稀土Ce對(duì)新型銅基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊性能的影響

吳　穎

(四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院, 四川　達(dá)州　635000)

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稀土Ce對(duì)新型銅基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊性能的影響

吳穎

(四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院, 四川達(dá)州635000)

[摘要]通過(guò)抗彎強(qiáng)度測(cè)試、顯微硬度和掃描電鏡研究新型銅基結(jié)合劑Cu53Sn21Fe20Ni6中添加Ce元素后組織和性能的變化.結(jié)果表明：稀土 CeO2的加入對(duì)結(jié)合劑胎體的各項(xiàng)性能及其組織的強(qiáng)化作用并不明顯，反而不利于提升結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的粘結(jié)性能和胎體的致密度，尤其是當(dāng)含量高于0.8﹪時(shí)，結(jié)合劑燒結(jié)性能變差，胎體組織不均勻，但Ce的添加可以提高工具的鋒利度和自銳性.當(dāng)稀土Ce元素的含量低于0.6﹪時(shí)，彌散分布在結(jié)合劑中，可一定程度地提升胎體的顯微硬度和抗彎強(qiáng)度.

[關(guān)鍵詞]CeO2；銅基結(jié)合劑；力學(xué)性能；顯微組織

金剛石工具中金剛石磨粒與結(jié)合劑固著把持強(qiáng)度低、易脫落、出刃難以及磨削過(guò)程中受力不均等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工具的使用壽命和加工質(zhì)量.隨著相關(guān)行業(yè)對(duì)優(yōu)異工具需求的持續(xù)增長(zhǎng)，通過(guò)合理的制造工藝來(lái)滿足更高的加工性能要求成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3].其中，金屬結(jié)合劑有熱成型性能好、結(jié)合強(qiáng)度高、散熱快等優(yōu)點(diǎn)，鈷基、銅基、鐵基結(jié)合劑在金剛石工具中的研究及應(yīng)用已較普遍[2,4].SchubertT等人通過(guò)在銅基中添加Cr、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素或在金剛石表面鍍覆強(qiáng)碳化物，都在不同程度上影響胎體對(duì)金剛石的把持力[5-8].本文在對(duì)新型銅基結(jié)合劑Cu53Sn21Fe20Ni6(CSF)有一定研究基礎(chǔ)上[8]，分析整理了稀土Ce元素對(duì)結(jié)合劑組織和性能的影響，可以拓展新型銅基結(jié)合劑的應(yīng)用范圍.

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用JR3品級(jí)的金剛石磨粒濃度為25﹪，按50﹪(70/80) +50﹪(80/100) 配比組成.Ce以CeO2形式添加，添加時(shí)在混合粉末中加入1.5﹪~3﹪的石蠟防止粉末偏聚，添加量依次為0.2﹪、0.4﹪、0.6﹪、0.8﹪、1.0﹪.

實(shí)驗(yàn)所用顯微硬度儀型號(hào)為HXS-1000AX，TESCANVEGAⅡLMU型號(hào)的掃描電鏡和OXFORDINCA的EDS.通過(guò)將合金粉末混合均勻后，在石墨模具中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度680 ℃，壓力80kN，保溫時(shí)間210s，分別燒結(jié)成不含金剛石顆粒的純胎體試樣和含金剛石顆粒的復(fù)合胎體試樣多個(gè)，采用三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試的方法測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度，求得金屬結(jié)合劑與金剛石顆粒間的粘結(jié)性能.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1CeO2對(duì)結(jié)合劑性能的影響

圖1　CeO2含量對(duì)胎體性能的影響

在CSF結(jié)合劑中添加Ce元素后，燒結(jié)成不含金剛石的純胎體的硬度和硬度標(biāo)準(zhǔn)差如圖1(a)所示.從圖1可知，CSF新型銅基結(jié)合劑燒結(jié)成的胎體的顯微硬度隨結(jié)合劑中稀土CeO2含量的增加逐漸上升.當(dāng)CeO2含量大于0.4﹪時(shí)，胎體顯微硬度在38HRC左右趨于穩(wěn)定，而CeO2含量高于0.8﹪時(shí)，硬度有下降趨勢(shì).這可能是由于稀土氧化物CeO2熔點(diǎn)高且較穩(wěn)定[7]，彌散地分布在銅基結(jié)合劑基體中，不但細(xì)化晶粒，同時(shí)有彌散強(qiáng)化的效果，提升了胎體的機(jī)械性能；而CeO2含量高于0.8﹪時(shí)，易導(dǎo)致胎體孔隙率增大，燒結(jié)后質(zhì)量變差，從而降低硬度.從圖1還可看出，胎體顯微硬度的標(biāo)準(zhǔn)差隨CeO2添加量的增加而變大，說(shuō)明CeO2含量越多，胎體組織越不均勻.這也從側(cè)面印證了CeO2較穩(wěn)定，彌散分布在胎體中導(dǎo)致硬度上升.

圖1(b)是CeO2含量對(duì)不含金剛石的純胎體和含金剛石顆粒的復(fù)合胎體兩種試樣的抗彎強(qiáng)度、粘結(jié)系數(shù)的影響.由此可知，純胎體和含金剛石復(fù)合胎體的抗彎強(qiáng)度隨結(jié)合劑中稀土CeO2含量的增加逐漸上升并趨于穩(wěn)定，當(dāng)CeO2含量大于0.6﹪時(shí)，兩種抗彎強(qiáng)度分別在710MPa和630MPa上下波動(dòng).當(dāng)CeO2含量大于0.8﹪時(shí)，胎體抗彎強(qiáng)度有下降趨勢(shì).同時(shí)，粘結(jié)系數(shù)隨CeO2添加量的增加線性增大，說(shuō)明CeO2含量越多，胎體對(duì)金剛石固著把持能力越差.這可能是因?yàn)镃eO2的彌散分布影響了結(jié)合劑各組元間的相互擴(kuò)散反應(yīng)，降低了結(jié)合劑與金剛石的化學(xué)結(jié)合力.

2.2CeO2對(duì)復(fù)合胎體組織的影響

圖2　CeO2含量對(duì)金剛石復(fù)合材料的斷口影響的SEM圖示

2.3CeO2對(duì)純胎體組織的影響

圖3[8]是將不同含量的CeO2添加到結(jié)合劑中燒結(jié)成純胎體，通過(guò)抗彎強(qiáng)度測(cè)試后試樣端口的SEM組織.圖3顯示，隨著CeO2含量的增加，純胎體的組織結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差別，僅顯微空隙率略有增大，組織的致密性有變差趨勢(shì).綜合胎體的力學(xué)性能和顯微組織可得：稀土CeO2的加入對(duì)胎體的各項(xiàng)性能及組織的強(qiáng)化作用并不明顯，反而不利于提升結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的粘結(jié)性能和胎體的致密度.正因?yàn)槿绱耍诩庸み^(guò)程中可以通過(guò)添加CeO2降低胎體的粘滯性，使金剛石容易出露，磨粒不斷出刃，提高工具的鋒利度和自銳性，克服工具使用過(guò)程中的“打滑”現(xiàn)象.

圖3　純胎體試樣的抗彎斷口SEM組織

3結(jié)論

(1)當(dāng)CeO2在CSF中含量低于0.6﹪時(shí)，起彌散強(qiáng)化作用，胎體的顯微硬度和抗彎強(qiáng)度隨CeO2含量的增加逐漸上升并趨于穩(wěn)定，當(dāng)CeO2含量大于0.8﹪時(shí)，胎體抗彎強(qiáng)度有下降趨勢(shì).

(2)金剛石與結(jié)合劑的粘結(jié)系數(shù)隨CeO2添加量的增加線性增大，CeO2含量越多，胎體對(duì)金剛石固著把持能力越差.當(dāng)含量高于0.8﹪時(shí)，逐漸導(dǎo)致結(jié)合劑燒結(jié)性能變差，胎體組織不均勻.

[參考文獻(xiàn)]

[1]王秦生. 超硬材料及制品[M]. 鄭州: 鄭州大學(xué)出版社, 2006.

[2]李伯民, 李清. 磨料磨具與磨削技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[3]黃志偉,盧匯洋,李立波,等.金剛石工具中金剛石與胎體結(jié)合力的提高方法[J].金剛石與磨料磨具工程, 2007 (3): 15-17.

[4]吳穎.電鍍金剛石工具的應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)研究[J]. 熱加工工藝，2015，44(18):18-21.

[5]SCHUBERTT,CIUPINSKIL,ZIELINSKIW,etal.InterfacialcharacterizationofCu/diamondcompositespreparedbypowdermetallurgyforheatsinkapplications[J].ScriptaMaterialia, 2007, 58(4):263-266.

[6]張恒濤. 金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石把持力的研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學(xué), 2014.

[7]LIW,ZHANJ,WANGS,etal.CharacterizationsandmechanicalpropertiesofimpregnateddiamondsegmentusingCu-Fe-Cometalmatrix[J].RareMetals, 2012, 31(1):81-87.

[8]吳穎. 新型金剛石工具銅基結(jié)合劑及其性能的研究[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2014.

(責(zé)任編輯穆剛)

Effect of Ce on the properties of new copper-matrix bonding diamond tool bits

WU Ying

(College of Physics and Electrical Engineering, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou Sichuan 635000, China)

Abstract：The effect of Ce elements on the microstructure and properties of the new copper-matrix bonding was studied through the bending strength test, micro-hardness and scanning electron microscope. The results showed that when the adding CeO2 in new copper-matrix, its’ properties and microstructure weren’t changed significantly, harmful to enhance the fixed control ability and matrix’s density. When the content of CeO2 is higher than 0.8﹪, the binder’s sintering performance is poor, and the microstructure is not in uniform. When the content of CeO2 is lower than 0.6﹪, CeO2dispersed in the matrix, the hardness and bending strength of the matrix to some extent is improved.

Key words：CeO2; copper-matrix bonding; mechanical properties; microstructure

[中圖分類號(hào)]TQ164

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0006-04

[作者簡(jiǎn)介]吳穎(1987—)，女, 四川巴中人, 碩士, 主要從事先進(jìn)材料成型工藝及裝備自動(dòng)控制方面的研究.

[基金項(xiàng)目]四川文理學(xué)院科研項(xiàng)目(2014Z006Y).

[收稿日期]2015-12-01