石墨材料對銅錫胎體性能影響的實驗研究

劉一波，曹彩婷，楊志威，徐 良

(1. 鋼鐵研究總院，北京　100081;2. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京　102200)

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石墨材料對銅錫胎體性能影響的實驗研究

劉一波1,2，曹彩婷1，楊志威2，徐 良2

(1. 鋼鐵研究總院，北京100081;2. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京102200)

為了研究不同形狀和表面處理工藝的石墨材料對Cu-Sn預合金粉胎體性能的影響，文章選擇了普通片狀石墨、球形石墨和表面鍍覆金屬的石墨等原材料，并設計不同石墨含量的對比試驗，借助SEM形貌、力學性能測試等方法分析胎體性能的變化情況。實驗結果表明：在銅錫胎體中，等量添加形狀規則的球形石墨與形狀不規則的片狀石墨相比，試樣硬度、抗彎強度值變化不大，試樣密度略有提高；與普通石墨相比，加入等量鍍覆石墨能提高胎體硬度和抗彎強度，且隨表面鍍覆金屬含量增多，硬度和抗彎強度提高越多，密度也隨之提高；隨著石墨加入量增多，胎體硬度、抗彎強度和耐磨性均會降低。

石墨形態;石墨含量;Cu-Sn胎體;性能影響;金剛石輔助材料

1　引言

在金剛石工具的制造和研究工作中，一般考慮的問題是強化胎體的力學性能，以期提高工具的耐用度；但當加工對象為硬度高、脆性大的難加工材料時，就需要改變研究思路。針對這一情況，有學者提出“弱化”胎體概念[1]，即胎體材料為了滿足金剛石工具的正常工作反而有目的的降低胎體某些性能的方法。關于胎體弱化的研究，目前已有諸多報道，如宋月清[2]研究的非金屬粉末對銅基胎體性能的影響，Shubin REN[3]研究的片狀石墨含量和分布對銅基復合材料的性能影響，韓娟[4]研究的碳含量對高鐵基胎體性能的影響等。

由于石墨具有造孔、潤滑和吸氧的作用，并可有效防止金屬結合劑磨具鈍化、鋒利性變差和減輕磨削堵塞等問題[5,6]，常被用作一種調節磨具磨削性能的材料而加入。本文將選擇普通片狀石墨、球形石墨和表面不同鍍覆量的石墨共四種原材料，并加入不同含量的石墨對銅錫胎體性能的影響進行研究(見圖1)。

圖1　不同形態石墨的SEM形貌圖Fig.1　SEM morphology of different forms of graphite

2　實驗方案

本文主要研究添加不同形態、不同含量的石墨對胎體力學、物理性能的影響，具體實驗方案參數設定如表1所示：

3　驗材料與方法

3.1實驗原材料

Cu-Sn預合金粉，400/500目金剛石，-300目片狀石墨、球形石墨、鍍銅增重50%和60%的石墨等。

3.2實驗方法

試樣制備工藝流程、熱壓燒結工藝見圖2、圖3。

表1　實驗方案參數設定表

圖2　試樣制備工藝流程圖Fig.2　Process flow diagram of the sample preparation

圖3　試樣熱壓燒結工藝曲線圖Fig.3　Hot-pressing sintering process graph of the samples

3.3實驗儀器

TB2三維混料機、手動冷壓機、井式燒結爐、VS60/3型真空熱壓燒結爐、萬能試驗機、千分級天平、JSM-6400型掃描電鏡、超景深三維顯微鏡、自制簡易磨削設備。

自制磨削設備用于檢驗試樣的耐磨性，其原理是將試樣作為磨削工件，藍寶石晶塊做被磨工件，利用數控箱控制步進電機帶動刀頭做行程為30 mm的往復運動，在水溶液的冷卻下，分別測量單位時間內(30 min)試樣的損耗質量Msc和被磨削工件的損耗質量Mwc，根據公式計算磨耗比Φ=Msc/Mwc，每組數據均取6 個試樣的平均值作為檢測結果。

4　實驗結果與分析

4.1石墨形態對試樣性能的影響

實驗方案中編號1#—4#的試樣，實驗變量依次是添加片狀石墨、球形石墨、鍍銅增重50%的石墨和鍍銅增重60%的石墨，該組對比實驗用來檢測石墨形態對試樣性能的影響。試樣各項檢測性能結果見表2、圖4。

表2　石墨形態對試樣性能的影響

圖4　石墨形態對試樣性能影響趨勢圖Fig.4　STrend of the influence of graphite morphology on sample performance

由表2、圖4可以看出，在銅錫合金結合劑中，等量添加形狀規則的球形石墨與形狀不規則的片狀石墨相比，試樣硬度、抗彎強度值變化不大，試樣密度略有提高；與加入普通石墨相比，加入表面經過鍍覆處理的石墨，能很好地提高試樣硬度和抗彎強度，而且隨著鍍覆金屬含量的增多，試樣的硬度和抗彎強度提高越多，試樣密度也隨之提高。

分析原因，主要是因為石墨在銅錫合金結合劑中與金屬的燒結粘結性差，但當添加表面鍍銅石墨后，由于鍍銅本身與石墨形成了較強的結合，表層的鍍覆銅和銅錫結合劑又可以形成金屬與金屬之間的燒結，使得鍍銅石墨與結合劑的粘結方式變為無孔隙粘結(圖5)；而且規則形狀的球形石墨較不規則形狀的片狀石墨更能與銅錫結合劑形成很好的粘結[6]。故加入球形石墨比片狀石墨的試樣硬度、抗彎強度升高幅度很小，密度略有提高；添加鍍銅石墨的試樣比添加普通石墨的試樣硬度和抗彎強度有大幅度提高，密度值也更大。

圖5　石墨鍍覆后與結合劑結合方式的變化圖Fig.5　The change of ways in which the plating graphite bonds with binding agent

4.2石墨含量對試樣性能的影響

實驗方案中編號為5#—8#的試樣，實驗變量為石墨含量。實驗結果如表3、圖6所示。

從圖6的實驗結果中可以看出，在銅錫合金結合劑中加入石墨后，試樣的硬度、抗彎強度均有隨石墨加入量的增多而降低的趨勢；磨耗比則有隨石墨加入量的增多而升高的趨勢，即試樣的耐磨性隨石墨加入量的增多而下降。

表3　石墨含量對試樣性能的影響

圖6　試樣性能隨石墨添加量的變化趨勢圖Fig.6　The trend of sample performance with the change of graphite content

分析原因是因為石墨的加入，起了軟化、隔離胎體的作用，所以使試樣硬度、抗彎強度和耐磨性下降，石墨的加入量越多，性能下降越明顯。

5　結論

根據實驗結果及分析可得出以下結論：

(1)在銅錫合金結合劑中，等量添加形狀規則的球形石墨與形狀不規則的片狀石墨相比，試樣硬度、抗彎強度變化不大，試樣密度略有提高；

(2)與普通石墨相比，加入表面鍍覆處理的石墨，能很好地提高胎體硬度和抗彎強度，且隨著鍍覆金屬含量的增多，胎體的硬度和抗彎強度提高越多，密度也隨之提高；

(3)隨石墨加入量增多，胎體硬度、抗彎強度和耐磨性均隨之降低。

[1]宋月清, 甘長炎, 夏志華, 袁冠森. 金剛石工具胎體材料的性能”弱化”問題初探[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 1997, 5(101): 2-5.

[2]宋月清, 孫毓超. 非金屬粉添加劑在弱研磨性石材切割工具中的應用[J]. 工業金剛石, 2005(2):26-35.

[3]Shubin Ren, Qingnan Hong, Jianhao Chen, Xinbo He, Xuanhui QU. The influence of matrix alloy on the microstructure and properties of (flake graphite + diamond)/Cu composites by hot pressing [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015(652):351-357.

[4]韓娟,姚炯彬,葛啟錄,劉一波.碳含量對高鐵基胎體金剛石工具性能的影響[J].粉末冶金材料科學與工程,2011,4(16):625-629.

[5]左宏森, 陳俊. 石墨形態對青銅結合劑磨具性能的影響[J]. 中國科技財富, 2011(14):132.

[6]王秦生.金剛石燒結制品[M].北京：中國標準出版社,2002,83.

Experimental Study of the Influence of Graphite Material on Performance of Copper-Tin Matrix

LIU Yi-bo1,2，CAO Cai-ting1，YANG Zhi-wei2，XU Liang2

(1.Central Iron & Research Institute Group, Beijing, China 100081;2.BeijingGangYanDiamondProductsCompany,Beijing,China102200)

In order to study the influence of graphite materials of different shapes and surface treatment technology on performance of the Cu-Sn pre-alloy powder matrix, raw materials such as ordinary flake graphite, spherical graphite and metallic plating graphite have been chosen to analyze the change of matrix performance through contrast tests of different graphite contents with the help of other approaches such as SEM morphology and mechanical performance testing. Result shows that compared to the matrix with irregular shaped flake graphite, the matrix with equivalent regular shaped spherical graphite has little change in hardness and bending strength with a slightly increase in density. Compared to common graphite, the equivalent metallic plating graphite can improve the hardness and bending strength of the matrix. The higher content of the plating metal on the surface will lead to more increase of the hardness and bending strength as well as the desity. As the graphite content increases, both of the hardness, the bending strength and the abrasive resistance of the matrix will decrease.

graphite morphology; graphite content; Cu-Sn matrix; influence on performances

2016-03-04

劉一波(1966-)，男，總工程師、教授級高級工程師。主要從事超硬材料制品制造與應用研究工作。E-mail：liuyibo@atmcn.com

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0018-04

引文格式：劉一波，曹彩婷，楊志威，等.石墨材料對銅錫胎體性能影響的實驗研究[J].超硬材料工程，2016，28(3)：18-21.