性能參數(shù)如表1所列，圖1所示為金剛石的SEM照片。

圖1 金剛石的掃描SEM照片

表1 Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸條的組分和粉末性能參數(shù)

按表1成分稱取粉末，用三維渦流混料機(TD-2)混合60 min，向金屬混合粉中加入液體石蠟作為成形劑，重新混合30 min后裝入冷壓模具中，將混合粉末在壓頭表面均勻鋪展，并在HT-1500KN壓樣機中單軸壓制平均厚度為0.29 mm的壓坯試樣，冷壓模具材料為Cr12鋼，壓頭外徑尺寸85 mm、內(nèi)徑20 mm。冷壓加載速率0.15 mm/min，壓制力187 MPa，保壓時間2 min。冷壓坯脫模后在200 ℃惰性氣氛中恒溫5 min，以去除殘余成形劑。除氣后壓坯裝入真空熱壓燒結機(RYJ-2000Z)燒結成形。熱壓燒結工藝參數(shù)：燒結溫度 700 ℃、燒結壓力18 MPa、保溫時間 6 min。制備的Fe-Cu基金剛石鋸條平均厚度為0.21 mm。

1.2 性能及結構分析

采用附帶能譜儀(EDX)的JSM-6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡和Rigaku D/Max-2400 X射線衍射儀觀察分析壓制燒結鋸條組織、斷面形貌和物相組成。用Nivia Confocal 200型拉曼光譜儀分析金剛石表面靜應力，以激光為光源，波長632.8 nm。

1.3 計算機械包鑲力

用金剛石拋光劑對燒結試樣進行打磨拋光，去除表面金屬胎體，使表層金剛石出露。因試驗所用MBD12金剛石為6~8面體形狀，單面露出胎體對鄰近面的受力狀態(tài)影響很小(、均很小)，圖2所示為6~8面體金剛石典型截面的受力示意圖。圖3為界面應力測量點示意圖，測量點在金剛石(100)、(111)面鄰近棱邊約0.1~1 μm處(Nivia Confocal 200型拉曼光譜儀的橫向、縱向分辨率分別為1 μm和2 μm，測量點應盡量靠近金剛石受靜應力面)，測量方向與面垂直。機械包鑲力可由方程(1)~(3)計算得到。

圖2 6~8面體金剛石典型截面的受力示意圖

圖3 機械包鑲力測量點示意圖

根據(jù)文獻[11?12]，金剛石表面靜應力(hydrostatic)可由方程(1)算得：

式中：hydrostatic為靜應力系數(shù)；為斯托克斯峰的波長變化。若金剛石在應力作用下的斯托克斯峰()大于無應力的(0)，則金剛石受壓應力，反之金剛石受拉應力。根據(jù)文獻[13]可得金剛石靜應力系數(shù)平均值及標準偏差hydrostatic=(?0.347±0.017) GPa/cm?1。

由于被測金剛石的一個面裸露，因此可用垂直于拉曼激光的二維應力計算機械包鑲力。則：11=0 MPa,22=33=biaxial，可得：

并且：

根據(jù)文獻[14]，式中金剛石彈性柔度系數(shù)11= 1.01 TPa?1,12=?0.14 TPa?1,44= 1.83 TPa?1以及聲子形變勢=?2.82·0,=?1.78·02,=?1.89·02。

2 實驗結果

2.1 碳化物形成元素的界面擴散

圖4所示為Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的界面能譜線掃描分析結果，可知界面富集Fe元素。

圖5所示為Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的XRD圖譜，鋸片組織以Fe、Cu為主相，同時存在Fe5C2，F(xiàn)e3C，F(xiàn)e2C、(Fe, Ni)23C6等物相衍射峰。

2.2 界面結合特性

圖6所示為Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸條的斷口SEM照片。金剛石表面凸凹不平，經(jīng)EDS分析可知，凸出部分為Fe的碳化物。

圖4 Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸條的界面Fe元素能譜線掃描分析結果

圖5 Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸片的XRD圖譜

圖7所示為壓制燒結前后金剛石的斯托克斯峰值變化Δ(0=1 327.8 cm?1，=1 328.7 cm?1)。由方程(1)~(3)計算得金剛石的機械包鑲力達387 MPa，受壓應力作用。

圖6 鋸片斷口SEM照片

圖7 壓制燒結前后金剛石的斯托克斯峰

3 分析與討論

根據(jù)熱應力方程(4)可知，熱應力由金剛石和胎體的熱膨脹系數(shù)差異(Δ)、燒結溫度與室溫差(Δ)、金剛石彈性模量(diamond)共同決定。根據(jù)文獻[8]，經(jīng) 700 ℃燒結后，diamond=1 050 GPa, Δmatrix=?6.38×10?6K?1, Δ=680 K，計算得金剛石表面殘余熱應力為 4.6 GPa。

公式中th代表金剛石表面殘余熱應力。

經(jīng)對比可知，金剛石機械包鑲力的絕對值(|387| MPa)遠遠小于熱應力絕對值(|4.6| GPa)，說明試樣熱應力經(jīng)基體、界面?zhèn)鬟f到金剛石表面時發(fā)生了內(nèi)應力釋放。其主要原因為以下兩個方面：首先，壓制燒結試樣的胎體/金剛石界面處生成了Fe碳化物相(如圖5、圖6所示)，F(xiàn)e碳化物的彈性模量遠小于金剛石，在機械包鑲力作用下易產(chǎn)生彈性變形，釋放應力[15]。并且Fe碳化物的生成，導致金剛石(100=0.356 6 nm)/Fe碳化物(e.g. Fe3C100=0.268 1 nm)界面產(chǎn)生晶格錯配，出現(xiàn)晶界，部分能量在晶界處發(fā)生分散，亦造成應力釋放[16]。

機械包鑲力是胎體對金剛石施加的殘余壓應力。由文獻[17]可知，機械包鑲力的值介于胎體屈服強度(190 MPa)和拉伸強度(416 MPa)之間，說明在試樣冷卻過程中胎體發(fā)生了塑性變形，釋放了金剛石表面的靜應力。

因此，金剛石機械包鑲力的產(chǎn)生原因主要是試樣冷卻時因金剛石/胎體的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱殘余應力，而機械包鑲力遠小于熱應力是由界面處金剛石與Fe碳化物間晶格錯配和冷卻時胎體的塑性變形所導致的。

4 結論

1) Fe-Cu基金剛石復合材料超薄鋸條的界面富集Fe元素，存在Fe5C2, Fe3C, Fe2C, (Fe, Ni)23C6鐵碳化 物相。

2) 斷口處的金剛石表面凸凹不平，經(jīng)檢測可知，凸出部分為Fe的碳化物。

3) 由金剛石靜應力計算公式計算得到金剛石的機械包鑲力絕對值達|387| MPa，遠小于理論熱殘余應力的絕對值約|4.6| GPa。其主要原因是：由于界面處金剛石與Fe碳化物間產(chǎn)生晶格錯配及冷卻時胎體發(fā)生塑性變形，釋放了因金剛石/胎體的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱殘余應力。

REFERENCES

[1] 張小軍, 徐西鵬. 新型高強度超薄金剛石鋸片: 中國: ZL 200720009141.5 [P]. 2008?11?5. ZHANG Xiao-jun, XU Xi-peng. A new ultra thin diamond sawing with high strength: China: ZL 200720009141.5 [P]. 2008?11?5.

[2] 董洪峰, 李文生, 路 陽, 等. 單軸模壓法Cu-Fe基金剛石復合材料超薄鋸片胎體的致密化機理[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2013, 18(3): 326?332. DONG Hong-feng, LI Wen-sheng, LUYang, et al. Densification mechanism of Cu-Fe based diamond composite ultra thin sawing matrixes during cold uniaxial compaction [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2013, 18(3): 326?332.

[3] 李文生, 董洪峰, 路 陽, 等. 不同冷壓壓力下Fe-Cu基金剛石復合材料超薄切鋸胎體的組織和致密化機理[J]. 中國有色金屬學報, 2013, 23(6): 1523?1529. LI Wen-sheng, DONG Hong-feng, LU Yang, et al. Microstructure and densification mechanism of Fe-Cu based diamond composite ultra thin sawing matrixes at different cold pressures [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(6): 1523?1529.

[4] 李文生, 張 杰, 董洪峰, 等. Cu-Fe基金剛石復合材料的界面反應和金剛石石墨化熱力學/動力學研究[J]. 中國物理B, 2013, 22(1): 018102?1?7. LI Wen-sheng, ZHANG Jie, Dong Hong-feng, et al. Thermodynamic and kinetic study on interfacial reaction and diamond graphitization of Cu-Fe-based diamond composite [J]. Chin Phys B, 2013, 22(1): 018102?1?7.

[5] SEBASTIAN B. In?uence of the brazing parameters on microstructure, residual stresses and shear strength of diamond-metal joints [J]. J Mater Sci, 2010, 45: 4358?4368.

[6] FLORENT O, PAUL L, RENé L. Properties of diamond under hydrostatic pressures up to 140 GPa [J]. Nature Materials, 2003, 2: 151?154.

[7] 董洪峰. 燒結溫度對Cu基合金胎體性能影響[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011: 4?6. DONG Hong-feng. Effect of sintering temperature on the properties of Cu-based alloys matrix [D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2011: 4?6.

[8] 董洪峰, 路 陽, 李文生, 等. 粉末冶金Fe基孕鑲金剛石磨頭的熱處理強化[J]. 粉末冶金技術, 2012, 30(4): 288?292. Dong Hong-feng, Lu Yang, Li Wen-sheng, et al. Heat treatment strengthening of P/Miron-based impregnated diamond segment [J]. Powder Metallurgy Technology, 2012, 30(4): 288?292.

[9] SEBASTIAN B, CHRISTIAN L, RALPH S, et al. Microstructure, residual stresses and shear strength of diamond- steel-joints brazed with a Cu-Sn-based active ?ller alloy [J]. Int Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, 3: 16? 24.

[10] COUSINS CSG. Elasticity of carbon allotropes. I optimization, and subsequent modi?cation, of an anharmonic Keating model for cubic diamond [J]. Phys Rev B, 2003, 67: 1071?1073.

[11] ZHU Y, ZHENG B, YAO W, et al. The interface diffusion and chemical reaction between a Ti layer and a diamond substrate [J]. Diamond Relat Mater, 1999, 8:1073?1078.

[12] GROEGLER T, ZEILER E, HOERNER A, et al. Microwave- plasma-CVD of diamond coatings onto titanium and titanium alloys [J]. Surf Coat Technol, 1998, 98: 1079?1091.

[13] FAN Q H, GRACIO J, PEREARA E, et al. Determination of biaxial modulus of chemical vapor-deposited diamond ?lms [J]. Thin Solid Films, 2001, 398: 265?269.

[14] COUSINS CSG. Elasticity of carbon allotropes. I Optimization, and subsequent modi?cation, of an anharmonic Keating model for cubic diamond [J]. Phys Rev B, 2003, 67: 241071?2410713.

[15] SCARDI P, LEONI M, CAPPUCCIO G, et al. Residual stress in polycrystalline diamond Ti-6Al-4V systems [J]. Diamond Relat Mater, 1997, 6: 807?811.

[16] LI WC, LIANG C, LIN ST. Interfacial segregation of Ti in the brazing of diamond grits onto a steel substrate using a Cu-Sn-Ti brazing alloy [J]. Metall Mater Trans A, 2002, 33: 2163?2172.

[17] 董洪峰, 路 陽, 李文生, 等. 不同燒結工藝制備的Fe基孕鑲金剛石磨頭結構和摩擦磨損性能[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2013, 18(1): 125?131. DONG Hong-feng, LU Yang, LI Wen-sheng, et al. Structure and tribological properties of Fe-based impregnated diamond abrasive-head prepared by different sintering technology [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2013, 18(1): 125?131.

(編輯 高海燕)

Interfacial properties of Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade

DONG Hong-feng, GUO Cong-sheng

(Department of Materials Science and Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

An new Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade was prepared by conventional cold compaction sintering technology. The phase composition, morphology of fracture surface, elemental distribution near the diamond/matrix phase boundary, and mechanical retention force were investigated by X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM) in combination with energy dispersive spectrometry (EDS), and Raman spectroscopy, respectively. The results show that Fe carbides are found at the diamond/matrix phase boundary. The mechanical retention reaches 387 MPa, the absolute value of which is much lower than that of thermal residual stresses of about 4.6 GPa. It is resulted from relaxation stress by plastic deformation of matrixes during cooling and lattice distortions of diamond and Fe carbides at the diamond /matrix phase boundary.

Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade; interfacial reaction; mechanical retention; Raman spectroscopy

TF125.13

A

1673-0224(2015)2-213-05

陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1146)；陜西理工學院校級人才啟動項目(SLGQD13(2)-17)

2014-04-15；

2014-09-10

董洪峰，講師，博士。電話：15129766410；E-mail: donghongfeng@163.com