稀土對鐵基結合劑金剛石節塊性能的影響①

鄧相榮,肖長江,栗正新

(河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州 450007)

O 引言

金剛石節塊由金剛石磨粒和結合劑組成,結合劑的作用是用來固結金剛石磨粒的。常用的結合劑有金屬結合劑、樹脂結合劑、陶瓷結合劑等幾類。目前金屬結合劑金剛石工具已成為應用最廣泛的一種金剛石工具。金屬結合劑按其基本成分的金屬和合金種類,大致可分為以下幾大類:銅基合金結合劑、鈷鎳合金結合劑、鐵基結合劑、硬質合金為基的結合劑等。鐵基金剛石工具價格低廉,雖然硬度較低但是耐磨性好,應用范圍較廣[1-3]。

由于鐵基金屬結合劑金剛石工具使用范圍的日漸廣泛,對其制品的強度、硬度等性能也提出了更高的要求,但是由于單一的鐵基結合劑較易氧化、粉體表面的質量較差及容易對金剛石產生嚴重的腐蝕,使得對金剛石顆粒的把持力差。因而,為了生產和使用的要求,需要改善鐵基金屬結合劑的性能。

稀土元素的化學活潑性很強,其還原能力比金屬鋁還強,是一種理想的脫氧劑,可以大量吸附雜質元素,活化粉末顆粒表面。因此,稀士元素及其化合物在鋼鐵、有色金屬、硬質合金及陶瓷材料中得到了廣泛的應用[4-7]。本文主要研究在鐵基金屬結合劑中適當加入一定量的稀土元素,通過改善結合劑的性能,進而提高金剛石砂輪的性能。

1 實驗過程

實驗用原材料為Fe基粉末(含Fe、Cu、N i、Sn、Zn、WC、CeO2、Y 2O3等粉末),粒度為200目;金剛石為SCD 30系列40/50,濃度為40%。稀土CeO2、CeO 2與Y2O3的加入量分別為0、0.2%、0.5%、0.8%和1.1%。具體的配方如表1所示。

表1 鐵基結合劑配方(質量分數%)Table 1 The prescription of iron-based bond matrix

金屬結合劑金剛石磨具制備主要采用熱壓燒結。通過燒結,結合劑與金剛石形成機械鉗合、化學鍵合或二者混合的聯結方式。本實驗的燒結設備為RYZ2000Z真空燒結壓機,燒結壓力為20M Pa,燒結溫度為790℃,保溫時間為5m in,試樣的規格為40mm×10mm×10mm,分別用于抗彎強度、硬度的測試。抗彎強度采用三點彎曲法在Instron5585型材料試驗機上進行測試,硬度測試在HR-150A型洛氏硬度計上進行,采用HRB度量。實驗結果為三個試樣的平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 稀土的添加對節塊硬度的影響

CeO2和混合稀土CeO2與Y 2O3不同添加量下節塊的硬度值如圖1和圖2所示。對圖1和圖2分析可知:稀土氧化物的加入,能改變鐵基金屬結合劑節塊的硬度;當稀土百分含量在0.2%左右時,兩種添加稀土方式均能增加節塊的硬度;但隨著稀土量的繼續加入,硬度值逐漸開始下降。由此可見,當加入適量的稀土氧化物時,能活化燒結,使燒結過程加快;降低孔隙率;細化晶粒;減少金剛石的石墨化和鐵粉的氧化;促使胎體金屬和金剛石之間產生化學結合,提高胎體對金剛石的把持力,增加金屬基體的硬度。當稀土含量高于0.2%時,Fe基胎體的硬度逐漸降低,這是因為胎體的硬度主要決定于胎體的孔隙率和其顯微組織,孔隙率增加,胎體的硬度將減小。因此,當鐵基胎體中稀土含量較低時,鈰或者釔的化合物對硬度的影響大于孔隙率的不利影響;而當稀土含量較高時,結果則相反[8,9]。對比圖1和圖2可知:在同樣的稀土百分含量下,當加入CeO2和Y 2O3的混合稀土時,其節塊的硬度值高于添加CeO2時的硬度值(稀土百分含量在0.2%時除外)。由此可見,鈰和釔在熱壓燒結溫度下可與鐵發生鍵合,形成一種更為堅硬的組織,該相的存在,能提高基體的硬度。綜上所述,當結合劑基體中CeO2含量為0.2%時,節塊有最高的硬度,但在其他含量下,硬度值都小于沒有添加稀土的基體;在所添加的含量范圍內,CeO2與Y 2O3混合稀土的加入均能不同程度的提高基體的硬度。

圖1 CeO 2不同添加量下節塊的硬度值Fig.1 The hardness strength of the diam ond segm en ts with differen t am oun tCeO 2

圖2 混合稀土不同添加量下節塊硬度Fig.2 The hardness strength of the diamond segments with different amountm is ch-metal

2.2 稀土的添加對胎體抗彎強度的影響

CeO2和混合稀土CeO2與Y2O3不同添加量下節塊的抗彎強度如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可知:當稀土百分含量在0.2%時,金剛石節塊的抗彎強度達到最大值,當稀土含量增加到一定值后,繼續增加稀土含量,抗彎強度將基本保持不變或略有下降。從而可以判斷:稀土添加劑的百分含量在0.2%時,為最佳的添加量。當CeO2的添加量低于0.2%時,隨稀土的加入,抗彎強度值增大;而添加量超過0.2%時,隨著稀土的加入,其抗彎強度值減小較為顯著。說明CeO2的加入,與基體形成了一種新相,少量時,該相能增強基體的力學性能,而隨著含量的增加,該相卻又會降低其力學性能,使其抗彎強度降低。當加入的為混合稀土時,同樣在CeO2和Y 2O3的百分含量均為0.2%時,其抗彎強度值最大;且CeO2、Y 2O3和鐵基間可能形成一種新相,該相含量較低時,能增加基體的抗彎強度,而當該相含量超過一定的數值后,繼續增加稀土混合物的量,將緩慢降低節塊的力學性能;在試驗所給稀土百分含量的范圍中,加入混合稀土,所得節塊的抗彎強度比不加稀土時要高。

圖3 CeO 2不同含量下節塊的抗彎強度Fig.3 The bending strength of the diamond segments with different amount CeO 2

圖4 不同混合稀土含量下節塊的抗彎強度Fig.4 The bending strength of the diamond segmen ts with different amountm isch-metal

2.3 節塊的應力-應變曲線

典型的金屬的應力-應變曲線是金屬能夠發生較大的塑性形變,有屈服現象。典型的陶瓷材料的應力-應變曲線是陶瓷只有很小的彈性形變,看不到屈服點。對于鐵基結合劑金剛石工具節塊的應力-應變曲線,圖5所示的是在燒結溫度為790℃,燒結壓力為20M Pa的條件下CeO2和Y 2O3混合稀土含量為0.4%時節塊的應力-應變曲線圖。三個節塊的曲線基本相同。在起始階段如圖所示的A區域,應力與應變的關系不是線性關系,因為開始是金屬結合劑發生變形,表現出金屬的性質。當應力進一步增加,如圖所示的B區域,應力與應變表現出線性關系且為脆性斷裂,沒有屈服現象,為陶瓷的應力-應變曲線。其它條件下燒結得到的樣品的應力-應變曲線都與之類似。

圖5 節塊的應力-應變圖Fig.5 The stress-strain d iag ram of d iam ond segm en ts

3 結論

(1)稀土的加入,能在一定范圍內改變金剛石節塊的性能,不論是稀土CeO2還是CeO2和Y2O3組成的混合稀土,占基體質量的0.2%時為其最佳的百分含量。當稀土含量處于最佳百分含量時,節塊的硬度、抗彎強度及基體與金剛石的結合能力都處在最佳狀態。當含量繼續增加時,稀土的加入反而會降低節塊的硬度、抗彎強度。

(2)稀土加入的鐵基結合劑金剛石節塊的應力-應變曲線為陶瓷的特性。

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