基于鋁熱反應(yīng)的金屬結(jié)合劑金剛石工具初探

李明聰，陳家泓，黃耀杰，廖燕玲，趙 軒, 張鳳林

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應(yīng)用于花崗巖、大理石、陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削、成型、切割[1，2]。按照結(jié)合劑主要合金元素可將金屬結(jié)合劑金剛石工具分為鈷基，鎳基，青銅基，鐵基等幾種類型。鈷的價(jià)格昂貴, 且屬于國家戰(zhàn)略性物質(zhì)，鐵基結(jié)合劑由于價(jià)格低廉，經(jīng)強(qiáng)化后可以獲得較好的性能，因此以鐵代鈷制備金屬結(jié)合劑金剛石工具是一個(gè)重要的趨勢[3]。

自蔓延高溫合成是基于放熱化學(xué)反應(yīng)的基本原理，利用外部能量使反應(yīng)物局部被點(diǎn)燃，形成燃燒波并放出熱量，此后，反應(yīng)在自身放出的熱量支持下繼續(xù)進(jìn)行，直至反應(yīng)完成[4]。劉明耀等以錫青銅為結(jié)合劑基礎(chǔ)，通過添加鋁、鈦等活性元素，自蔓延燒結(jié)了金剛石砂輪，并與熱壓燒結(jié)法制備的金剛石砂輪進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能源消耗大幅降低，砂輪鋒利性明顯提高[5, 6]。周玉梅等在 Ni-Al 體系中加入金剛石磨料，研究了金剛石磨料對(duì)自蔓延反應(yīng)過程的影響和自蔓延反應(yīng)后金剛石的表面形貌及強(qiáng)度變化，結(jié)果表明，與 Ni-Al 體系相比，金剛石 Ni-Al 體系的燃燒波速度會(huì)降低 33%，反應(yīng)后金剛石的平均抗壓強(qiáng)度降低 23%[7，8]。張鳳林等研究了馬弗爐加熱、真空爐加熱和高頻感應(yīng)加熱等不同加熱方式對(duì)自蔓延燒結(jié)單層金剛石磨削工具的影響，指出感應(yīng)加熱法是 Ni-Al 體系自蔓延制備單層金剛石磨具的最佳方法[9]。在 Ni-Al 體系中加入 Ni-Cr-P 合金、Cu 和 B 等混合粉做稀釋劑，能夠降低燃燒波速度和自蔓延反應(yīng)溫度，提高結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持力，所制備的金剛石砂輪在磨削人造合成藍(lán)寶石的試驗(yàn)中表現(xiàn)出了磨損率小等優(yōu)點(diǎn)[10]。

鋁熱反應(yīng)是自蔓延反應(yīng)中的特殊的一種形式，其中, Al-Fe2O3是一種傳統(tǒng)鋁熱劑, 能量密度為3.71 kJ·g-1。反應(yīng)式如下：3Fe2O3+8Al→2Fe3Al+3Al2O3[11]，以往的研究多將鋁熱反應(yīng)應(yīng)用于焊接、粉末冶金、新材料合成、表面涂覆等領(lǐng)域[12，13,14]，但目前利用鋁熱反應(yīng)制備鐵基金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究還比較少。因此本文嘗試?yán)娩X熱反應(yīng)合成Fe-Al體系金屬結(jié)合劑，旨在獲得一種新型的金屬結(jié)合劑金剛石工具制備的相關(guān)理論和方法，并初步對(duì)反應(yīng)機(jī)制、燒結(jié)工藝及加工性能進(jìn)行探索。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用的原材料包括Fe2O3粉、Al粉等，具體材料參數(shù)見表1。將摩爾比為3∶8的Fe2O3粉和Al粉置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合球磨, 球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250 r/min, 時(shí)間為5 h, 球料比為10∶1。然后將球磨后的粉末在250MPa的冷壓壓力下成坯，隨后置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燃燒反應(yīng), 爐內(nèi)加熱最高溫度依次為930℃、1030℃、1130℃、1230℃, 保溫時(shí)間為25 min，加熱過程中爐內(nèi)真空度不小于10-2Pa，最后得到鋁熱反應(yīng)金屬結(jié)合劑。

制備鋁熱反應(yīng)金剛石工具時(shí)，在上述配方基礎(chǔ)上加入微量Si、B、Ti等元素優(yōu)化結(jié)合劑性能，并通過高頻感應(yīng)加熱線圈對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石刀頭與45鋼基體進(jìn)行焊接。

表1 原材料的參數(shù)

制備的金剛石工具結(jié)構(gòu)見圖1所示。

差示掃描量熱分析(DSC)使用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA449F5型熱重及同步分析儀，保護(hù)氣氛為Ar氣，升溫速率10℃/min；用阿基米德排水法測試結(jié)合劑的致密度；在QT-1166型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲方式測定其抗彎強(qiáng)度；使用HR-150DT電動(dòng)洛氏硬度計(jì)測試其硬度；采用型號(hào)為S500Z1的日本(brother)精機(jī)立式銑床進(jìn)行工件表面磨削,加工過程轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給速度95mm/min，磨削深度0.1mm，磨削工件為建筑陶瓷磚，再使用Kistler9257BA壓電晶體測力儀測量磨削力；使用X射線能譜儀(EDS)和X射線衍射(XRD)對(duì)鋁熱反應(yīng)金屬結(jié)合劑產(chǎn)物進(jìn)行表征；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察結(jié)合劑、砂輪及工件的微觀形貌。

圖1 制備的金剛石工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of the structure of the prepared diamond tool

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Fe-Al體系鋁熱反應(yīng)DSC分析

圖2為Fe-Al體系鋁熱反應(yīng)過程典型的DSC曲線。可以看出:高溫下存在一個(gè)吸熱峰和一個(gè)放熱峰，其中在668.4℃出現(xiàn)吸熱峰，在1028.8℃處出現(xiàn)放熱，1043.7℃形成一個(gè)較強(qiáng)的放熱峰，668.4℃對(duì)應(yīng)于鋁的熔化吸熱，1028.8℃開始發(fā)生鋁熱反應(yīng)，達(dá)到1043.7℃則反應(yīng)發(fā)生較為完全。為獲得鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑，熱壓燒結(jié)溫度應(yīng)該控制在1028.8℃附近，為此，我們后續(xù)研究了不同溫度熱壓燒結(jié)條件下結(jié)合劑的物相和力學(xué)性能。

圖2 鋁熱反應(yīng)DSC分析結(jié)果Fig.2 DSC analysis of aluminothermic reaction

2.2 熱壓燒結(jié)溫度對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑的影響

圖3是在不同溫度條件下熱壓燒結(jié)燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的XRD圖。由圖可知， 930℃熱壓燒結(jié)生成物有Fe、Fe3Al相以及少許的Al2O3及FeAl2O4(尖晶石)相。但隨著反應(yīng)溫度的提高，除了有Fe、Fe3Al相外，F(xiàn)eAl2O4(鐵鋁尖晶石)相含量增加。說明隨著溫度的提高，反應(yīng)能更加充分地進(jìn)行。

圖3 不同燒結(jié)溫度下鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of aluminothermic reaction bond under different sintering temperature

2.3 熱壓燒結(jié)溫度對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑力學(xué)性能的影響

熱壓燒結(jié)溫度對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強(qiáng)度的影響如圖4到圖6所示。從圖中可以看出, 隨著熱壓燒結(jié)溫度的增大, 結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強(qiáng)度都隨之升高。這與Fe2O3的高熔點(diǎn)(1565℃)有關(guān)，Al在930℃時(shí)已呈液相，隨著燒結(jié)溫度的提高，F(xiàn)e2O3流動(dòng)性得到改善,其燒結(jié)致密度也因此提高，而燒結(jié)致密度對(duì)粉末冶金燒結(jié)制品的硬度和強(qiáng)度有明顯的影響。同時(shí)反應(yīng)愈充分就會(huì)生成更多的Fe3Al硬度增強(qiáng)相，相應(yīng)提高了結(jié)合劑的硬度。

圖4 熱壓燒結(jié)溫度對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑硬度的影響Fig.4 Effect of sintering temperature on hardness of aluminothermal reaction bond

圖5 熱壓燒結(jié)后樣品的致密度Fig.5 Density of samples sintered.

2.4 鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具微觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)上述研究優(yōu)化，我們選擇1230℃作為熱壓燒結(jié)溫度并制備了鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具，升溫速率為10℃/min。為減少較高燒結(jié)溫度對(duì)金剛石的弱化作用，使用了鍍鎢金剛石。圖7a-b為不同放大倍數(shù)下金剛石工具的斷口形貌。從圖中可以看出,金剛石工具的斷面無明顯的裂紋、氣孔等缺陷。結(jié)合劑呈細(xì)密的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu), 斷面表現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特征。圖8是金剛石工具中結(jié)合劑與金剛石結(jié)合界面的面掃描能譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn), Al元素均勻地分布在金剛石周圍。

圖6 熱壓燒結(jié)溫度對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑抗彎強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of sintering temperature on bending strength of aluminothermal reaction bond.

圖7 1230℃條件下真空熱壓制備鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工件的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of diamond tool with aluminothermic reaction bond at the sintering temperature of 1230℃

圖8 金剛石磨具樣品結(jié)合界面EDSFig.8 SEM images of bonding interface between diamond grit and element

2.5 鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具的加工性能

經(jīng)測試，鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具的硬度為106.5HRB。圖9為鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具在干式和濕式條件下加工建筑陶瓷磚的磨削力對(duì)比圖。其中Ft、Fn、Fz分別為切向力，法向力和軸向磨削力。由圖中可以看出，濕磨的磨削力明顯比干磨的低。

2.6 被加工材料與金剛石工具表面形貌

圖10為加工前后陶瓷表面微觀形貌。建筑陶瓷磚在干式磨削中主要以大塊崩碎脆性去除為主，加工后表面質(zhì)量較差，濕磨狀態(tài)下，陶瓷磚表面質(zhì)量提高，大塊崩碎去除明顯減少。干式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度Ra為6.95μm，濕式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度Ra為3.14μm，說明濕式加工有效的冷卻和潤滑在獲得較低的磨削力的同時(shí)，也使得被加工材料脆性大塊崩碎的現(xiàn)象減少，磨削表面質(zhì)量更好。

圖9 鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具干式和濕磨加工磨削力Fig.9 Grinding force of diamond tools of aluminothermic reaction bond with dry and wet grinding

圖11為鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具干磨及濕磨后的表面形貌。由圖可以看出，磨削中金剛石沒有出現(xiàn)整顆脫落的現(xiàn)象，干磨狀態(tài)下，結(jié)合劑容易出現(xiàn)裂紋，濕磨下也存在一些微裂紋，說明該類型結(jié)合劑的脆性較大，容易由于磨削應(yīng)力和熱應(yīng)力出現(xiàn)裂紋；此外，工具整體耐磨性還存在不足，金剛石的出刃較低，也沒有普通金屬結(jié)合劑與金剛石之間形成的蝌蚪尾支撐結(jié)構(gòu)，這一方面可能是因?yàn)榉磻?yīng)熱壓燒結(jié)溫度過高，導(dǎo)致即使經(jīng)過鍍鎢，也會(huì)使金剛石出現(xiàn)明顯弱化，從而出現(xiàn)金剛石強(qiáng)度降低，耐磨性差的情況，另一方面，由于結(jié)合劑硬度和脆性較大，不能有效地磨損使金剛石形成出露出刃，因此，對(duì)鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具的成分和制備工藝還需要進(jìn)一步深入研究。

圖11 鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具磨損SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of diamond tools with aluminothermic reaction bond:(a)dry grinding,(b)wet grinding

3 結(jié)論與展望

初步探索了基于鋁熱反應(yīng)的金剛石工具的制備方法，測試了工具的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及加工性能。主要結(jié)論如下：

(1)在熱壓燒結(jié)的條件下，F(xiàn)e2O3-Al復(fù)合粉體在1028.8℃開始發(fā)生鋁熱反應(yīng)。在熱壓燒結(jié)過程中，隨著溫度的提高，F(xiàn)eAl2O4(鐵鋁尖晶石)含量有所增加，同時(shí)結(jié)合劑的硬度、致密度和抗彎強(qiáng)度隨溫度升高而增加。

(2)制備的鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具初步測試可以對(duì)建筑陶瓷磚進(jìn)行干式和濕式加工，但工具的耐磨性還存在不足。這種鋁熱反應(yīng)結(jié)合劑金剛石工具還需要進(jìn)一步對(duì)其成分和制備工藝進(jìn)行深入研究。