TiH2的加入對Cu3Sn金屬間化合物金剛石砂輪磨削性能的影響

摘要 為進一步提升Cu3Sn金屬間化合物金剛石砂輪的鋒利度和保形性，制備不同TiH2加入量的Cu3Sn金屬間化合物球磨粉末、金剛石磨塊及砂輪。通過對微觀形貌、氧含量、物相組成、熱效應、力學性能等進行測試和分析，探究TiH2對Cu3Sn金屬間化合物金剛石砂輪磨削性能的影響。研究結果表明：TiH2對Cu3Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，促進粉末燒結。當TiH2的質量分數為2.0%時，氧質量分數從0.67%降低到最小值0.51%。TiH2能夠提高胎體對金剛石的把持力，可提高試樣的抗彎強度和硬度：當TiH2的質量分數為1.5%時，抗彎強度達到最大值80.74 MPa；當TiH2的質量分數為2.0%時，洛氏硬度達到最大值109.88 HRB；當TiH2的加入量繼續增大時，抗彎強度和硬度反而下降。TiH2可提升砂輪的磨削性能，磨削YG8硬質合金時，加入質量分數為2.0%的TiH2使金剛石砂輪最快進給速率從0.020 mm/次提升到0.035 mm/次，磨削比從51.09提升到最大值172.03。

關鍵詞 TiH2；金屬間化合物；力學性能；磨削比

中圖分類號 TG74 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2025）01-0012-09

硬質合金是一種以碳化鎢（WC）為主要成分，以鈷（Co）為黏結劑，通過粉末冶金工藝制成的合金材料。硬質合金具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性和良好的耐高溫性能，被廣泛應用于地質、航天、電子、汽車等領域[1-3]，用于制備切削工具、鉆削工具、模具和結構零件等[4]。較高的硬度是硬質合金在應用上的優勢，但也使其加工難度變大。因此，對于硬質合金的磨削加工，需要使用硬度更大的金剛石作為磨料。金屬結合劑金剛石砂輪具有結合強度高、導熱性好、使用壽命長等優點，但其自銳性較差，導致加工時磨削阻力較大，可能造成工件燒傷[5-6]。陶瓷結合劑金剛石砂輪的鋒利度高、磨削溫度低、剛性好，但陶瓷結合劑對金剛石的把持力較低，使其保形性不足，砂輪消耗較快[7-8]。金屬間化合物同時含有金屬鍵和共價鍵，兼具金屬和陶瓷的特點，可以通過調整其成分配比使金剛石砂輪具有合適的鋒利度和保形性，已有部分報道[9-10]將其作為結合劑制備金剛石砂輪。

隨著企業對降本增效的要求日益增長，金剛石砂輪需要具有更長的使用壽命和更高的加工效率。盡管金屬間化合物結合劑金剛石砂輪的綜合性能優于傳統金屬或陶瓷結合劑金剛石砂輪，但其在加工硬質合金時，仍可能出現鋒利度或保形性不足的問題。關于如何進一步提高金屬間化合物結合劑金剛石砂輪的磨削性能，相關研究較少。TiH2是一種灰色粉末，屬于金屬氫化物，脆性較大易破碎，化學性質較穩定。TiH2在材料制備中的應用較廣，例如可作為發泡劑用于粉末冶金法和熔體發泡法制備泡沫鋁[11]；作為低成本的原料用于制備鈦基復合材料[12]；作為造孔劑加入CuZn金屬結合劑中，以提升結合劑的力學性能，并且利用其反應產生H2造孔，利用生成的TiC提升金剛石磨具加工Y316硬質合金的磨削性能[13]。上述作用的原理是當達到一定溫度時，TiH2會分解生成TiHx，后者繼續分解生成Ti，并釋放H2[14-15]。

本實驗設計將不同含量的TiH2加入Cu3Sn金屬間化合物中并進行球磨處理，得到Cu3Sn/TiH2球磨粉末，并將其作為結合劑用于制備金剛石磨塊及砂輪。在燒結過程中，TiH2分解產生的Ti與金剛石發生反應生成TiC，建立結合劑與金剛石之間的化學結合，以此提升結合劑對金剛石的把持力，提升砂輪的保形性。同時，更強的把持力可使金剛石有更大的出刃高度，從而提高砂輪的鋒利度。本實驗研究了TiH2的加入對球磨粉末和金剛石磨塊性能的影響；使用制備的金剛石砂輪磨削硬質合金，進一步分析了TiH2的加入對金剛石砂輪鋒利度和保形性的影響及其機理。

1實驗部分

1.1試劑與儀器

表1為本實驗使用的主要試劑，表2為本實驗使用的主要儀器。

1.2實驗方法

1.2.1 Cu3Sn/TiH2球磨粉末制備

按照表3所示的原料比例分別稱取Cu3Sn和TiH2，以5∶1的球料比稱取硬質合金磨球，加入球磨罐中；向其中緩慢加入無水乙醇，待粉末內氣體逸出，保持液面距離罐體上邊緣1 cm；將球磨罐安裝在行星式球磨機上，設置轉速為200 r/min、球磨時間為12 h；取出混合粉末，置于電熱恒溫烘箱中，在50℃下烘干至乙醇揮發完全；將得到的粉末過150目篩（孔徑約106μm），取少量樣品用于表征，余下稱重備用。

1.2.2結合劑原料配制

稱取上一步得到的球磨粉末，按照表3所示比例計算所需石墨和金剛石的質量。稱取石墨加入Cu3Sn/TiH2球磨粉末，過150目篩以使粉末混合分散均勻，最后加入金剛石。將配制好的原料置于瓶中，并固定在三維混料機上，混合4h后取出備用。

1.2.3金剛石磨塊及砂輪制備

稱取10 g上述混合原料粉末裝入模具中，使用四柱液壓機在200 MPa壓力下冷壓10 s。隨后將其放入馬弗爐中燒結，溫度為520℃，時間為80 min，氣氛為N2。燒結后快速取出進行熱壓，壓力與冷壓一致，時間為2 min。熱壓完成后，脫模取出金剛石磨塊，在空氣中冷卻至室溫。金剛石磨塊的尺寸為25 mm×10 mm×10 mm，研磨拋光后用于測試表征。

稱取450 g原料粉末裝入模具中，制備方法及其他參數與制備金剛石磨塊時相同，得到尺寸為φ200 mm×10 mm×10 mm的砂輪環。對其進行平磨處理，以除去表面的氧化層。根據其尺寸加工基體，用膠黏劑將砂輪環固定在基體上。然后經粗車、平磨、精車、外圓磨等工序，得到砂輪成品。通過動平衡和回轉測試后，可用于磨削實驗。

1.2.4材料表征與力學性能測試

使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察粉末的形貌。使用激光粒度分布儀檢測粉末的粒度分布，表征球磨的作用效果。使用X射線衍射儀（XRD）分析粉末的物相組成，靶材為Cu，掃描范圍為10°～80°，掃描速度為5°/min。使用氧氮氫分析儀檢測粉末的氧含量。利用同步熱分析儀（STA）測試得到球磨粉末的差示掃描量熱法（DSC）曲線，判斷燒結過程中的物相變化，測試氣氛為Ar，升溫速率為10℃/min，溫度范圍為30～700℃。使用萬能試驗機，根據三點彎曲法對金剛石磨塊進行抗彎強度測試。利用數顯洛氏硬度計測試金剛石磨塊的洛氏硬度，總試驗力為980 N，壓頭類型為鋼球。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析金剛石表面的化學狀態，儀器功率為100 W，測試范圍為400～4 000 cm?1。利用三維超景深顯微鏡觀察并記錄金剛石磨塊的斷面形貌，統計單位面積上的金剛石數量。

1.2.5磨削性能測試

使用制備的砂輪在臥軸矩臺平面磨床上進行磨削性能測試，砂輪轉速為3 000 r/min。先用SiC陶瓷砂輪開刃，使砂輪工作面的金剛石有合適的出露高度。粗磨單次進給量設置為0.02 mm，共100次；精磨單次進給量設置為0.01 mm，共5次。

首先，測試最快進給速率。使用硬質合金（牌號：YG8，尺寸：100 mm×50 mm×10 mm）作為加工工件，設置粗磨單次進給量為0.020 mm，共20次；精磨單次進給量為0.005 mm，共5次。若加工時磨削力適中且聲音正常，則通過測試。增大粗磨單次進給量為0.025 mm，保持其他參數相同，再次進行測試。若通過，繼續增大粗磨單次進給量進行測試。記錄磨削聲音變大或出現火花時的粗磨單次進給量，即為最快進給速率。

其次，測試磨削比。設置粗磨單次進給量為0.015 mm，共132次；精磨單次進給量為0.005 mm，共4次，總進給量為2 mm。分別記錄硬質合金板材磨削前后的厚度，計算其變化值，測量硬質合金被磨削面的表面光潔度。根據砂輪以及硬質合金的尺寸參數，計算得到各自在磨削過程中體積的變化量，磨削比G和磨耗比Φ的計算公式為：

式中：V1為硬質合金體積變化值，V2為砂輪體積變化值。

2結果與討論

2.1 TiH2的加入對Cu3Sn球磨粉末的影響

球磨后Cu3Sn+1.5%TiH2的微觀形貌如圖1所示，粉末大部分為不規則的碎片狀，有一定程度的團聚現象。

圖2所示為加入不同質量分數TiH2的Cu3Sn結合劑粉末球磨后的粒徑（D50）。由圖2可知，Cu3Sn結合劑粉末粒徑由球磨之前的9.394μm下降到3.156～3.433μm。在球磨過程中，Cu3Sn顆粒與硬質合金小球、筒壁之間發生碰撞沖擊和研磨，使前者發生塑性變形，進而破碎和細化。

圖3為本實驗所用TiH2粉末單獨球磨前后的XRD圖譜，可見其主要成分為TiH1.924。球磨處理12h后，粉末的物相組成沒有明顯變化，而衍射峰強度下降，同時有寬化現象。這是由于球磨過程中，TiH2在磨球的碰撞沖擊下，晶粒細化、晶格發生畸變[15-16]。

在球磨過程中，隨著顆粒的細化，粉末比表面積逐漸增大、表面能逐漸增大，所以粉末的吸附能力變強，反應活性變高。作為球磨介質的無水乙醇以及球磨罐內的空氣都可能作為氧的來源，與Cu3Sn粉末反應使其發生氧化，導致氧含量升高。然而，對于粉末冶金法制備的金屬結合劑金剛石砂輪，粉末氧含量的增加會影響燒結過程中的致密化，降低砂輪的力學性能[17]，影響其磨削性能。

圖4所示為加入不同質量分數TiH2的Cu3Sn以及純TiH2粉末球磨后的氧含量。由圖4可知：Cu3Sn單獨球磨后，氧質量分數從0.25%增大到0.67%；TiH2單獨球磨后，氧質量分數從0.49%增大到3.56%；對于Cu3Sn/TiH2混合粉末，隨著TiH2的質量分數從0增大到2.5%，混合粉末的氧含量遞減，當加入TiH2質量分數為2.0%時，氧質量分數達到最小值0.51%。

Cu3Sn/TiH2混合粉末在球磨時，TiH2粉末顆粒也不斷細化，比表面積增大，本身反應活性增強；同時，在球磨產生的高溫和碰撞下，部分TiH2分解產生活性[Ti]以及析出H2，上述物質和O元素可能有2種作用方式：一是與混合體系中預先存在的氧化物以及乙醇反應，二是直接與粉末間隙中的O2分子反應。TiH2比Cu3Sn更活潑，所以先與氧反應，消耗一部分氧從而抑制Cu3Sn的氧化。2種作用方式都減小了體系的氧含量，起到了防止增氧的作用，有利于后續的粉末燒結。

對本實驗所用Cu3Sn/TiH2混合球磨粉末在Ar氣氛中進行DSC分析。如圖5所示，TiH2質量分數為1.5%和2.5%的樣品在474.5～517.8℃范圍內均有1個吸熱峰，而純Cu3Sn樣品未見此峰，對比純TiH2球磨后的DSC曲線，該吸熱峰對應TiH2的分解反應[15]。

2.2 TiH2的加入對Cu3Sn金剛石磨塊性能的影響

抗彎強度和硬度通常被用于衡量磨具的力學性能，TiH2對金剛石磨塊抗彎強度和洛氏硬度的影響如圖6所示。圖6a顯示了TiH2對金剛石磨塊抗彎強度的影響。未加入TiH2時，其抗彎強度為78.30 MPa。當TiH2的質量分數為0.5%時，抗彎強度降低至74.69 MPa。隨著加入量的增大（0.5%～1.5%），抗彎強度開始逐步升高，質量分數為1.5%時有最高值80.74 MPa。加入量繼續增大（1.5%～2.5%），抗彎強度又出現下降趨勢。如圖6b所示，金剛石磨塊的洛氏硬度隨TiH2加入量的增大呈現先升高后降低的趨勢。未加入TiH2時，洛氏硬度為108.23 HRB，然后隨TiH2加入量增大而升高。當TiH2的質量分數為2.0%時，達到最高值為109.88 HRB。繼續增大加入量，洛氏硬度反而下降。

為探究TiH2的加入導致抗彎強度和洛氏硬度變化的機理，進行了一系列實驗。

分別將加入2.5%TiH2以及未加入TiH2制備的金剛石磨塊用王水（V濃硝酸∶V濃鹽酸=3∶1）處理，以去除結合劑，測試金剛石的紅外光譜，結果如圖7所示。對于加入2.5%TiH2的樣品，在2 917 cm?1和2 849 cm?1處可見TiC的吸收峰，而對照樣品在此波數未見吸收峰。說明加入了TiH2的樣品在燒結過程中，金剛石表面反應生成了TiC。

使用三維超景深顯微鏡觀察加入不同質量分數TiH2的金剛石磨塊斷面，分別統計每個磨塊左右兩面單位面積的金剛石數量，得到結果如圖8所示。斷面上的金剛石數量與結合劑對金剛石的把持力以及胎體強度有關。TiH2質量分數較低（0.5%～1.0%）時，單位面積金剛石數量隨TiH2含量增大而減小，可能與胎體強度下降有關，斷裂時金剛石隨胎體同時脫落。當TiH2質量分數gt;1.0%時，單位面積金剛石數量隨TiH2加入量的增大而增大，說明結合劑對金剛石把持力逐漸增強。

圖9是金剛石磨塊斷口的SEM圖像。相較于未加入TiH2的對照樣品（圖9a），球磨加入1.0%TiH2后制備的樣品（圖9b）胎體存在更多孔隙，可能是因為TiH2分解產生了氣體，以及高熔點的Ti阻礙了Cu-Sn的擴散，對胎體的燒結致密化有一定影響。

綜合上述表征結果，可以推測TiH2的加入影響金剛石磨塊抗彎強度和硬度的機理如下。

根據文獻[14]報道和2.1給出的DSC曲線（圖5），TiH2在燒結過程中可分解產生高活性[Ti]和H2。一方面，Ti除了對金屬胎體產生固溶強化以外，作為強碳化物形成元素，其可與金剛石表面發生化學反應生成TiC，使結合劑與金剛石之間形成化學結合，提高了結合劑對金剛石的把持力，使抗彎強度和硬度升高。另一方面，TiH2分解析出H2后形成孔隙，以及高熔點組分對Cu-Sn擴散的抑制，增大了金剛石磨塊的氣孔率，使胎體強度有所下降。

磨具的抗彎強度同時受結合劑?金剛石結合強度和胎體自身強度影響，而硬度主要與結合劑對金剛石的把持力有關。由于金剛石對Cu3Sn結合劑是化學惰性的，對于純Cu3Sn結合劑磨塊，金剛石與結合劑之間沒有化學結合，其結合作用只有機械把持力，因此抗彎強度和硬度較低。（1）當TiH2加入量較?。?.5%）時，結合劑與金剛石形成的化學結合強度較弱，提升結合劑對金剛石的把持力的效果較小，硬度有較小幅度提升。此時，TiH2分解增大氣孔率使胎體強度降低作為主導因素，綜合表現為抗彎強度下降。（2）當TiH2加入量增大（1.0%）時，結合劑與金剛石界面上生成TiC的濃度增大，使兩者之間的結合強度逐步提高，一定程度上抵消了胎體強度下降的影響，表現為抗彎強度恢復到與純Cu3Sn結合劑磨塊大致持平，硬度則繼續上升。（3）隨著TiH2加入量繼續增大（1.5%），結合劑與金剛石之間充分形成化學結合，把持力提升的效果大于胎體強度下降的影響，此時抗彎強度最高，硬度繼續上升。（4）當TiH2加入量繼續增大（2.0%）時，雖然結合劑與金剛石的化學結合有增強，硬度達到最大值，但金剛石磨塊的氣孔繼續增多，胎體強度下降作為主導因素，降低了抗彎強度。

2.3 TiH2的加入對Cu3Sn金剛石砂輪磨削性能的影響

在磨削加工中，砂輪的進給速率常被用于表征砂輪的鋒利度。其他條件相同時，進給速率越大，表明砂輪越鋒利。表4所示為加入不同質量分數TiH2制備的Cu3Sn金剛石砂輪加工YG8硬質合金的磨削數據。TiH2的加入使砂輪的最快進給速率均有提升，最快為0.040 mm/次，相比對照樣品（0.020 mm/次）增幅達到100%，說明其顯著提升了砂輪的鋒利度。根據2.2所述，Ti作為強碳化物形成元素，與金剛石表面C原子發生化學反應生成TiC。結合劑與金剛石之間形成的化學結合，提高了結合劑對金剛石的把持力，進而提升了磨削過程中金剛石的出刃高度，使金剛石切入工件更深，磨削效率更高，因此提升了最快進給速率。此外，TiH2的加入還提升了YG8硬質合金加工后的表面質量，表面粗糙度Ra從0.07～0.11μm減小到0.05～0.09μm。

為探究TiH2的加入對砂輪保形性的影響，根據記錄的砂輪及硬質合金體積消耗量，由式（1）、式（2）計算得到磨削比和磨耗比，以衡量砂輪保形性。如圖10所示，未加入TiH2的砂輪磨削比為51.09；隨著TiH2加入量的增大，磨削比先稍有降低，然后明顯升高，最后又降低。TiH2的質量分數為2.0%時，磨削比最大值為172.03，是未加入TiH2的砂輪磨削比的3.37倍，砂輪的保形性最好。

產生這種現象是由于砂輪的保形性同時受到結合劑對金剛石把持力和胎體強度的影響。如2.2所述，少量加入TiH2時，胎體強度降低使得砂輪損耗量更多，磨削比下降。隨著TiH2加入量逐漸增大，結合劑對金剛石把持力顯著提升，避免了金剛石過早脫落，提高了工作面上金剛石的利用率，減慢了金剛石的消耗速率，使得磨削比升高。當TiH2加入量繼續增大，胎體強度明顯下降，磨削比隨之下降。上述結果表明，加入適量TiH2有利于提升金剛石砂輪加工硬質合金時的鋒利度和保形性。

3結論

（1）TiH2的加入對Cu3Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，可促進粉末燒結。當TiH2的質量分數為2.0%時，氧質量分數從0.67%降低到最小值0.51%。

（2）TiH2的加入使金剛石與胎體之間形成Ti?C鍵，提高了結合劑對金剛石的把持力，可提高其抗彎強度和硬度；加入量較多時，抗彎強度和硬度反而下降。當TiH2的質量分數為1.5%時，抗彎強度達到最大值80.74 MPa；當TiH2的質量分數為2.0%時，洛氏硬度達到最大值109.88 HRB。

（3）TiH2的加入可提升砂輪的磨削性能，即同時提升鋒利度和保形性。磨削YG8硬質合金時，加入2.0%質量分數的TiH2可使砂輪的最快進給速率從0.020 mm/次提升到0.035 mm/次。磨削比從51.09提升到最大值172.03。

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作者簡介

通信作者：賀躍輝，男，1963年生，博士，教授。主要研究方向：金屬間化合物、超硬材料和粉末冶金高速鋼等。E-mail：yuehui@csu.edu.cn

（編輯：王潔）

Effect of TiH2 addition on grinding performance of Cu3Sn intermetalliccompound diamond wheels

HE Keqiao，CHEN Shuaipeng，KANG Xiyue，HE Yuehui

（State Key Laboratory of Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，China）

Abstract Objectives：With the development of the modern manufacturing industry，the requirements for material ma-chining accuracy and surface quality are increases continuously.For the precision grinding of high hardness and high wear-resistant materials，superhard material grinding wheels are required to possess high processing efficiency and dur-ability.Intermetallic compound bond diamond grinding wheels have the wear resistance of metal grinding wheels and the self-sharpness of ceramic grinding wheels simultaneously，but they still lacks of sharpness or shape retention when machining hard and brittle materials at high loads and high speeds.To improve the sharpness and shape retention of Cu3Sn intermetallic compound diamond grinding wheels，this study investigates the addition of TiH2.Cu3Sn ball-milling powders，diamond grinding blocks，and grinding wheels with different TiH2 additions are prepared.Methods：The ef-fects of TiH2 addition on the grinding performance of Cu3Sn intermetallic diamond grinding wheels are investigated us-ing testing and analyzing the micro-morphology，oxygen content，physical phase composition，thermal effect，and mech-anical properties.Results：（1）TiH2 was added to the Cu3Sn intermetallic compound bond，and the mixture is ball milled together.TiH2 inhibits the increase in oxygen content，which improves the properties of the ball-milled bond powder and facilitated the sintering process.When TiH2 is added with a mass fraction of 2.0%，the oxygen content is reduced from 0.67%to a minimum value of 0.51%.（2）TiH2 decomposes into Ti and H2 during the sintering process，and Ti could re-act with the C atoms on the surface of the diamond to form a Ti?C bond.This chemical bonding between the metal"bond and diamonds could increased the bonding strength.TiH2 could improve the mechanical properties of diamond grinding blocks，but a larger amount of TiH2 increased the pores in the metal bond，which reduced its strength.When TiH2 mass fraction is 1.5%，the flexural strength reaches the maximum value of 80.74 MPa，and the addition of 2.0%TiH2 increased the Rockwell hardness to reaches a maximum value of 109.88 HRB.（3）Adding of an appropriate amount of TiH2 forms a chemical metallurgical bond between diamonds and the bonding agent，which strengthens the holding force of the bonding agent to the diamonds，increases the protrusion height and chip space on the working sur-face，and improves the sharpness of the grinding wheel.At the same time，it can avoid the premature shedding of dia-monds，reducing the consumption of the working layer and improving the shape retention of the grinding wheel.The grinding wheels prepared by adding a certain amount of TiH2 prior to the ball milling treatment of Cu3Sn bond powder exhibited better grinding performance.Both sharpness and shape retention are enhanced.When grinding YG8 cemented carbide，the addition of 2.0%TiH2 enhanced the fastest feed rate of the grinding wheel from 0.020 mm/feed to 0.035 mm/feed.Meanwhile，the grinding ratio of the wheel reached a maximum value of 172.03，which is enhanced by 237%compared with the specimen without TiH2 addition.Conclusions：In this paper，TiH2 is added to Cu3Sn inter-metallic compounds by ball milling，and the oxygen content of the bond powder is reduced.At the same time，the carbide-formation element Ti reacts with the diamond to form a chemical metallurgical bond，which improves the bond-ing strength between the diamond and the bonding agent.This results in improved grinding performance of the diamond wheel and provides a reference for the design and development of diamond grinding wheels with high sharpness and high conformal retention.

Key words TiH2；intermetallic compounds；mechanical properties；grinding ratio