Sn和La在氣氛燒結(jié)金剛石工具胎體中的作用*

盧安軍，張健偉，秦海青，蒙光海，程 煜

(1.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004； 2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林 541004； 3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

Sn和La在氣氛燒結(jié)金剛石工具胎體中的作用*

盧安軍，張健偉，秦海青，蒙光海，程 煜

(1.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004； 2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林 541004； 3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

采用沉淀-還原法分別制備氣氛燒結(jié)金剛石工具胎體專用的FeCuCo、FeCuCoSnLa兩種亞微米合金粉末作為胎體粘結(jié)劑，對比分析這兩種胎體燒結(jié)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：Sn的添加，增加了顆粒燒結(jié)流動性，空位遷移和晶界移動更加順利，促進(jìn)胎體合金化；La的添加，吸收胎體內(nèi)孔隙中的氧，又能還原金屬氧化物，使燒結(jié)活性更高。同時，La的細(xì)化晶粒作用能夠有效避免Sn液相導(dǎo)致的晶粒異常長大現(xiàn)象，故胎體的相對密度和硬度得到進(jìn)一步的提高，雖然導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度有所下降，但胎體的耐磨性得到大大的提高。

金剛石工具；氣氛燒結(jié)；Sn；La；磨削

常壓氣氛燒結(jié)(亦稱自由燒結(jié))金剛石工具胎體技術(shù)由于具有工藝流程短、產(chǎn)率高、能耗低、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1]，目前已有數(shù)家金剛石工具企業(yè)加以引用。目前國內(nèi)開發(fā)的氣氛燒結(jié)技術(shù)難點(diǎn)之一是由于沒有外力的擠壓，僅靠燒結(jié)時胎體材料自身的收縮，故難以達(dá)到較好的力學(xué)性能。Sn熔點(diǎn)為232℃，添加于金剛石工具胎體中能降低內(nèi)界面張力，進(jìn)而有力地改善胎體燒結(jié)性，促進(jìn)胎體收縮致密，但在燒結(jié)過程中如控制不當(dāng)容易造成液相流失嚴(yán)重，胎體偏析，性能降低。La是比較活潑的稀土元素，已被證實(shí)[2-5]在金剛石工具胎體中摻雜稀土La，可以改善和強(qiáng)化金剛石胎體材料的力學(xué)性能。本研究采用沉淀-還原法分別制備氣氛燒結(jié)金剛石工具胎體專用FeCuCo、FeCuCoSnLa兩種亞微米合金粉末，并以之作為胎體粘結(jié)劑，對比分析這兩種胎體燒結(jié)性能，為后續(xù)開發(fā)常壓氣氛燒結(jié)型金剛石工具胎體配方提供技術(shù)參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料及方法

分別稱取適量的FeCuCo和FeCuCoSnLa亞微米合金粉末，加入濃度為1.5ct/cm3的金剛石，并滴加粉料總質(zhì)量1.0wt%的甘油作為濕潤劑，均勻混合。將所得混合粉料冷壓制坯，素坯尺寸規(guī)格為34mm×13mm×6mm，素坯相對密度為68%～71%。再將素坯置于推桿式電阻隧道燒結(jié)爐中進(jìn)行氣氛燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：600℃燒結(jié)30min，700℃燒結(jié)50min，800℃燒結(jié)40min，875℃燒結(jié)60min，700℃保溫100min。燒結(jié)氣氛為氨氣分解氣，氣流量為1.2m3/h。燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，即可得到規(guī)格為30mm×11mm×5mm的氣氛燒結(jié)燒結(jié)型的胎體試樣塊。

1.2 性能測試及表征

采用阿基米德法測試胎體試樣塊的密度，計算該試樣的密度與胎體理論密度的比值，求得胎體試樣的相對密度值；采用TH300型洛氏硬度計測試胎體的硬度，每項(xiàng)每個試樣重復(fù)3次測試，計算該項(xiàng)試樣的平均硬度值；采用CMT4304液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試胎體試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，每項(xiàng)測試4個試樣塊，計算其平均強(qiáng)度值。

采用日本S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察試樣斷口的形貌。

采用型號為DHM-1的磨耗比測定儀測試含金剛石胎體試樣塊的磨削性能，設(shè)備運(yùn)行時設(shè)定線速度25m/s，工作過程中線速度保持不變。所使用的砂輪外徑100mm，內(nèi)徑20mm，厚度20mm，砂輪坑深3.4mm。分別計量磨削前后試樣塊磨損量m和砂輪磨損量M，記錄磨削時間t，同組試樣重復(fù)5次試驗(yàn)，取平均值。以鋒利度(δ)和耐磨性(ζ)對比胎體的磨削性能，計算公式如下：

(1)

(2)

式中，M為砂輪磨損量，單位為g，t為磨削耗時，單位為s，m為胎體試樣塊磨耗量，單位為g，δ為胎體試樣鋒利度，單位為g/s，δ越大，說明胎體越鋒利，ζ為胎體試樣耐磨性，ζ越大，說明胎體越耐磨。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

將燒結(jié)試樣進(jìn)行相對密度、洛氏硬度與三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的測試，其結(jié)果如表1所示。

表1 胎體的力學(xué)性能

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，L2胎體相對密度以及硬度均比L1高，分析認(rèn)為Sn在胎體燒結(jié)過程中靠液相在固相顆粒中的虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生的毛細(xì)管力使胎體收縮，實(shí)現(xiàn)致密化；而在胎體外部的H2無法滲透到胎體內(nèi)部的情況下，胎體內(nèi)的La脫氧，脫氮的作用能消除內(nèi)部的部分孔隙，同時凈化顆粒界面，細(xì)化晶粒，提高顆粒燒結(jié)活性，使胎體實(shí)現(xiàn)更好的收縮致密。另外，洛氏硬度為宏觀硬度，其值隨胎體孔隙度的降低而增大[6]。因此，在Sn和La的共同作用下，胎體的致密性以及硬度得以進(jìn)一步提高。但隨著Sn和La的添加，胎體的抗彎強(qiáng)度反而有所下降，這主要是因?yàn)镕eCuCo粉末燒結(jié)后胎體的韌性本身較好，如圖1(a)所示，而La吸收胎體內(nèi)的氧之后形成氧化物彌散于胎體中，降低胎體的韌性，增加脆性，同時胎體整體的強(qiáng)度也有所降低，如圖1(b)。

2.2 形貌分析

對表1中的L1、L2抗彎強(qiáng)度測試后的胎體斷口進(jìn)行SEM形貌分析，如圖2所示。

圖1 胎體力-位移曲線Fig.1 Force-displacement curve of the matrix

圖2 胎體斷口SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of the matrix fracture

從圖2(a)看出，胎體斷口韌窩以及晶界不明顯，裂紋主要從晶粒內(nèi)部展開，主要表現(xiàn)為穿晶韌性斷裂，只有小部分的沿晶斷裂裂紋，故胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度較高，韌性較強(qiáng)；此外，斷口處較大氣孔，說明在燒結(jié)后期空位遷移，氣孔無法完全消失，且合并球化，故胎體相對密度僅為96.19%。圖2(b)胎體斷口晶界混亂，并有大小不等的球形或類球形韌窩，分析認(rèn)為是Sn的添加，降低了燒結(jié)溫度，形成的液相能利用其毛細(xì)管力促進(jìn)顆粒間燒結(jié)頸的形成與長大，同時由于液相流動性較好，空位遷移以及晶界遷移較為順利，合并與長大的孔洞更容易排除于燒結(jié)體外，加快了合金化進(jìn)程，從而使得燒結(jié)更加致密化。但由于燒結(jié)時間較長，液相的存在致使胎體中出現(xiàn)溶解-析出-再結(jié)晶的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)晶粒異常長大，而La的添加在一定程度上可避免這種現(xiàn)象，這主要是因?yàn)長a吸收胎體中的氧后，形成的氧化渣彌散在胎體中，阻礙液相的過分流動，又能起到細(xì)化晶粒的作用，因此，圖2(b)胎體內(nèi)晶粒比圖2(a)較小且氣孔也少。但在受到外應(yīng)力作用時，含Sn、La胎體的裂紋容易從晶界處展開，表現(xiàn)為沿晶斷裂，結(jié)合表1及圖1數(shù)據(jù)對比，添加Sn、La后胎體強(qiáng)度反而有所下降。

2.3 磨削性能分析

對表1中的L1、L2胎體試樣塊進(jìn)行磨削試驗(yàn)，磨削過程中加少量自來水淋洗，當(dāng)砂輪被磨至外徑為60 mm時停止，每個胎體試樣連續(xù)磨削3個砂輪，每項(xiàng)試樣重復(fù)5次試驗(yàn)，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 胎體磨削性能

從表2可以看出，不含Sn、La胎體磨損量較大(1.92g)，分析認(rèn)為胎體致密性較低，磨削時金剛石出刃較快，鋒利度較高，但又導(dǎo)致胎體的耐磨性較低。而添加Sn、La后胎體鋒利度有所下降，但耐磨性卻有較大的提高，主要是因?yàn)樘砑覵n、La后，胎體更加致密，硬度提高了10.5HRB(表1兩項(xiàng)胎體硬度對比)，同時，La對胎體內(nèi)氣孔中的氧的吸收以及對少量金屬氧化物的還原作用，改善了粉末顆粒與金剛石顆粒之間的潤濕性，使金屬粘結(jié)劑對金剛石顆粒的包鑲能力更強(qiáng)，磨削時，胎體磨損量更少，耐磨性大大提高。這說明，Sn的固溶強(qiáng)化作用以及La的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化作用在胎體抗彎強(qiáng)度方面表現(xiàn)不明顯，而在胎體磨削過程中卻表現(xiàn)得更為顯著。

3 結(jié) 論

(1)隨著Sn的添加，顆粒燒結(jié)流動性增加，空位遷移和晶界移動更加順利，促進(jìn)了胎體合金化；La的添加既吸收胎體內(nèi)孔隙中的氧，又能還原金屬氧化物，使燒結(jié)活性更高，故胎體的相對密度和硬度得到進(jìn)一步提高，但胎體抗彎強(qiáng)度有所下降；

(2)隨著Sn、La的添加，胎體的磨削鋒利度雖然有所降低，但是Sn和La的共同作用，使金屬粘結(jié)劑對金剛石顆粒的包鑲能力更強(qiáng)，Sn的固溶強(qiáng)化作用以及La的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化作用更加顯著，故而使胎體的耐磨性得到大大的提高。

[1] Mancisidor A, Luno-Bilbao C, Vielma N J, et al. Effect of sintering atmosphere on densification, mechanical properties and diamond stability of prealloyed diamond impregnated composites obtained by free sintering[J]. Powder Metallurgy,2013, 56:5,362-373.

[2] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)[M].北京,中國建材工業(yè)出版社,1999:90-91.

[3] 孫毓超,宋月清.金剛石工具制造理論與實(shí)踐[M]. 鄭州,鄭州大學(xué)出版社,2005:8-9.

[4] 宋月清,夏志華,甘長炎,等. 稀土元素鑭在金剛石工具胎體材料中的作用機(jī)理研究[J]. 稀有金屬,1998, 22(1):39-42.

[5] 盧安軍，秦海青，等.含稀土銅基超細(xì)合金粉末在金剛石圓鋸片上的應(yīng)用研究[J].超硬材料工程,2010,22(6):13-15.

[6] 黃培云.粉末冶金原理[M]. 第二版. 北京 :冶金工業(yè)出版社,1997:377-388.

EffectsofSnandLainthematrixofatmospheresinteringdiamondtools

LU An-jun, ZHANG Jian-wei, QIN Hai-qing, MENG Guang-hai, CHENG Yu

(1.GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterialsResearchandDevelopment,Guilin541004,China; 2.NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,Guilin541004,China; 3.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,China)

The sintering property of two special sub-micron alloy powder made by precipitation-reduction method as main binder in matrix of atmosphere sintering diamond tools are compared and analyzed. The experimental results show that the flow ability of sintering particles increases with the Sn adding in the matrix, the vacancy-migration and grain boundary migration goes more smoothly, and promoting matrix alloying. While adding La into the matrix, it can assimilate the oxygen in the pore of matrix and also deoxidize the metallic oxide to accelerating sintering activity. Meanwhile, grain refinement of La can avoid effectively abnormal grain growth because of Sn liquid phase in the matrix, therefore, the relative density and hardness of the matrix is further improved. Although the bending strength has been declined a little bit, but the grinding performance has enhanced greatly.

diamond tool, atmosphere sintering, Sn, La, grinding

2017-03-24

桂林科技開發(fā)(科技攻關(guān))項(xiàng)目(合同編號：2016010704)

盧安軍(1983-)，男，工程師。主要從事粉末冶金及超硬材料制品研究工作。E-mail:luanjuns@126.com

張健偉 (1963-)，男，工程師。從事粉末冶金及其應(yīng)用研究工作。E-mail:jwzhang9816@foxmail.com

盧安軍,張健偉,秦海青,等.Sn和La在氣氛燒結(jié)金剛石工具胎體中的作用[J].超硬材料工程，2017，29(5)：30-33.

TF124;TQ164

A

1673-1433(2017)05-0030-04