金属结合剂金刚石砂轮中铝基结合剂性能优化研究

陈克鑫， 刘一波, ， 曹彩婷， 刘 伟

(1. 钢铁研究总院， 北京100081) (2. 北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司， 北京102200)

金属结合剂金刚石砂轮广泛用于磨削加工硬脆材料，如陶瓷、玻璃、石材、混凝土以及新兴工业材料(半导体硅、蓝宝石、电子陶瓷)[1]。青铜结合剂作为传统的金属结合剂的一种，具有好的成形性、导热性、低温烧结性、耐磨性及高的强度，一直被广泛应用。近年来，铝基结合剂得到了人们的关注。TANAKA等[2]用放电等离子烧结法制备Al/Fullerene、Al/Diamond砂轮，用来抛光半导体硅片，获得了纳米级的表面粗糙度。肖长江等[3-4]研究铝中添加Ti和Cr合金元素对金刚石的润湿性和把持力的影响。添加的Ti显著改善了金刚石的润湿性，提高了对金刚石的把持力；添加的Cr对金刚石的润湿性没有改善，但可以提高对金刚石的把持力。徐俊杰等[5]用热压烧结法制备Al-Cu-Mg-Ti-Cr结合剂金刚石砂轮，Cu的质量分数为4.5%时，铝基结合剂对金刚石包镶能力较好，胎体综合力学性能最优。Cu的加入促进Al2CuMg强化相和Al3Ti、Al2Cr弥散相的形成，细化了晶粒，阻碍了位错运动而强化了胎体。黎克楠等[6-7]通过热压烧结制备Al-Cu-Sn-Ni结合剂,研究了Mg和Ti对铝基结合剂性能的影响。Mg和Ti都能降低铝基结合剂的烧结温度，细化晶粒并生成强化相，可提高结合剂的强度和硬度。王双喜等[8]制备了多种铝基结合剂磨轮，Al-Sn-Ti-Ni-Co系列结合剂在 300 ℃烧结制备的金刚石磨轮，结合剂的韧性比较适合修整陶瓷砖，结合剂对金刚石把持力好，陶瓷砖磨削时金刚石出刃较高，成本和树脂结合剂相当，寿命是树脂结合剂的3倍。

过共晶AlSi20合金导热性能好，线膨胀系数低，具有一定强度、硬度、耐磨性以及耐蚀性，且Al、Si元素和金刚石又具有一定亲和力。本研究以过共晶AlSi20合金为主体，加入强化铝的常用元素Cu、Zn、Mg、Mn，制定正交试验方案，研究合金元素对铝基结合剂性能的影响规律，为提高金刚石砂轮性能提供参考。

1 实验原料和方法

1.1 实验原料

AlSi20合金粉为主元，添加Cu、Zn、Mg、Mn等元素制备铝基结合剂试样。表1列出了所用原料的主要性能，5种粉末SEM形貌如图1所示。

表1 实验粉末性能

(a)AlSi20粉(b)Cu粉(c)Zn粉(d)Mn粉(e)AlMg50粉图1 5种粉末SEM形貌图

1.2 实验方法

1.2.1 实验工艺流程

实验工艺流程图如图2所示。

图2 实验工艺流程图

1.2.2 正交试验设计

设置了AlSi20粉不添加合金元素的烧结试样作为原始对照试样。为了强化AlSi20的强度、硬度以及提高结合剂的脆性，确定出合适的合金成分，添加不同质量分数的Cu、Zn、Mg、Mn等4个合金元素，在前期实验的基础上设计了四因素三水平正交表L9(34)，进行9种不同成分合金试样的烧结制备。正交试验设计如表2所示。

表2 正交试验设计表

1.2.3 热压烧结工艺流程

AlSi20粉的烧结工艺流程为：(1)从400 ℃开始匀速升温，温度达到500 ℃时保温2 min, 保压压力20 kN；(2)匀速升温达到530 ℃保温2 min，保压压力25 kN；(3)再匀速升温至550 ℃保温5 min，保压压力25 kN；(4)随炉冷却至室温。升温速率为60 ℃/min。

其他9组试样的烧结工艺流程为：(1)从400 ℃开始匀速升温，温度达到500 ℃保温2 min，保压压力20 kN；(2)匀速升温至510 ℃保温2 min，保压压力25 kN；(3)再匀速升温至520 ℃保温5 min，保压压力25 kN；(4)随炉冷却至室温。升温速率为60 ℃/min。

1.2.4 试样性能检测

(1)采用阿基米德排水法测密度，每组测试5个试样，并计算平均值，再计算致密度。

(1)

式中：ρ——试样的密度，g/cm3；

ρ0——水的密度，ρ0=1 g/cm3；

m1——试样在空气中的质量，g；

m2——试样在水中的质量，g。

致密度等于试样密度除以其理论密度，理论密度按文献[9]计算。

(2)用HR-150A型洛氏硬度计测硬度，每个试样测试5个点，除去最大、最小值，取平均值。

(3)三点弯曲试验在CMT4304 型电子万能实验机上进行，每组测试5个试样并计算平均值。根据加载力、试样尺寸、跨距来计算试样的抗弯强度。

(2)

式中：σ——试样抗弯强度，MPa；

F——试样断裂时的加载力，N；

L——支架两点之间的跨距，mm；

b——试样宽度，mm；

h——试样高度，mm。

(4)用JSM-6400 型扫描电子显微镜观察抗弯强度测试折断后的试样断口形貌。

2 实验结果与分析

2.1 样品性能实验结果

原始对照组AlSi20在550 ℃烧结后试样致密度为94.63%，硬度为HRB 41，抗弯强度为176.89 MPa。正交试验9组试样烧结后的致密度、硬度、抗弯强度测试结果如表3所示。

表3 试样正交试验各项性能测试结果

2.2 性能实验结果分析

2.2.1 试样致密度正交试验结果分析

表4是烧结试样致密度测试结果的极差分析表。

表4 烧结试样致密度正交试验结果极差分析表

由表3、表4中数据可以看出：添加合金元素的9组试样和没有添加合金元素的试样相比，致密度都有很大的提高，各个因素的极差值R的大小顺序R(Zn)>R(Cu)>R(Mg)>R(Mn)，即各个因素对致密度的影响大小顺序为Zn>Cu>Mg>Mn。

加入的合金元素都促使试样烧结致密化，降低了烧结温度。Zn和Al的共晶温度为381 ℃，在烧结初期就已先熔化；Cu和Al、Si在522 ℃有共晶点，烧结过程中能生成液相。液相的生成促进了元素的扩散迁移，加速了烧结过程。Mg在烧结过程中，可以消除铝硅粉末表面的氧化膜，促进烧结致密化；材料的熔点随粉末粒径的减小而降低，由于加入的锰粉粒径较小，热压烧结中锰也促进了扩散合金化的进行。

2.2.2 试样硬度正交试验结果分析

表5是烧结试样HRB硬度测试结果的极差分析表。不同合金元素质量分数对硬度的影响变化趋势曲线如图3所示。

表5 试样HRB硬度正交试验结果极差分析表

(a)(b)(c)(d)图3 不同合金元素质量分数对硬度的影响

表5中各个因素极差值R的大小顺序为R(Mn)>R(Zn)>R(Cu)>R(Mg) ，即各个因素对硬度的影响大小顺序为Mn>Zn>Cu>Mg。由图3也可以看出：随着Mn含量的增加，结合剂硬度显著增加，Mn在合金中起着固溶强化的作用，同时Mn和Al能生成硬脆的Al-Mn化合物，显著提高结合剂的硬度；随着Zn含量的增加结合剂硬度缓慢增加。Zn在Al中固溶度很高，产生固溶强化作用；Cu在Al中的固溶度为5.65%[10]，产生固溶强化作用，温度低时析出Al2Cu提高强度；由于Mg含量较低，Mg对硬度的影响较小。

硬度是反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的综合性能指标。金刚石工具胎体中，硬度和耐磨性基本呈正相关关系。高硬度意味着高耐磨性，同时也意味着低塑性，高脆性。金刚石砂轮在磨削硬脆材料时，磨削对象产生的碎屑，同时也会对胎体产生研磨作用，结合剂高的硬度可以提高金刚石砂轮使用寿命。但为了满足金刚石砂轮磨削自锐性的要求，提高胎体硬度后，再通过添加造孔剂，使结合剂在磨削中能像陶瓷结合剂一样脆性断裂。添加合金元素后AlSi20硬度由HRB 41增加到最高HRB 120。因此，添加适量的合金元素达到了预期效果。

2.2.3 试样抗弯强度正交试验结果分析

表6是烧结试样抗弯强度测试结果的极差分析表。不同合金元素质量分数对抗弯强度的影响变化趋势曲线，如图4所示。

表6 烧结试样抗弯强度正交试验结果极差分析表 单位：MPa

合金元素的添加产生了强化的效果，从表6可看出：各个因素极差值R的大小顺序为R(Cu)>R(Mn)>R(Zn)>R(Mg) ，即各个因素对抗弯强度的影响大小顺序为Cu、Mn、Zn、Mg。从图4可知：σ在铜质量分数为2%时最高，在Cu质量分数超过4%以后缓慢减少；Zn和Mg质量分数的变化对σ的影响曲线相对平缓；σ随Mn质量分数的增加而减小，过多的Mn对抗弯强度不利。

结合剂的抗弯强度反映结合剂的相对韧性，高的抗弯强度能保证磨削的安全性。考虑到后期引入造孔剂，高的孔隙率会削弱结合剂的强度，相对高一点的抗弯强度是有必要的。

(a)(b)(c)(d)图4 不同合金元素质量分数对抗弯强度的影响

2.3 试样断口形貌观察

AlSi20烧结试样断口形貌如图5所示。综合结合剂强度、自锐性、安全性等因素选择2个具有代表性的组合A1B2C2D2和A1B3C3D3，分别加入100%浓度的70/80的金刚石，观察结合剂对金刚石的包镶情况。A1B2C2D2和A1B3C3D3加入金刚石前后的烧结试样断口形貌分别如图6和图7所示。

(a)(b)图5 AlSi20烧结试样断口形貌图

(a)(b)(c)图6 A1B2C2D2加入金刚石前后的烧结试样断口形貌

(a)(b)(c)图7 A1B3C3D3加入金刚石前后的烧结试样断口形貌

断口形貌和显微组织与机械性能之间有紧密的联系[11]，根据断口可以判断材料的韧性和脆性。图5中AlSi20烧结试样断口组织疏松、粗大，有孔洞等缺陷。沿晶韧窝深浅不一，晶界结合较弱。从断口形貌可以得出AlSi20烧结试样机械强度不高，断裂属于韧性断裂。

图6a中A1B2C2D2烧结试样断口平坦光亮，组织致密细小、无明显缺陷；图6b中形貌呈河流花样，有解理台阶以及大量的舌状花样，属典型脆性断裂的形貌特征；图6c中胎体对金刚石包镶良好，无明显缝隙，表明胎体对金刚石的把持力较高。A1B2C2D2烧结试样的硬度HRB 113，抗弯强度266.32 MPa。

图7a中A1B3C3D3烧结试样断口比A1B2C2D2烧结试样断口更平坦，组织致密、细小；图7b中断口分布着河流花样，有较大的解理台阶和舌状花样，表明其具有更高的脆性；图7c中胎体对金刚石包镶良好。A1B3C3D3烧结试样的硬度HRB 118，抗弯强度229.42 MPa。

3 结论

(1)添加合金元素Cu、Zn、Mg、Mn可降低AlSi20的烧结温度，促进了烧结致密化，使铝基结合剂有较高的致密度。

(2)合金元素对硬度的影响大小顺序为Mn>Zn>Cu>Mg。Mn对AlSi20的硬度提高有很大作用，主要是生成了硬脆的Al-Mn化合物所致；合金元素对AlSi20抗弯强度的影响大小顺序为Cu>Mn>Zn>Mg。抗弯强度随Cu、Mn质量分数的增加显著减小，过多的Cu、Mn对AlSi20抗弯强度是不利因素。

(3)组合A1B2C2D2、A1B3C3D3有高的硬度和合适的抗弯强度，对金刚石包镶良好，具有很高的脆性，可以提高铝基结合剂金刚石砂轮磨削自锐性。

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