鋁粉改性低溫陶瓷結(jié)合劑的性能研究

王延銘，侯永改，夏學(xué)鋒，李文鳳，侯 超，彭 進(jìn)，鄒文俊

(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)(2.中國(guó)機(jī)械工業(yè)國(guó)際合作有限公司，鄭州 450018)

近年來(lái)，材料科學(xué)發(fā)展迅猛，超硬材料磨具也相應(yīng)快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電子、汽車(chē)制造、航空航天、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域的磨削加工工具中[1]。與此同時(shí)，這些領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)磨具的磨削質(zhì)量和加工效率也提出了更高的要求[2]。陶瓷結(jié)合劑超硬磨具具有自銳性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[3-4]，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、軸承等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[5]。但陶瓷結(jié)合劑的韌性差、導(dǎo)熱性差等問(wèn)題限制了其在高精度磨削加工中的應(yīng)用[6-7]。因此，將金屬相與陶瓷相復(fù)合，用來(lái)提高陶瓷結(jié)合劑的性能，改善其不足。

目前，一些學(xué)者對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑與金屬結(jié)合劑復(fù)合后的性能進(jìn)行了研究。謝育波等[8]通過(guò)粉末冶金法制備了陶瓷/青銅結(jié)合劑，隨著低溫陶瓷結(jié)合劑含量的增加，銅基金屬結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度下降，硬度增大，改善了銅基金屬結(jié)合劑的自銳性。李廣鋒[9]探討了低溫陶瓷引入到鐵基金屬結(jié)合劑后，對(duì)金屬結(jié)合劑性能與結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)其抗彎性能和抗沖擊性能減弱，但硬度增大，復(fù)合結(jié)合劑的自銳性改善。

鑒于金屬鋁的熔點(diǎn)較低，并且金屬鋁表面氧化后生成Al2O3，其與低溫陶瓷結(jié)合劑中的Al2O3成分一致，部分學(xué)者對(duì)金屬鋁與陶瓷結(jié)合劑的復(fù)合進(jìn)行了研究。梁寶巖等[10]通過(guò)原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備了Al/TiC復(fù)合結(jié)合劑金剛石材料，復(fù)合結(jié)合劑與金剛石結(jié)合良好，力學(xué)性能優(yōu)異，硬度最高達(dá)97.7 HRC。程利霞等[11]將金屬Al粉加入Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結(jié)合劑中，探討金屬Al粉對(duì)CBN磨具陶瓷結(jié)合劑性能的影響。結(jié)果表明：Al粉的加入提高了CBN磨具的強(qiáng)度、致密度以及結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持度。QIN等[12]通過(guò)冷噴涂的方法研究了Al顆粒與Al2O3基體的界面微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：鋁涂層與Al2O3基體表面之間的結(jié)合是機(jī)械嵌合和異質(zhì)外延相結(jié)合，界面處的鋁顆粒呈細(xì)晶和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，Al2O3基體發(fā)生脆性斷裂；由于存在高應(yīng)變率形變，金屬顆粒與陶瓷基體界面處出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和非晶化現(xiàn)象。

為進(jìn)一步研究鋁粉與低溫陶瓷結(jié)合劑的復(fù)合，通過(guò)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉對(duì)R2O-B2O3-Al2O3-SiO2系基礎(chǔ)低溫陶瓷結(jié)合劑進(jìn)行改性，比較分析復(fù)合結(jié)合劑的力學(xué)性能，并探討改性后復(fù)合結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 制備基礎(chǔ)低溫陶瓷結(jié)合劑粉體

低溫陶瓷結(jié)合劑的原材料及配比如表1所示。將表1中的物質(zhì)按比例稱(chēng)取，混合均勻后置于熔塊爐的坩堝中，經(jīng)高溫完全熔融后，通過(guò)水淬、干燥、球磨并過(guò)63 μm篩網(wǎng)，制得基礎(chǔ)低溫陶瓷結(jié)合劑粉體。

表1 原材料屬性

1.2 制備工藝及流程

基礎(chǔ)低溫陶瓷結(jié)合劑粉體中加入的金屬鋁粉純度為99.5%，其基本顆粒尺寸為48 μm。將金屬鋁粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%和35%分別添加到過(guò)63 μm篩網(wǎng)后的基礎(chǔ)低溫陶瓷結(jié)合劑中，充分混合后，將結(jié)合劑裝入模具，在真空熱壓燒結(jié)爐(型號(hào)為RYZ-2000Z)內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為580.0 ℃，保溫時(shí)間為3.5 min，制備尺寸為50 mm×10 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣條。

1.3 性能檢測(cè)與表征

使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為WDW-50)結(jié)合三點(diǎn)抗彎的方法檢測(cè)試樣抗折強(qiáng)度；采用單臂擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為T(mén)Y-4021A)檢測(cè)試樣抗沖擊性能；采用洛氏硬度計(jì)(型號(hào)為HR-150)檢測(cè)試樣的硬度；利用阿基米德排水法測(cè)試樣的密度；采用金相顯微鏡(型號(hào)為CX40M)和掃描電子顯微鏡(型號(hào)為FEI INSPECT F50)觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)；采用X射線衍射儀(型號(hào)為Brucker D8 Advance)對(duì)試樣物相組成進(jìn)行分析；采用差示掃描量熱儀(型號(hào)為STA 409 PC)對(duì)原材料的熱性能進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 原料及結(jié)合劑的熱性能分析

圖1是原料的DSC(差示掃描量熱儀)圖。從圖1可看出:在664.2 ℃時(shí)，達(dá)到鋁的熔點(diǎn)，金屬鋁由固體變?yōu)槿垠w；在658.6 ℃時(shí)，結(jié)合劑出現(xiàn)明顯的吸熱峰，結(jié)合劑發(fā)生了熔融；在810.7 ℃時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)放熱峰。結(jié)合劑的燒結(jié)溫度設(shè)定在結(jié)合劑熔融溫度的70%～90%，試驗(yàn)燒結(jié)溫度設(shè)定為580.0 ℃。按照試驗(yàn)要求，保溫時(shí)間設(shè)置為3.5 min。

圖1 原料的DSC圖

2.2 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑密度的影響

通過(guò)控制結(jié)合劑中鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑密度的影響，如圖2所示。從圖2可以看出：鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燒結(jié)試樣的密度的影響并不明顯，密度都在2.48 g/cm3左右。

圖2 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑密度的影響

2.3 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑力學(xué)性能的影響

圖3是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度的影響。不添加鋁粉的低溫陶瓷結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度較小，平均抗折強(qiáng)度只有81.89 MPa。隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度先增大后減小。鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到116.32 MPa，比鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的低溫陶瓷結(jié)合劑抗折強(qiáng)度提高了42%。鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，為122.29 MPa，比鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的低溫陶瓷結(jié)合劑抗折強(qiáng)度提高了49%。

圖3 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑抗折強(qiáng)度的影響

圖4是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度的影響。低溫陶瓷結(jié)合劑是硬脆材料，脆性大、韌性小，抗沖擊強(qiáng)度低，平均抗沖擊強(qiáng)度只有2.53 kJ/m2。鋁粉的加入會(huì)改善低溫陶瓷結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度影響不同。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，平均抗沖擊強(qiáng)度為13.01 kJ/m2，比鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的低溫陶瓷結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度提高414%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，平均抗沖擊強(qiáng)度為7.74 kJ/m2，比鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的低溫陶瓷結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度提高206%。

圖4 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑抗沖擊強(qiáng)度的影響

圖5是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑硬度的影響。從圖5可知：隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，結(jié)合劑的硬度整體呈下降趨勢(shì)。鋁金屬較柔軟，硬度較小，低溫陶瓷結(jié)合劑的硬度較大。由圖2可知：鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)結(jié)合劑密度較大，金屬和陶瓷結(jié)合劑結(jié)合較緊密。因此，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，結(jié)合劑的硬度略微增大，隨鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加后，結(jié)合劑的硬度又不斷降低。

圖5 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑硬度的影響

2.4 結(jié)合劑的XRD分析

圖6為不同鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的結(jié)合劑的X射線衍射圖。從圖6可以看出：隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，結(jié)合劑中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。

圖6 結(jié)合劑的XRD圖

2.5 鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖7是不同鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的結(jié)合劑的金相圖。圖7的金相圖主要有3部分：白色亮區(qū)是金屬鋁，黑色暗區(qū)是試樣表面的坑，灰色部分是低溫陶瓷結(jié)合劑。圖7a是低溫陶瓷結(jié)合劑，試樣表面的黑坑較小，且分布零散，這些小的黑坑相較于其他的含鋁的金相圖顏色較淺，故分析為試樣內(nèi)部的孔洞。圖7b～圖7h中，試樣表面的黑坑較大，且顏色深，這是較為柔軟的鋁顆粒在拋光過(guò)程中被磨掉所致。

從圖7可知：金屬鋁粉顆粒在低溫陶瓷結(jié)合劑中較分散，分布均勻，并且能夠以金屬鋁的形態(tài)存在，鋁粉顆粒在低溫陶瓷結(jié)合劑中起到了顆粒增韌的作用[13]。

a 0 b 5% c 10% d 15% e 20% f 25% g 30% h 35%圖7 結(jié)合劑的金相圖Fig.7Metallographicimagesofbond

圖8是不同鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)合劑的SEM圖。圖8a是低溫陶瓷結(jié)合劑的SEM圖。從圖8a中可以看出：低溫陶瓷結(jié)合劑斷面較光滑平整，表面無(wú)附著物。圖8c中金屬相與低溫陶瓷結(jié)合劑之間沒(méi)有明顯界限，兩相結(jié)合狀況良好，結(jié)合劑斷面不平，斷面的鋁顆粒凸出明顯，并且鋁顆粒的表面附著有殘留物，說(shuō)明金屬鋁增強(qiáng)了結(jié)合劑的斷裂韌性。

從圖8b、圖8d中可以看出：鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的結(jié)合劑的孔洞較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的多。金屬鋁的熱膨脹系數(shù)(23.5×10-6/K)與低溫陶瓷結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)(6×10-6/K)的差別較大，結(jié)合劑中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，導(dǎo)致低溫陶瓷結(jié)合劑的組織不均，降低了結(jié)合劑的抗沖擊強(qiáng)度。

a 0 b 20% c 25% d 30%圖8 結(jié)合劑的SEM圖Fig.8SEMimagesofthebond

圖9是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)結(jié)合劑的SEM圖和低溫陶瓷結(jié)合劑界面處的EDS能譜圖。其中，圖9a是結(jié)合劑的SEM圖，圖9b是圖9a中沿線條掃描的EDS能譜。圖9中的金屬相和低溫陶瓷結(jié)合劑之間有一個(gè)較寬的過(guò)渡帶，從低溫陶瓷結(jié)合劑過(guò)渡到金屬相的過(guò)程中，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，金屬鋁沒(méi)有與低溫陶瓷結(jié)合劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。金屬鋁粉的添加，抑制了低溫陶瓷結(jié)合劑的析晶和晶體長(zhǎng)大，形成了均質(zhì)玻璃相。從圖9還可看出：金屬相與低溫陶瓷結(jié)合劑兩者互相融合，且結(jié)合情況良好。

3 結(jié)論

采用粉末冶金的方法將鋁粉添加到低溫陶瓷結(jié)合劑中，使用真空熱壓燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，結(jié)合電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、洛氏硬度計(jì)、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀等檢測(cè)方法，探究鋁粉改性低溫陶瓷結(jié)合劑的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)等影響,得出以下結(jié)論：

(1)金屬鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，平均抗折強(qiáng)度達(dá)到116.32 MPa，比純低溫陶瓷結(jié)合劑抗折強(qiáng)度提高了42%；平均抗沖擊強(qiáng)度為13.01 kJ/m2，比純低溫陶瓷結(jié)合劑的提高414%。

(2)鋁粉的添加對(duì)結(jié)合劑的密度影響不明顯，但隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,結(jié)合劑的硬度整體呈下降趨勢(shì)。

(3)鋁粉顆粒在低溫陶瓷結(jié)合劑中均勻分散，并且能夠以金屬鋁的形態(tài)存在，分散性較好，具有顆粒增韌的作用。

(4)結(jié)合劑中金屬相和低溫陶瓷結(jié)合劑的界面處發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，形成過(guò)渡帶，兩者互相融合，且結(jié)合情況良好。