TiH2對Cu60Zn40合金結合劑結構和性能的影響*

韓 平， 劉恒源， 徐三魁， 黃 威， 徐天兵

(1. 河南工業大學 材料科學與工程學院, 鄭州 450001) (2. 連云港市沃鑫高新材料有限公司, 江蘇 連云港 222300)

硬質合金由難熔金屬的碳化物和黏結金屬組成，在高溫下能保持高硬度和耐磨性，被廣泛應用在數控刀具材料中。一般使用樹脂結合劑或金屬結合劑金剛石磨具加工硬質合金。相對于樹脂結合劑磨具，金屬結合劑磨具磨削的工件能實現同等水平的尺寸一致性，可獲得更低的表面粗糙度和更高的磨削比[1]。

金屬結合劑具有結合強度高、成形性好以及導熱性好等優點[2]。應用最普遍的金屬結合劑是銅基結合劑，包括青銅結合劑和黃銅結合劑[2]。為使銅基結合劑具有較好的結合性能，通常加入一定量的鈦。鈦可以增加銅基結合劑對金剛石的把持力，強化銅基結合劑的力學性能[3]。不過，由于金屬結合劑自銳性較差，用其制造的磨具在使用過程中鋒利性差，需要多次修整。研究者往往通過提高結合劑脆性，加入非金屬粉末和造孔劑進行改善。廖翠姣[4]在金屬結合劑中添加TiH2，結合劑的斷口形貌從以韌性斷裂為主變成完全脆性斷裂，提高了磨具的自銳性。隨著磨具脆性和孔隙率的增加，結合劑的力學性能和對超硬材料的把持力下降[5]。如何提高金屬結合劑的自銳性而不降低其力學性能，同時保證結合劑對磨料的把持力，將成為金屬結合劑的研究重點。

Cu60Zn40合金具有較高的強度和脆性，是較好的金屬結合劑[6]。TiH2加熱分解成鈦和氫氣，氫氣在燒結過程還原氧化物促進燒結，活性的鈦既能強化金屬[7]，還可以與超硬材料化學結合提高結合劑的把持能力，而且TiH2分解后形成孔隙，可以提高磨具的鋒利性。因此，以Cu60Zn40合金粉末為原料，以TiH2為添加物，研究TiH2的體積分數與燒結溫度對Cu60Zn40結合劑力學性能與微觀結構的影響規律。通過對比試驗，研究TiH2加入Cu60Zn40結合劑后對金剛石磨具磨削硬質合金性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

主要原料：氫化鈦(工業級，上海三聯粉末冶金有限公司)，Cu60Zn40合金粉(工業級，漯河市華通冶金粉末有限責任公司)，金剛石(工業級，黃河旋風股份有限公司)。

1.2 主要儀器及設備

真空燒結熱壓機：RY-200Z型，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產；洛氏硬度計：HR-150A型，萊州市蔚儀試驗器械制造有限公司生產；電子式萬能試驗機：WDW-50型，濟南永科試驗儀器有限公司生產；沖擊強度試驗機：TY-4021A型，江蘇天源試驗設備有限公司生產；掃描電子顯微鏡：Inspect F50型，美國FEI公司生產；金相顯微鏡：AXIOSKOP40型，德國蔡司公司生產；高精度多功能密度測試儀(阿基米德原理測定表面氣孔率)：ET-01BE型，北京儀特諾電子科技有限公司生產；立式萬能摩擦磨損試驗機：MMW-1型，濟南普業機電技術有限公司生產。

1.3 金屬結合劑樣品的制備

將TiH2和Cu60Zn40合金粉置于三維混料機中混合均勻，投料，置于石墨模具中熱壓燒結(TiH2的體積分數為0、5%、10%、15%、20%，余量為合金粉)。在不同燒結溫度(520、560、600、640、680 ℃)下制備出10 mm×10 mm×50 mm的結合劑樣條。

1.4 性能測試

用HR-150A型洛氏硬度計測試樣品的硬度；用電子萬能試驗機測定其抗彎強度；用擺錘沖擊試驗機測定其沖擊強度；用立式萬能摩擦磨損試驗機測量其摩擦系數；用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察試樣的物相分析；用高精度多功能密度測試儀(北京儀特諾電子科技有限公司)測量樣品的氣孔率。

1.5 硬質合金磨削測試

制備不同體積分數TiH2的Cu60Zn40結合劑金剛石磨具，金剛石顆粒基本磨粒尺寸為150 μm，體積分數為20%，燒結溫度為680 ℃。在MMW-1型摩擦磨損試驗機上進行試驗，磨削材質為硬質合金Y316。試驗過程加載的試驗力為400 N，轉速為300 r/min，加載速度為2 N/s，磨耗時間為800 s。

2 結果與討論

2.1 燒結溫度和TiH2體積分數對抗彎曲強度的影響

圖1所示為不同燒結溫度和TiH2體積分數下，結合劑抗彎曲強度的變化規律。由圖1可知：在520～680 ℃，樣品抗彎強度隨著燒結溫度的升高而增大；隨著TiH2體積分數增大，樣品抗彎曲強度先增大后緩慢減小，在TiH2體積分數為10%時，抗彎曲強度達到最大值。當燒結溫度為680 ℃，不添加TiH2時，結合劑抗彎強度為225 MPa；TiH2的體積分數10%時，抗彎曲強度最大值為445 MPa，提高97.8%；當TiH2的體積分數20%時，抗彎曲強度為415 MPa，比最大值低6.7%。

圖1 燒結溫度和TiH2體積分數對抗彎曲強度的影響Fig. 1 Effects of sintering temperature and TiH2 volume fraction on flexual strength

2.2 燒結溫度和TiH2體積分數對抗沖擊強度的影響

圖2所示為不同燒結溫度和TiH2體積分數下，結合劑抗沖擊強度的變化規律。由圖2可知：在520～680 ℃，結合劑的抗沖擊強度隨著溫度的升高而增大；隨著TiH2體積分數增大，結合劑的抗沖擊強度先增大后減小；當TiH2的體積分數為10%時，結合劑的抗沖擊強度達到最大值。當燒結溫度為680 ℃時，不添加TiH2結合劑的抗沖擊強度為28.3 kJ/m2，TiH2體積分數為10%時，結合劑的抗沖擊強度達到最大值，為54.3 kJ/m2，增加了91.9%。

圖2 燒結溫度和TiH2體積分數對抗沖擊強度的影響

2.3 燒結溫度和TiH2體積分數對硬度的影響

圖3所示為不同燒結溫度和TiH2體積分數下，結合劑硬度的變化規律。由圖3可知：隨著TiH2體積分數增大，結合劑的硬度先增大后減小；在TiH2體積分數為5%時，硬度達到最大值。以燒結溫度為560 ℃制備的結合劑為例，未加入TiH2時，結合劑的硬度為46 HRB；當TiH2體積分數為5%時，結合劑的硬度增大為88 HRB；當TiH2體積分數為15%時，結合劑的硬度減小；當TiH2體積分數為20%時，結合劑的硬度為76 HRB。

圖3 燒結溫度和TiH2體積分數對硬度的影響

2.4 燒結溫度和TiH2體積分數對表面氣孔率的影響

圖4所示為不同燒結溫度和TiH2體積分數下，結合劑表面氣孔率的變化規律。由圖4可知：在520～680 ℃，結合劑的表面氣孔率受溫度的影響較小；結合劑的表面氣孔率隨著TiH2體積分數的增大而增大；當燒結溫度為680 ℃，TiH2體積分數為20%時，結合劑的表面氣孔率達到最大值，為6.2%。

圖4 溫度和TiH2體積分數對表面氣孔率的影響

2.5 TiH2體積分數對微觀結構的影響

圖5是添加不同體積分數TiH2的結合劑在燒結溫度為680 ℃時的金相照片。黃色為Cu60Zn40相，灰白色為Ti[6]。在TiH2體積分數較低時，黃色物相較多，隨著TiH2體積分數增大，灰白色物相增多。在Ti周圍的黑點和黑色線條狀圖形為TiH2分解后產生的氣孔。隨著TiH2體積分數不斷增大，灰白色Ti在Cu60Zn40相中分布面積變大，同時產生的黑色點狀和條形狀氣孔增多，這些氣孔不是均勻分布在結合劑之中。添加TiH2具有活化燒結作用，Cu60Zn40結合劑的力學性能會因此提高；但是TiH2體積分數增大，結合劑的氣孔體積分數也隨之增大，會導致結合劑的力學性能下降。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%(e)20%圖5 不同體積分數的TiH2下的Cu60Zn40金相照片 Fig. 5 Metallography of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

圖6是不同體積分數的TiH2下的金屬結合劑斷口形貌。從圖6可以看出：斷口表面有大塊的層狀區域和分散的粒狀區域，斷口形貌說明結合劑均為脆性斷裂。

(a)5%(b)20%圖6 不同體積分數的TiH2下的Cu60Zn40斷口形貌 Fig. 6 Fracture morphologies of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

隨著TiH2體積分數的增大，斷面處顆粒區域不斷增多，斷裂面的微孔數目也相應增加，這些微孔的形狀多以無規則形狀被結合劑包裹存在于晶界處。其原因是：在真空熱壓燒結過程中，TiH2分解產生氫氣，增大金屬結合劑的氣孔率，同時TiH2的加入能起到活化燒結作用，但過量TiH2的分解，氣孔率增多，導致合金力學性能下降。

2.6 TiH2體積分數對結合劑磨具微觀結構的影響

圖7是添加不同體積分數的TiH2所制成的金剛石磨具斷面，燒結溫度為680 ℃。從圖7可以看出：當TiH2體積分數為5%時，金屬結合劑對金剛石包裹性好，結合劑與金剛石鑲嵌緊密，金剛石周圍沒有觀察到明顯縫隙。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%圖7 不同體積分數的TiH2下的Cu60Zn40磨具斷口掃描電鏡圖 Fig. 7 SEM fracture morphologies of Cu60Zn40 abrasives with different TiH2 volume fractions

圖8a為圖7b中直線處EDS能譜，圖8b為圖7d中直線處EDS能譜。從圖8可以看出：在結合劑與金剛石界面處Cu、Zn等2種元素擴散較少。觀察圖8a中60 μm和220 μm附近和圖8b中50 μm和200 μm附近，可以看出：Ti元素主要富集在結合劑與金剛石界面位置。

(a)圖7b線掃描EDS能譜EDS spectrum of line scanning in Fig. 7b(b)圖7d線掃描EDS能譜EDS spectrum of line scanning in Fig. 7d圖8 線掃描EDS能譜 Fig. 8 EDS spectrum of line scanning

2.7 TiH2體積分數對磨削性能的影響

表1是Cu60Zn40結合劑金剛石磨具磨削試驗數據。不添加TiH2時，磨耗比為28.50；添加TiH2后，磨具的磨削比均有提高。當TiH2的體積分數為10%時，磨耗比達到最大值61.67。這說明TiH2增強了結合劑的自銳性和把持力，提高了Cu60Zn40結合劑金剛石磨具的磨削性能。

表 1 磨削試驗數據

圖9為添加不同體積分數的TiH2時磨具磨削硬質合金后工件表面形貌。由圖9a可以看出：不添加TiH2時，工件表面有明顯的燒傷劃痕，并且局部燒傷嚴重，工件表面被燒傷為黑紫色。由圖9b可以看出：TiH2的體積分數為10%時，磨具磨削硬質合金表面燒傷情況減少。未添加TiH2時，金屬結合劑磨具表面氣孔率低，容屑和冷卻效果差，導致磨削溫度高，燒傷工件。添加TiH2后，金屬結合劑磨具表面氣孔率高，容屑和冷卻效果較好，工件沒有燒傷現象。

(a)0(b)10%圖9 不同體積分數的TiH2金剛石磨具磨削工件表面形貌 Fig. 9 Surface topographies of workpiece after grinding diamond wheel with different TiH2 volume fractions

3 結論

(1)TiH2對Cu60Zn40結合劑有增韌強化作用。當燒結溫度為680 ℃，TiH2體積分數從0增大到10%時，抗彎曲強度從225 MPa提高到445 MPa，抗沖擊強度從28.3 kJ/m2提高到54.3 kJ/m2。當燒結溫度為560 ℃，體積分數從0增大到5%時，硬度由46 HRB提高到88 HRB。表面氣孔率隨著TiH2體積分數的增大而增大，TiH2體積分數為20%時，表面氣孔率為6.2%。

(2)TiH2起到活化燒結作用，提高了Cu60Zn40的力學性能。

(3)TiH2提高了Cu60Zn40結合劑金剛石磨具磨削性能，TiH2體積分數從0增大到10%時，磨耗比由28.50提高到61.67，同時減少了工件表面燒傷。