杜全斌 龍偉民 鐘素娟 孫華為 馬 佳

(鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

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燒結(jié)溫度對(duì)FeCu基燒結(jié)胎體組織及性能的影響

杜全斌 龍偉民 鐘素娟 孫華為 馬 佳

(鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

為降低Fe基粉末的燒結(jié)溫度，在Fe基粉末中添加一定比例的CuZnSnMnSi粘結(jié)劑粉末，研究了不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)胎體的組織及性能。結(jié)果表明，燒結(jié)胎體主要由Cu基固溶體、Fe基固溶體及(Mn，Si)x·Oy相組成，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)胎體的相對(duì)密度先增大后減小，條帶狀(Mn，Si)x·Oy相逐漸聚集長(zhǎng)大成圓球狀；隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度先升高后降低，在燒結(jié)溫度為750 ℃時(shí)，燒結(jié)胎體具有最大的平均抗彎強(qiáng)度684 MPa；燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度主要取決于相對(duì)密度和(Mn，Si)x·Oy相，界面孔隙、條帶狀或大尺寸圓球狀(Mn，Si)x·Oy相的存在是抗彎強(qiáng)度降低的主要原因。

燒結(jié)溫度 燒結(jié)胎體 顯微組織 抗彎強(qiáng)度

0 序 言

金剛石工具具有較高的硬度和良好的耐磨性，被廣泛應(yīng)用于建筑、石油、地質(zhì)、冶金、汽車、機(jī)械、電子、陶瓷等行業(yè)[1-2]。金剛石工具大多是將金剛石顆粒與其它燒結(jié)胎體均勻混合燒結(jié)而成，因此金剛石工具的性能不僅取決于金剛石顆粒的品質(zhì)，還受到燒結(jié)胎體性能的影響。金屬基金剛石工具的燒結(jié)胎體主要有Co基、Ni基、Cu基和Fe基，其中Co基燒結(jié)胎體制造成本較高[3-4]；Ni基燒結(jié)胎體燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)溫度較高，對(duì)金剛石造成熱損傷[5-6]；Cu基燒結(jié)胎體雖然具有較低的燒結(jié)溫度，但胎體強(qiáng)度、耐磨性低，影響金剛石工具的使用性能[7-8]；Fe基燒結(jié)胎體不僅成本廉價(jià)，力學(xué)性能較高，而且對(duì)金剛石顆粒有較好的潤(rùn)濕性，因此成為目前金屬燒結(jié)胎體中研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一[9-10]。然而，F(xiàn)e基胎體硬度較高，金剛石出刃不好，F(xiàn)e作為觸媒材料，熱壓燒結(jié)時(shí)會(huì)促進(jìn)金剛石向石墨轉(zhuǎn)化[11]。因此，對(duì)于Fe基金剛石工具來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量降低燒結(jié)溫度和改善強(qiáng)韌性。

為降低鐵基燒結(jié)胎體的燒結(jié)溫度和改善其力學(xué)性能，文中將在FeCu30粉末中添加一定比例的CuZnSnMnSi粘結(jié)劑粉末，研究不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)胎體的組織和性能，探索最佳的燒結(jié)溫度，以期為Fe基金剛石工具用粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的FeCu30粉末和CuZnSnMnSi粘結(jié)劑粉末(簡(jiǎn)稱CuZn粉末)，粒度均為≤48 μm，兩種粉末的名義化學(xué)成分見(jiàn)表1，宏觀形貌如圖1所示。

表1 FeCu30和CuZn粉末名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 燒結(jié)胎體的制備

將FeCu30粉末和CuZn粉末按9∶1質(zhì)量比混合，置于三維混料機(jī)中均勻混合90 min。利用SMVB60型熱壓燒結(jié)機(jī)對(duì)混合粉料熱壓燒結(jié)，得到尺寸為40 mm×8 mm×4 mm的FeCu基燒結(jié)胎體，燒結(jié)過(guò)程在大氣中進(jìn)行，燒結(jié)工藝參數(shù)如圖2所示。

圖1 FeCu30粉末和CuZn粉末宏觀形貌

圖2 燒結(jié)胎體的熱壓工藝曲線

1.3 性能檢測(cè)與分析方法

根據(jù)阿基米德原理，測(cè)量燒結(jié)胎體的實(shí)測(cè)密度，依據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算燒結(jié)胎體的理論密度和相對(duì)密度：

(1)

Dr=ρ實(shí)測(cè)/ρ理論

(2)

式中，f1,ρ1(n=1，2，…，n)為胎體中各組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度，F(xiàn)e，Cu，Zn，Sn，Mn，Si的密度分別為7.87 g·cm-3，8.94 g·cm-3，7.14 g·cm-3，7.37 g·cm-3，7.21 g·cm-3和2.33 g·cm-3。

采用 MTS C45.105萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試胎體的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度；經(jīng)鑲樣、磨拋制備燒結(jié)胎體的金相試樣(未腐蝕)，采用JSM-7500F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察燒結(jié)胎體金相顯微組織，借助其自帶的能譜分析儀(EDS)測(cè)試燒結(jié)胎體的物相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)胎體的相對(duì)密度

表2為不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)胎體的相對(duì)密度，可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，胎體的相對(duì)密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

表2 不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)胎體的相對(duì)密度

根據(jù)CuZn粉末的DTA測(cè)試結(jié)果，其熔化溫度區(qū)間為740～785 ℃。當(dāng)燒結(jié)溫度為600～700 ℃時(shí)，熱壓燒結(jié)過(guò)程中未產(chǎn)生液相，此時(shí)胎體的致密過(guò)程主要依靠固相顆粒之間的原子擴(kuò)散與遷移、固相顆粒的塑形變形以及不同尺寸顆粒之間的重排，隨著燒結(jié)溫度的增加，原子的擴(kuò)散速率增加，顆粒間燒結(jié)頸長(zhǎng)大，孔隙得以減少，燒結(jié)胎體的相對(duì)密度得到緩慢提高。當(dāng)燒結(jié)溫度為750 ℃時(shí)，燒結(jié)胎體的相對(duì)密度顯著增大，這是因?yàn)闊Y(jié)過(guò)程中部分CuZn粉末開(kāi)始熔化轉(zhuǎn)變成液相，且燒結(jié)過(guò)程中未出現(xiàn)流料現(xiàn)象，液相最大限度地流鋪到顆粒間隙，充分填充孔隙，孔隙尺寸減小，數(shù)量減少，同時(shí)固相顆粒之間的重排阻力隨著液相的出現(xiàn)和增加而減小，最終導(dǎo)致胎體密度達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度為770 ℃時(shí)，燒結(jié)胎體的相對(duì)密度逐漸減小，原因主要為：一方面，在燒結(jié)過(guò)程中，CuZn粉末熔化比例增加，形成過(guò)量的液相，液相在充分填充固相顆粒間隙的同時(shí)，少量液相逸出胎體，在胎體周圍形成飛邊；另一方面，Zn元素具有較低的蒸汽壓，隨著燒結(jié)溫度的增加，胎體中Zn的揮發(fā)量增加。

2.2 燒結(jié)胎體的組織結(jié)構(gòu)

圖3為不同燒結(jié)溫度下胎體的顯微組織，可以看出，胎體組織主要由灰白色相、暗灰色相和黑色組織組成。其中灰白色相呈大尺寸塊狀和小尺寸絮狀；黑色組織主要分布在灰白色相界面、暗灰色相界面及呈“針尖”狀彌散分布在灰白色相或暗灰色相內(nèi)部。黑色組織的形狀、大小與燒結(jié)溫度有關(guān)，隨著燒結(jié)溫度的升高，分布在灰白色相界面的條帶狀黑色組織聚集長(zhǎng)大成圓球狀，分布在暗灰色相界面的黑色組織逐漸減小或消失。

分別對(duì)燒結(jié)溫度為600 ℃和750 ℃的胎體中物相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出，大塊狀灰白色相和柳絮狀灰白色相含有相同元素，且含量接近，說(shuō)明兩種形狀的灰白色相為同種相，成分均為Cu，Zn，F(xiàn)e和Sn，其中Cu的原子分?jǐn)?shù)較高，約占總量的80%以上，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)A和D，結(jié)合Cu-Zn，Cu-Fe及Cu-Sn二元相圖[12]可知，灰白色相為CuZn粉末燒結(jié)后形成的Cu基固溶體。暗灰色相主要含有Fe和Cu元素，其中Fe的原子分?jǐn)?shù)較高，約88%以上，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)B和E，結(jié)合Fe-Cu相圖[12]可知，暗灰色相為FeCu30粉末燒結(jié)后所形成的Fe基固溶體。

圖3 不同燒結(jié)溫度下胎體的組織結(jié)構(gòu)

分布在灰白色相界面的黑色組織，主要成分為O，Si和Mn，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)C，F(xiàn)和I，可以推測(cè)該處黑色組織為硅錳氧化物復(fù)合相，表示為(Mn，Si)x·Oy相。分布在暗灰色相界面的黑色組織，主要成分為Fe，Cu及微量的Zn，Sn和Mn，沒(méi)有O和Si，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)G和H，可以推測(cè)此處黑色組織實(shí)質(zhì)上為兩個(gè)暗灰色相之間的界面孔隙；“針尖”狀黑色組織，主要成分為Cu，F(xiàn)e，Mn，Si和O，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)J和K，基于點(diǎn)掃描的掃描區(qū)域略大于或等于“針尖”狀黑色組織，可以推測(cè)“針尖”狀黑色組織為細(xì)小的(Mn，Si)x·Oy相。

為進(jìn)一步研究灰白色相界面黑色組織的元素組成及其形狀演變規(guī)律，試驗(yàn)對(duì)該黑色組織進(jìn)行面掃描分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為600 ℃時(shí)，分布在灰白色相界面的黑色組織中O，Si和Mn呈斷續(xù)條帶狀偏聚，說(shuō)明該黑色組織不完全為(Mn，Si)x·Oy相。對(duì)O，Si和Mn沒(méi)有明顯偏聚的部分黑色組織進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，主要成分為Cu，F(xiàn)e和Zn，沒(méi)有Si和Mn，見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)L，可以推測(cè)沒(méi)有O，Si和Mn偏聚的部分黑色組織實(shí)質(zhì)上是灰白色相與灰黑色相之間沒(méi)有完全冶金結(jié)合的界面孔隙。當(dāng)燒結(jié)溫度為700 ℃時(shí)，分布在灰白色相界面的黑色組織中O，Si和Mn的偏聚與其形狀相吻合，說(shuō)明燒結(jié)溫度為700 ℃時(shí)，分布在灰白色相界面的黑色組織主要為(Mn，Si)x·Oy相，界面孔隙大量減少或消失。

表3 胎體物相能譜分析(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖4 燒結(jié)溫度為600 ℃時(shí)燒結(jié)胎體面掃描分析

圖5 燒結(jié)溫度為700 ℃時(shí)燒結(jié)胎體面掃描分析

以上分析可知，不同燒結(jié)溫度下，燒結(jié)胎體的組織主要由Cu基固溶體、Fe基固溶體及(Mn，Si)x·Oy相組成。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，胎體中存在大量的界面孔隙，隨著燒結(jié)溫度的升高，一方面燒結(jié)胎體中界面孔隙逐漸減小或消失，胎體的相對(duì)密度增大；另一方面，沿Cu基固溶體界面分布的(Mn，Si)x·Oy相逐漸聚集長(zhǎng)大，由條帶狀聚集長(zhǎng)大成圓球狀。

2.3 燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度

圖6為不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度，可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度為750 ℃時(shí)，燒結(jié)胎體具有最大的平均抗彎強(qiáng)度684 MPa。

圖6 燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度

燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度主要取決于胎體的孔隙率及其組織結(jié)構(gòu)。不同的燒結(jié)溫度下，燒結(jié)胎體具有不同的界面孔隙及沿Cu基固溶體界面分布的(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相。界面孔隙的存在不僅導(dǎo)致胎體的有效截面積減少，還會(huì)成為潛在裂紋源，對(duì)燒結(jié)胎體具有割裂作用，降低燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度。硬質(zhì)相對(duì)胎體力學(xué)性能的影響具有兩面性，一般來(lái)說(shuō)，細(xì)小、分散的圓球狀硬質(zhì)相對(duì)胎體具有強(qiáng)化作用，如胎體中彌散分布的“針尖”狀(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相；粗大、密集的條帶狀或點(diǎn)鏈狀硬質(zhì)相對(duì)胎體具有弱化作用。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，胎體中不僅含有大量的界面孔隙，還存在沿Cu基固溶體界面分布的條帶狀(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相，胎體具有較低的抗彎強(qiáng)度。隨著燒結(jié)溫度的升高，胎體中界面孔隙逐漸減小或消失，條帶狀的(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相逐漸向圓球狀轉(zhuǎn)變，胎體的抗彎強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)燒結(jié)溫度為770 ℃時(shí)，雖然胎體的孔隙率很低，但圓球狀的(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相尺寸過(guò)大，其與周圍Cu基固溶體之間或Fe基固溶體之間具有較大的界面應(yīng)力，燒結(jié)胎體在彎曲過(guò)程中，(Mn，Si)x·Oy硬質(zhì)相成為起裂源，降低燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)胎體中界面孔隙逐漸減少或消失，相對(duì)密度先增大后減小，當(dāng)燒結(jié)溫度為750 ℃時(shí)，胎體具有最大的相對(duì)密度。

(2)燒結(jié)胎體的組織主要由Cu基固溶體、Fe基固溶體及(Mn，Si)x·Oy相組成，隨著燒結(jié)溫度的升高，條帶狀(Mn，Si)x·Oy相逐漸聚集長(zhǎng)大成圓球狀。

(3)隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度為750 ℃時(shí)，燒結(jié)胎體具有最大的平均抗彎強(qiáng)度684 MPa。

(4)燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度主要取決于胎體的相對(duì)密度和(Mn，Si)x·Oy復(fù)合相，界面孔隙、條帶狀或大尺寸(Mn，Si)x·Oy相的存在是抗彎強(qiáng)度降低的主要原因。

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2016-10-21

國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2015DFA50470)

TG425

杜全斌，1983年出生，博士研究生。主要從事新型釬焊材料與釬焊工藝，粉末冶金材料的研發(fā)工作，已發(fā)表論文10余篇。