金刚石对青铜基砂轮胎体烧结机制影响的探讨

叶有明，张元松

(柳州华锡铟锡材料有限公司，广西柳州 545006)

以金刚石微粉为原料，分别用金属、树脂、陶瓷和电镀金属作结合剂，可制成各种形状的金刚石砂轮，用于磨削、抛光、研磨等。它具有硬度高、抗压强度高、耐磨性好的特殊优势，是磨削硬脆材料最理想的工具。由于加工效率高、精度高、加工表面质量好、磨具消耗少、使用寿命长等优点，被广泛用于光学玻璃、石材、磁性材料、硬质合金等行业［1］。相比四种类型砂轮，金属基金刚石超薄砂轮有硬度高、切削锋利、耐用度高及切削精度高等优势而被广泛用于切割光学玻璃、半导体材料、陶瓷、磁性材料等领域，而且随着合金粉以及烧结工艺的发展，金属结合剂金刚石超薄砂轮的应用还在不断扩大，拥有金刚石砂轮80%以上的市场。

在金属基金刚石超薄砂轮的结合剂主要以Co基、Fe基以及Cu基三种为主。由于Co与金刚石之间有良好的润湿性，成为目前粘结金刚石最好的结合剂，但我国Co资源少，且Co比较昂贵，国内厂家应用较少［2］。Fe基结合剂中的Fe对金刚石表面具有强烈的刻蚀作用，会导致金刚石本身的强度降低，因此，Fe基结合剂的使用并不广泛。从成本以及综合性能上考虑，青铜结合剂是最适合的一种结合剂，其优点在于成型性好、可烧结性好、烧结温度低。青铜基砂轮中，金刚石扮演着重要的角色。金刚石本身是最硬的物质，加入胎体后会使超薄砂轮的硬度增加，高温烧结使胎体致密化，导致其强度提高。但是金刚石如何使胎体致密化以及对胎体烧结机制的报到很少见，所以本文通过各种分析手段来探讨金刚石在胎体中的作用。

1 试验方法

1.1 原料

试验原材料见表1。

表1 试验所用原材料

1.2 试验使用设备

试验的使用设备有:MX18型混料机、SY－1型刮料机、CP160型冷压机、SM80型热压烧结机、XRD－7000S/L型衍射仪、Phenom prox型扫描电镜等。

1.3 试验方法

本次试验混料时间6 h、烧结时间5 min、冷压12 MPa、热压27.24 MPa，样品的规格为 D76.2H40T0.3，具体试验方案见表2。

表2中，预合金粉加入越多，成型越困难，当超过40%时，会出现开裂现象，所以本次试验只加到40%，其中预合金粉的合金相为 Cu40.5Sn11。表中CuSn比例、金刚石含量以及温度参数都是通过多次试验选择的最优参数。

2 结果与分析

表2 试验方案

根据设计的方案，对不同的配方在MX18型混料机上进行混料，然后SY－1型刮料机上将粉料刮平且均匀，之后在CP160型冷压机上进行冷压成型，冷压脱模后的生坯在SM80型热压烧结机上烧结，最后进行XRD衍射分析和扫描能谱分析。

2.1 衍射分析

首先对第一组样品进行XRD衍射分析，其分析结果如图1所示。

图1 第一组样品的衍射图

从图1可以看出1#～5#样品的衍射图中除了存在单质Cu、金刚石外，还存在合金相(Cu5.6Sn)。随着预合金粉的不断增加，合金相(Cu5.6Sn)的衍射峰也越来越来明显，说明预合金粉促进了合金化。但是1#衍射谱中也存在合金相，说明金刚石在胎体中也具有促进合金化的作用。为了充分了解青铜基胎体的合金化情况，试验同时对第二组样品的XRD衍射分析，其结果如图2所示。

图2 第二组样品的衍射图

从图2中可以看出，6#～9#样品衍射图谱中出现了另外一个合金相(Cu40.5Sn11)，各个图谱中衍射强度变化跟第一组样品一样，随着预合金粉的变化而导致合金化程度变化。由于6#～9#样品没有金刚石，所以Cu40.5Sn11相在烧结后得以保存。

2.2 烧结机制探讨

经过对比发现:金刚石的加入可以促进Cu40.5-Sn11相的分解。为了理解金刚石对胎体烧结机制的影响，首先要考虑胎体对金刚石的润湿性，如图3所示。

图3 液－固接触时状态

从图3可以了解各种金属或合金对金刚石的润湿性。θ表示接触角或浸润角，当θ趋近0或cosθ=1时，金刚石几乎被液相金属(或合金)完全润湿，而当θ＞90°时，则金刚石就不能够被液态金属(或合金)润湿。

液态金属对于金刚石的浸润，根据杨氏方程，液体与固体接触时的情况可以用下式表示:

式中:γsg为固－气接触表面张力，即金刚石的表面张力/N;γLg为液态合金的表面张力/N;γLs为金刚石和液态金属或合金的内界面张力/N。

由式(1)可知，γLg、γLs的值越低则越有利于润湿。Sn本身具有比较低的表面张力(8.5×10－2N/m2)，加入胎体中时，胎体的润湿角会降低，利于对金刚石的润湿，但由于Sn在铜基中具有一定的固溶度，易于形成合金相，不利于对金刚石的润湿。金刚石加入胎体后，会利用液相低的表面张力而得到润湿，从而在一定程度上抑制部分合金相的形成。换句话说，Sn在胎体中会因为润湿金刚石而聚集在金刚石周围。为了证实这一点，对部分样品进行能谱分析，其测试结果如图4所示。

胎体部分区域的能谱测试结果如图4(a)，金刚石周围区域的能谱测试结果如图4(b)。根据测试发现，金刚石周围的Sn含量比胎体部分的Sn含量高。说明当Sn高温熔解后，因为润湿作用而聚集在金刚石周围，从而实现短程扩散，促使合金化的完成。由于Sn的短程扩散，使Cu40.5Sn11相分解为较稳定的Cu5.6Sn相。

图4 能谱分析数据图

熔化－溶解－析出机制和扩散－固溶机制是Cu－Sn体系合金化过程的两种机制［3］。当烧结温度达到Sn的熔点时，熔化－溶解－析出机制首先进行，即Sn颗粒熔化后，迅速在Cu－Sn胎体中铺展开，同时Cu迅速向Sn溶液中扩散溶解形成合金相。当合金相达到饱和后，以固溶合金的形式原位析出，并紧密地与胎体中的Cu连在一起;再通过扩散－固溶机制，Sn元素继续向Cu的内部扩散，得到不同合金化程度的胎体。

对于第一组样品试验，扩散初期，Sn/Cu相界面如图5(a)所示;当烧结温度达到Sn熔点(232℃)时，Sn很快熔解，随后铜跟着溶解于液态Sn中，然后迅速润湿于金刚石周围;此时预合金粉由于有富含Sn的合金相，致使锡能在金刚石周围发生短程的扩散，而通过固溶原位析出形成比较稳定的Cu5.6Sn相，其相界面如图5(b)所示。胎体以熔化－溶解－析出机制与扩散－固溶机制同时进行，所以通过XRD衍射几乎很难发现Cu40.5Sn11相。

图5 第一组样品合金化的Sn/Cu相界面示意图

对于第二组样品试验，胎体合金化的机制分两步进行:(1)熔化－溶解－析出机制:初始Sn/Cu相界面如图6(a)所示。当烧结温度升至232℃后，Sn粉粒熔化，并迅速扩散在Cu－Sn胎体中，致使Cu逐渐地溶解到熔融状态的 Sn中，形成高温合金相(Cu40.5Sn11)并原位析出，其相界面如图6(b)所示;(2)扩散－固溶机制:当Cu扩散溶解达到饱和之后，固溶扩散成为继续合金化过程的主要方式。由于Sn元素浓度的差异，使得富锡区域的Sn向Cu扩散，形成稳定的Cu5.6Sn相，其相界面如图6(c)所示，类似于预合金粉试验形成合金相的机制。高温合金相(Cu40.5Sn11)分解非常缓慢，所以在室温下也部分保留此相［4］。

图6 第二组合金化的Sn/Cu相界面示意图

3 结论

青铜基砂轮的烧结机制有两个，即熔化－溶解－析出机制和扩散－固溶机制。通过对比两组样品的衍射图谱发现:由于Sn对金刚石的润湿作用，会使熔化－溶解－析出机制加速完成，从而促进高温合金相Cu40.5Sn11迅速发生分解。而未加入金刚石时，两个机制发生都比较缓慢，导致高温合金相Cu40.5Sn11分解不充分，室温时还保留此相。

［1］ 左宏森，关春龙．造孔剂对金属结合剂金刚石磨具力学性能的影响［J］．金刚石与磨料磨具工程，2009，(5):82 －85.

［2］ 孙毓超．金刚石工具与金属学基础［M］．北京:中国建材行业出社，1999．200 －201.

［3］ 梁腾平．Cu－Sn合金包覆铁粉的制备及机理研究［D］．重庆:重庆大学，2009.

［4］ 阮建明，黄培云.粉末冶金原理［M］.北京:机械工业出版社，2012.303－304.