NaCl對自蔓延制備多孔金屬結合劑的影響

謝高賞, 何 方, 于展翔

(河南工業大學 材料科學與工程學院,河南 鄭州 450001)

金屬結合劑金剛石磨具在光學玻璃、寶石、硬質合金等硬脆材料中有著廣泛應用[1-2],具有耐磨性好、耐溫導熱性能好、使用壽命長和形狀保持性好等優點[3-4]。不同體系的金屬結合劑應用于不同的場合,與陶瓷和樹脂結合劑砂輪相比較,金屬結合劑砂輪沒有氣孔,結合強度較高,自銳性相對較差,所以金屬結合劑砂輪的修銳是一個大問題[5-7]。為了使金屬結合劑有更好的自銳性,通常模仿陶瓷結合劑中的孔隙結構,通過添加一定量的造孔劑[8-10],改善金屬結合劑的性能和孔隙結構,從而解決本身缺陷。

關于多孔金屬結合劑金剛石磨具造孔的研究,早在20世紀90年代,日本研究人員Tanaka[11]就提出了多孔金屬結合劑金剛石砂輪PMBDW(Porous Metal-Bonded Diamond Wheel),在金屬結合劑磨具中引入陶瓷結合劑的氣孔結構,以獲得磨料易出刃、磨削效率高、易修整和使用簡便等特點。而NiAl金屬間化合物[12-14]由于其典型的晶體結構(體心立方晶格),同時具有金屬材料的韌性和陶瓷材料的高溫特性,在宏觀上表現為硬脆性,所以反應后的NiAl可以作為耐磨材料應用于多孔金屬結合劑磨具上[15]。Zhang等[16]提出了一種基于選擇性激光熔化的方法,利用SLM技術動態調控不同工況下內部氣孔的數目和形狀,設計制備出兩種類型的氣孔結構,并對其進行力學性能測試和有限元模擬。結果表明:該工藝可以有效提高樣品的氣孔率,從而制備出高氣孔率高強度的砂輪。Zhao等[17]以氧化鋁空心球為造孔劑,制備了高強度、高氣孔率的多孔金屬結合劑cBN砂輪。結果表明:該多孔cBN砂輪的孔結構和氣孔率都是可控制的,且磨削效果較好,可以獲得較高的材料去除率和較低的磨削表面硬度。總之,添加造孔劑對金屬結合劑性能有著至關重要的作用。

以Ni、Al金屬粉末的混合粉末作為原料,添加NaCl作為造孔劑,利用真空熱壓燒結法制備鎳鋁基多孔金屬結合劑,研究不同的NaCl含量下對鎳鋁基金屬結合劑的抗折強度、硬度、氣孔率、顯微結構及金屬結合劑金剛石樣品抗折強度和顯微結構的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料選用

鎳粉(30～53 μm,純度99.9%)、鋁粉(30～53 μm,純度99.9%)、銅粉(30～53 μm,純度99.9%)、錫粉(30～53 μm,純度99.9%)、氯化鈉,所有試劑都是分析級的,不經過純化就可以使用。

1.2 樣品制備

混料是制備過程中非常重要的一步,混合后金屬結合劑中各組分分布是否均勻,將直接影響后續壓制成型的多孔金屬結合劑力學性能。將Cu粉和Al、Ni、Cr粉按照實驗出的最優比例在混料機中混合均勻,分別添加體積分數為0%、5%、10%、15%、20%的NaCl造孔劑進行混合。將混合好的粉末倒入模具中,使用液壓機壓制成30 mm×6 mm×6 mm的樣條。自蔓延燒結前,應先通入氬氣,然后打開電源,開始加熱樣品。當樣品一端被點燃時,應立即停止加熱,待反應結束并冷卻后關閉氬氣。圖1為自蔓延反應的示意圖。

圖1 樣品自蔓延反應的示意圖

1.3 表征

斷面形貌:采用金相顯微鏡對樣品斷面形貌進行觀察。

抗折強度:按照GB/T 9341—2008測試,用三點彎曲法測試樣品抗折強度,取其平均值。

氣孔率:利用阿基米德排水法原理來測樣品的氣孔率,測試五組樣品取平均值。

洛氏硬度:使用型號HR-150的洛氏硬度計測樣品洛氏硬度,測試五次取平均值。

SEM分析:采用型號為Inspect F50的掃描電子顯微鏡觀察樣品斷面微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 不同組分樣品反應后的形狀結構分析

由圖2和圖3可以看出,在樣品中添加NaCl后,不同結合劑的基礎配方經過自蔓延反應后樣品的斷面形貌差異較大。對比圖2而言,圖3(a～d)中可以看出,在40%(體積分數)的Cu 85 Sn 15為基礎結合劑的樣品中添加不同含量的NaCl都會出現較大的氣孔結構,這可能是因為添加Sn粉的樣品的引燃時間非常慢,比不添加Sn粉的樣品引燃時間長2～3倍時間,較長時間的加熱會使液相Sn包裹住NaCl顆粒,使熔融狀態的NaCl流動時間變長,造成更多的氣孔結構,引起骨架移動,所以在宏觀結構上就可以清楚地看到斷面形貌上的氣孔。因此,在后續實驗中采用30% (體積分數)的Cu作為基礎結合劑,添加的Ni和Al摩爾比為1∶1,并在此基礎上添加不同含量的NaCl,探究NaCl對金屬結合劑的性能和微觀結構的影響。

圖2 體積分數5%的NaCl的金屬結合劑(體積分數30%的Cu添加量)斷面形貌圖

圖3 不同含量NaCl的金屬結合劑(體積分數40%的Cu 85 Sn 15添加量)斷面形貌圖

2.2 NaCl造孔劑對金屬結合劑抗折強度的影響

由圖4可以看出,在使用模具固定時不添加NaCl的金屬結合劑抗折強度較高,平均抗折強度達到了305 MPa。隨著NaCl含量的增加,樣品的抗折強度出現了遞減的變化規律,當NaCl體積分數為20%時抗折強度達到了最小值,其值為117.2 MPa,比NaCl體積分數為0%時的金屬結合劑抗折強度降低了61.6%。當不使用模具固定時,樣品的抗折強度也發生了相似的變化,抗折強度普遍呈現遞減的變化規律,且減小趨勢相對穩定。從抗折強度的變化規律可以看出,使用模具固定時,加入NaCl造孔劑的金屬結合劑抗折強度都大于沒有使用模具固定的金屬結合劑。這是可能是因為Ni和Al摩爾比為1∶1時,其自蔓延反應燃燒溫度高達1 613℃,由于自蔓延反應所引起的瞬時溫度遠高于NaCl的熔點,使NaCl發生了熔化,會導致骨架移動,樣品形狀結構輕微變形。而使用模具加以固定時,樣品中液相流動時不會引起骨架移動而失去穩定性坍塌,從而保持了樣品本身的形狀結構,因此使用模具固定的金屬結合劑抗折強度大于未使用模具固定的抗折強度。此外,隨著NaCl含量的增加,兩者抗折強度的差值逐漸減小,這是由于NaCl含量較高時,雖然自蔓延反應更加平緩,但熔融狀態的NaCl會因為重力作用流動到樣品底部。其次結合劑對金剛石主要是機械鑲嵌力,NaCl含量較高時結合劑對金剛石的把持力較弱,因此兩者抗折強度相差不大。

圖4 NaCl含量對金屬結合劑抗折強度的影響

2.3 NaCl造孔劑對金屬結合劑硬度的影響

NaCl含量對金屬結合劑洛氏硬度的影響見圖5。

圖5 NaCl含量對金屬結合劑洛氏硬度的影響

由圖5可以看出,在使用模具固定時不添加NaCl的金屬結合劑洛氏硬度較高,平均洛氏硬度達到了91.7 HRB。隨著NaCl含量的增加,樣品的洛氏硬度出現了遞減的變化規律,當NaCl體積分數為20%時洛氏硬度達到了最小值,其值為60.7 HRB,比NaCl體積分數為0%時的金屬結合劑洛氏硬度降低了33.8%。當不使用模具固定時,樣品的洛氏硬度也發生了相似的變化,洛氏硬度普遍呈現遞減的變化規律,且減小趨勢相對穩定。特別是NaCl體積分數從10%至20%時,兩者硬度基本都保持在一個穩定值,且隨著NaCl含量的增大,其硬度也不會有顯著的變化。這是可能是因為金屬結合劑樣品在含有去離子水的燒杯中溶解處理后,樣品表面和內部會的一部分NaCl會溶解在水中。隨著樣品中NaCl的溶解,樣品表面和內部會形成骨架孔結構。從圖7的SEM圖中可以看出NaCl溶解后的孔隙形貌。當NaCl體積分數增加到20%時,骨架中的孔隙結構也會隨之增多。對于洛氏硬度計而言,這種孔隙的存在會削弱結合劑對鋼球的支撐能力,而鋼球對結合劑的侵入量則會隨之增加。因此,隨著結合劑中的NaCl含量的增加,結合劑的硬度會隨之降低,樣品中NaCl含量的增加會使結合劑表面骨架結構變得更多,但也會有NaCl包裹在金屬結合劑的內部,內部被包裹的NaCl沒有被去離子水溶解。由于NaCl尚未完全溶解,因此在結合劑內部就不會形成孔隙,使NaCl在結合劑中具有一定的強度支撐作用,所以隨著NaCl含量的增加,其硬度不再呈現明顯的下降趨勢。

2.4 NaCl造孔劑對金屬結合劑氣孔率的影響

由圖6可以看出,在使用模具固定時不添加NaCl的金屬結合劑氣孔率較低,平均氣孔率達到了15.3%。隨著NaCl含量的增加,樣品的氣孔率出現了遞增的變化規律,當NaCl體積分數為20%時氣孔率達到了最大值,其值為42%,比NaCl體積分數為0時的金屬結合劑氣孔率提高了174.5%。當不使用模具固定時,樣品的氣孔率也發生了相似的變化,氣孔率普遍呈現遞增的變化規律,且增大趨勢相對穩定。由于NaCl的熔融溫度低于自蔓延反應的燃燒溫度,當樣品被引燃時,NaCl會熔化產生液相,在燒結過程中,液相在粉末之間流動,形成孔隙結構。但是,在反應完成后,需要用去離子水溶解NaCl,才能更好地在樣品中留下孔隙。隨著NaCl含量的增加,孔隙之間會形成更多的通孔,去離子水也能完全滲透到樣品中,使結合劑中的NaCl幾乎完全溶解,因此當NaCl體積分數為5%時,樣品孔隙率的增加更為明顯,反而隨著NaCl含量的不斷增加,樣品氣孔率的增加變慢。通常所用的造孔劑在水或磨削液中的溶解度高會使所制備的多孔金屬結合劑金剛石磨具在磨削過程中表現更好。這是因為在磨削過程中,水或磨削液會將磨具表面的造孔劑溶解,從而在切削層表面為切屑留下更多的空間。由此形成的孔隙更有利于磨具具有良好的自銳性、排出磨削液、降低磨削表面溫度,從而避免燒傷工件表面。

圖6 NaCl含量對金屬結合劑氣孔率的影響

2.5 NaCl造孔劑對金屬結合劑磨具性能的影響

表1和表2分別為是否使用模具固定的情況下,結合劑中金剛石濃度為75%時添加不同含量NaCl對金屬結合劑金剛石磨具的抗折強度和強度損失率的影響規律。由表1可以看出,在使用模具固定時不添加NaCl的金屬結合劑強度損失率較低,強度損失率達到了27.5%。隨著NaCl含量的增加,樣品的強度損失率出現了遞增的變化規律,當NaCl體積分數為20%時強度損失率達到了最大值,其值為49.8%。當不使用模具固定時,樣品的強度損失率也發生了相似的變化,強度損失率普遍呈現遞增的變化規律,表明金屬結合劑對金剛石的把持力也隨著NaCl含量的增加而逐漸減弱。在添加NaCl后,金剛石與NaCl顆粒之間會出現直接的界面接觸。如圖7所示,當造孔劑與金剛石之間存在直接的界面接觸時,造孔劑溶于水后,會在結合劑的內部形成較大的孔隙結構。同時,造孔劑對金剛石沒有機械鑲嵌力或化學結合力,這也降低了結合劑對金剛石的把持力,增大了強度損失率。然而,形成的孔隙可以發揮出容屑和排液的作用,在加入適量的造孔劑時,可使磨具有一定的孔隙率,并在磨削過程中起到容屑、排液的作用。

表1 多孔金屬結合劑金剛石樣品抗折強度損失率(使用模具固定)

表2 多孔金屬結合劑金剛石樣品抗折強度損失率(未使用模具固定)

圖7 不同NaCl含量金屬結合劑掃描電鏡圖

2.6 不同含量NaCl造孔劑的金屬結合劑掃描電鏡分析

由圖7可以看出,是否使用模具固定制備的樣品都存在著一定的氣孔,且隨著NaCl含量的增加,樣品斷面處的微孔數目也在增加。當NaCl體積分數為5%時,氣孔率較低,是否使用模具固定的樣品氣孔分布都不均勻且形狀不規則,隨著NaCl含量的增加,兩者氣孔率都升高。當NaCl體積分數為20%時,對比圖7(c)而言,圖7(d)中可以看出,使用模具固定的樣品氣孔分布均勻,氣孔形狀更加規則,且氣孔尺寸變小。這可能是因為添加NaCl造孔劑的樣品在使用模具固定時,由于內部受到了外部的壓力,所以會使形變量變得很小。在自蔓延反應過程中,會伴隨著NaCl被液態金屬逐漸包裹,在燒結體水煮后,由于連接的氣孔數量較少,所形成的氣孔就會被隔離的存在于結合劑內部。而不使用模具固定的樣品,因為內部不會受到來自外部模具給予的壓力,在自蔓延反應時,熔融后的NaCl會更無規則的流動,所以也會出現圖7(c)中大氣孔和小氣孔,并且圖7(c)中大孔數目明顯高于圖7(a)中的數目,這表明樣品生坯中的造孔劑的含量越高,最終燒結體中的大孔的數目越多。此外,大孔的孔壁上也有一些小孔,這也極大地提高了氣孔率。

2.7 不同含量NaCl造孔劑的金屬結合劑金剛石磨具掃描電鏡分析

由圖8可以看出,在氣孔周圍孔壁光滑的地方是金剛石掉落的地方,而氣孔周圍一些不平整的地方則是加入了造孔劑進行自蔓延反應,再用去離子水處理后形成的氣孔結構。加入NaCl后,大部分氣孔近似為球形結構,當未使用模具固定時,金屬結合劑金剛石斷面處的微細裂紋會增加。圖8(a)和圖8(b)為NaCl體積分數為5%的樣品經去離子水處理后,NaCl與金剛石直接接觸后的金剛石與金屬結合劑的結合情況圖。在NaCl溶于水后,金剛石與金屬結合劑的結合面積減少。溶解NaCl后,金屬結合劑對金剛石的把持力也降低,這與表1和表2中的金屬結合劑金剛石磨具的強度損失率相一致。因此,當可溶性造孔劑含量增加時,金剛石與造孔劑的接觸面積增大,會導致多孔金屬結合劑金剛石磨具的強度大幅度降低。當NaCl體積分數為20%時,對比圖8(c)而言,圖8(d)中可以看出,使用模具固定的金屬結合劑與金剛石結合情況良好,沒有明顯孔隙,但未使用模具固定的金屬結合劑與金剛石的界面處孔隙較大較寬,且氣孔更多地分布在金剛石磨粒周圍。因此,結合表1和表2可知,在金剛石不與氣孔直接接觸的情況下,金屬結合劑能更好地包裹金剛石,樣品的力學性能也能更佳。

圖8 不同NaCl含量金屬結合劑金剛石掃描電鏡圖

3 結論

本論文的實驗主要研究了不同含量的可溶性造孔劑NaCl對Ni-Al自蔓延反應制備多孔金屬結合劑的抗折強度、硬度、氣孔率、顯微結構及金屬結合劑金剛石樣品抗折強度和顯微結構的影響,得出如下結論:

(1)添加NaCl造孔劑后的金屬結合劑抗折強度和硬度有所下降,氣孔率增加。當添加體積分數為5%的NaCl時,使用模具固定制備的樣品抗折強度和硬度分別為262.2 MPa和74.1 HRB均高于不使用模具固定的樣品(214.6 MPa和61.3 HRB),但是否使用模具固定對金屬結合劑的氣孔率影響差別不大。

(2)添加NaCl造孔劑時,是否使用模具固定會影響金屬結合劑中氣孔分布和形狀。當NaCl體積分數為5%時,氣孔率較低,是否使用模具固定的樣品氣孔分布都不均勻且形狀不規則。當NaCl體積分數為20%時,使用模具固定的樣品氣孔分布均勻,氣孔形狀更加規則,且氣孔尺寸變小。

(3)添加NaCl造孔劑后,使用模具固定的金屬結合劑金剛石磨具抗折強度從221 MPa降低到58.8 MPa。而加入NaCl后,金剛石磨具大部分氣孔近似為球形結構,但未使用模具固定時,其斷面處的微細裂紋會增加。