預合金粉含量對鐵基胎體微觀組織及性能的影響

孫為云, 康 杰, 丁紫陽, 李連榮, 焦 璨, 劉勝新

(1. 鄭州職業技術學院, 鄭州 450121) (2. 鄭州大學, 鄭州 450001)

隨著人造金剛石行業的快速發展，與之相關的金剛石工具也發展迅速[1]，并在機械、建材、光學玻璃、地質勘探及開采、電子及能源工業等領域得到了廣泛應用[2]。各類金剛石工具消耗量成倍增長，其中用于瓷質磚磨邊和拋光用的金剛石磨具成為第二大金剛石工具品種[3]。瓷質磚具有硬度高、耐磨性好及薄脆性質、耐沖擊性差等特點而加工困難[1]，所以對瓷質磚磨邊用金剛石磨邊輪的性能要求也很高。

金剛石磨邊輪主要由鋼基體和磨削刀頭2部分組成，刀頭對磨邊輪的性能起決定性作用。刀頭主要由骨架相、黏結相及金剛石磨料組成[4]，由骨架相和黏結相組成的胎體性能是影響刀頭切割性能最關鍵的因素。目前，國內應用較廣泛的磨邊輪胎體配方主要由Fe、Cu、Ni、Sn、Mn等元素組成[5]。由于磨邊要求不同，各粉末材料的構成不同而形成了不同胎體配方[6]，但從性能及成本等2方面綜合考慮，使用最廣泛的是鐵基胎體配方。鐵基胎體配方主要由Fe加其他單質粉末或合金粉末混合構成，存在合金化進程較慢，燒結溫度偏高，且低熔點成分易發生偏析等缺點[7]。

預合金粉是將預先設計好的金屬成分燒結而制成的一定粒度的合金化粉末，在合適的燒結工藝下其組織成分較均勻，可有效改善單質胎體成分偏析問題，從而提高胎體的綜合性能[8]。因此，在鐵基胎體配方的基礎上，用CuZnSn預合金粉代替部分單質Cu粉、Sn粉，研究不同含量的預合金粉對鐵基胎體組織及性能的影響，以期獲得具有更高性價比的鐵基胎體。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料及配方

試驗用原材料為Fe粉、Cu粉、Sn粉、CuZnSn預合金粉(FBCu14)、FeCu預合金粉(FeCu30)、羰基Ni粉及FeP粉。根據磨邊輪實際生產情況，采用自制的胎體配方，成分配比如表1所示。表1中的配方1～配方5中固定FeCu30、Fe、Ni和FeP含量，只改變FBCu14、Cu和Sn含量，特別是FBCu14預合金粉質量分數按0、2%、6%、10%和14%的方式遞增。

表1 磨邊輪胎體配方

1.2 試樣制備及檢測

(1)稱料、混料：根據各粉末的理論密度及壓制的模具體積計算投料質量，并依據計算質量增加5%的余量；再按照表1配方稱取各粉末質量，在三維混料機中均勻混料3 h。

(2)熱壓燒結工藝：在燒結壓力15.6 MPa和升溫速率150 ℃/min的條件下，從400 ℃勻速升溫至750 ℃；當爐溫達750 ℃時保溫3 min，再緩慢降溫；待爐溫降至200 ℃以下時取出模具，后空冷至室溫，制成規格為40.0 mm×8.0 mm×4.6 mm的試樣。

(3)用侵蝕劑FeCl3、HCl加H2O按體積比1∶2.92∶6.1配制溶液，通過取樣、鑲嵌、磨光、拋光、侵蝕等工序，制得金相試樣。用 Phenom XL臺式掃描電子顯微鏡的背散射電子成像技術觀察試樣的顯微組織，并借助其能譜儀進行點掃描成分分析；用D8-focus X射線衍射儀分析試樣的物相組成；用阿基米德排水法測量并計算上述胎體試樣塊的致密度；用HR-150A洛氏硬度計測定胎體試樣的洛氏硬度；用萬能材料試驗機檢測胎體的三點抗彎強度；用ML100磨粒磨損試驗機測試試樣磨損量，間接表征試樣的耐磨性。

2 試驗結果與討論

2.1 FBCu14預合金粉對鐵基胎體組織的影響

圖1為添加質量分數0、2%、6%、10%、14% 的FBCu14預合金粉后鐵基胎體試樣的典型顯微組織圖。由圖1可知：不添加CuZnSn預合金粉時，鐵基胎體中主要存在灰白色、淺灰色和深灰色3種組織，深灰色組織分散分布且部分呈枝狀分布，淺灰色組織面積較大且分布不均勻，灰白色組織分布于淺灰色組織之間，部分與深灰色組織相鄰(圖1a)；隨著CuZnSn預合金粉的添加及添加量增加，胎體中灰白色組織面積明顯減少，淺灰色組織面積增加，而深灰色組織面積變化不明顯(圖1b～圖1e)。

(a)0(b)2%(c)6%(d)10%(e)14%圖1 添加不同質量分數預合金粉后鐵基胎體的顯微形貌Fig. 1 Microstructures of iron-based matrix with different mass fraction of pre-alloyed powder

為進一步確定鐵基胎體中各組織的成分，對不添加與添加6%預合金粉的胎體組織進行如圖1a、圖1c所示的點掃描分析，各點能譜分析結果如表2所示。

表2 選擇的各點能譜分析結果

由表2的能譜分析結果可知：A點(灰白色組織)主要成分為Cu、Ni、Sn及少量Fe，其中Ni能在Cu中無限互溶[9]。由于Ni具有良好的綜合性能，在鐵基胎體中加入適量的Ni，在燒結過程中可以改善Sn等低熔點粉料的流動性及均勻性[10]，起到細化晶粒作用，加速燒結的致密化進程，使得燒結胎體的綜合性能提高[11]。根據Cu-Sn二元合金相圖，Cu與Sn能相互部分溶解，形成一系列化合物和有限固溶體[12]，但Sn在Cu中固溶度較小，主要生成少量Cu-Sn金屬間化合物。B點(淺灰色組織)主要成分為Cu，少量的Ni、Sn和Fe。根據Fe-Cu-Ni三元相圖，Fe在Cu-Ni合金中溶解度很小，950 ℃時Fe在Cu-10%Ni合金中的溶解度為4.8%，而300 ℃時僅為0.1%[13]，故淺灰色組織主要為以Cu為基的固溶體。C點(深灰色組織)主要成分為Fe，少量Cu、Ni擴散其中。D點(深灰色組織)主要成分為Cu、Fe，含有少量Sn、Ni，可明顯看出D點附近區域深灰色組織中夾雜著淺灰色樹枝狀組織。E點(深灰色組織)主要成分為Fe、Ni，含有少量Cu、P。根據Fe-Ni二元合金相圖，在燒結過程中該點處會形成(γ-Fe，Ni)固溶體[14]，推測是因冷卻速度較快來不及轉化而保留至室溫相中；P的存在是由于配方中加入了少量的FeP粉，磷可以有效地阻止鐵對金剛石的熱侵蝕作用，且含磷胎體對金剛石具有良好的鑲嵌能力[15]，同時工具也具備良好的自銳性，因而可以延長金剛石工具的壽命，提高其效率。

由表2結果還可知：F點(灰白色組織)成分與A點接近，F點檢測到少量Zn元素的存在，原因是配方中加入的預合金粉含有Zn。G點(淺灰色組織)與B點成分具有可比性，其主要成分為Cu、Fe，同時還有少量Zn及其他元素，估計是胎體燒結過程中，低熔點元素Sn與Cu反應以及預合金粉自身熔化生成固溶體及金屬間化合物，隨后Fe元素熔化并互擴散進入。H點(深灰色組織)主要成分為Fe、Cu，推測這部分組織是由FeCu30預合金粉燒結而來的，Cu-Sn等金屬間化合物擴散其中。I點(深灰色組織)主要成分為Fe，與C點成分接近，少量Cu、Fe原子間有自擴散發生，使得Fe顆粒相成為連續相[16]，Cu-Sn等合金成為分散相。J點(深灰色組織)主要成分為Fe、Ni。K點(塊狀深灰色組織)主要成分為Fe、Ni和P，FeP粉形成的固溶體可以加速原子擴散，促進致密化進程[17]，且少量的P就可顯著提升鐵基粉末材料的強度和硬度[18]。

為進一步研究不同磨邊輪配方組織中的物相組成，對不添加及添加質量分數6%預合金粉的胎體進行XRD衍射分析，其結果如圖2所示。

(a)0

(b)6%

對比圖2a和圖2b可知：不添加預合金粉時，胎體中主要存在γ-Fe、(Cu,Sn)和(γ-Fe,Ni)固溶體以及Fe4Cu3、Cu41Sn11、Ni4Sn等金屬間化合物；添加6%(質量分數)預合金粉后，除上述物相外，組織中還出現了Cu0.61Zn0.39和CuZn2新相，未檢測到FeP相關相，推測原因主要是其含量太少的緣故。

2.2 FBCu14預合金粉對鐵基胎體性能的影響

測試添加0、2%、6%、10%和14%(質量分數)FBCu14預合金粉后，鐵基胎體的相對密度η、硬度HRB、抗彎強度σ及磨損量Δm結果如表3所示。

從表3可知：隨著FBCu14預合金粉的加入，鐵基胎體的相對密度、硬度、抗彎強度均呈現先增大后減小的趨勢，在預合金粉質量分數為6%時達到最大值，分別為99.8%、104.4 HRB和947.2 MPa；磨損量呈現先減少后增加的趨勢，在質量分數為6%時達到最小值0.272 5 g。相較于不添加預合金粉，添加預合金粉質量分數為2%～14%時，基體的相對密度、硬度值及磨損量變化幅度均小于10.0%；但抗彎強度值變化較大，當預合金粉質量分數為6%時，抗彎強度提高了11.8%。原因是加入適量預合金粉后，燒結過程中的低熔點元素和預合金粉充填粉末顆粒間空隙的能力提升，使得胎體的綜合性能得到提升；而當添加量過多，達到或超過10%時，又會造成胎體性能的整體下降，原因是燒結時生成的液相量過多，出現流料，反而會使其相對密度、硬度、抗彎強度降低。

表3 不同質量分數預合金粉的鐵基胎體性能測試結果

3 結論

(1)不添加CuZnSn預合金粉時，鐵基胎體中主要存在灰白色、淺灰色和深灰色3種組織，隨著CuZnSn預合金粉添加量的增加，胎體中灰白色組織面積明顯減少，淺灰色組織面積增加，深灰色組織面積變化不明顯。

(2)不添加CuZnSn預合金粉時，胎體中主要存在γ-Fe、(Cu,Sn)和(γ-Fe,Ni)固溶體以及Fe4Cu3、Cu41Sn11、Ni4Sn等金屬間化合物；添加6%(質量分數)CuZnSn預合金粉后，除上述物相外，組織中還出現了Cu0.61Zn0.39和CuZn2新相。

(3)CuZnSn預合金粉含量增加，鐵基胎體的致密度、硬度、抗彎強度均呈先增大后減小的趨勢，而磨損量則呈先減少后增加的趨勢；在其添加質量分數為6%時，分別達到最大值99.8%、104.4 HRB、947.2 MPa和最小值0.272 5 g。添加適量CuZnSn預合金粉可以增加鐵基胎體的液相量，改善粉體流動性，提高胎體性能，質量分數達到或超過10%后則會降低鐵基胎體的綜合性能。