铜基胎体中低熔点金属的反应特性及性能研究

周浩钧，陶洪亮，文 平

（广东奔朗新材料股份有限公司，广东 佛山 528313）

1 引言

金属Sn、Zn是金属基金刚石工具常用的低熔点组分，可以用来调节烧结温度，改善烧结致密化行为，调控工具的锋利度和使用寿命。但在实际应用过程中，其独特的物理和化学性质及其对工艺参数的敏感性，常常困扰着配方设计工作者。若使用不合理，不仅难以达到调节效果，反而会严重偏离理想的工艺，恶化工具的使用性能［1－3］。因此，掌握低熔点金属的烧结特性及其与其他金属粉末或者预合金粉末间的相互作用特点，是发挥其应用效能的关键。本实验设计了4种配方，采用电阻式热压烧结法制备试样，借助多种表征手段对比研究了低熔点金属在铜基胎体中的烧结特性及其对性能的影响。

2 实验

2.1 配方设计

采用电阻式热压的方法，制备了四种试样。原材料包括单质粉和预合金粉，氧含量均低于1500×10－6，其中Zn和部分Cu由预合金粉引入。表1为A、B、C、D试样元素组成情况。

表1 实验配方设计Table 1 Experimental formula design

2.2 实验方案

用MX－6摇摆式三维涡流混料机混料1．5h，钢模冷压后，采用电阻式热压法制备尺寸规格为55mm×12mm×5mm和30mm×12mm×5mm的试样。宏观力学性能采用硬度仪、电子万能试验机和冲击韧性测定仪进行测试，断口形貌及物相定量分析分别借助扫描电子显微镜和X－射线衍射仪。热压烧结温度为720℃，压力为80kN，保温180s，烧结工艺曲线如图1所示。

图1 烧结工艺曲线Fig．1 The curve of sintering process

3 结果及分析

3.1 宏观力学性能分析

硬度、抗弯强度和冲击韧性是衡量金刚石工具烧结体性能的重要指标，其大小与合金成分及烧结工艺关系密切。其中，硬度是指材料局部抵抗外界硬物压入其表面的能力，在一定程度上也反映了烧结体致密程度；抗弯强度（TRS）常被众多冶金技术人员当作衡量“韧性”或者“强度”的尺度［4］；冲击韧性与材料内部裂纹扩展行为有关，是指材料发生脆性断裂时单位截面积所消耗的能量，同时它也是产品安全性的重要判据。表2和图2对比了四种试样各项力学性能指标。

由测试结果可知：以Zn代Sn，当Zn引入量由0→3wt%→5wt%→8wt%时，硬度值A＞B≈C＞D，而冲击韧性和抗弯强度值A＜B≈C＜D。这说明烧结试样的性能与低熔点金属组分关系密切，可通过改变Zn和Sn的配比来调控铜基胎体的性能。表2中B、C组和C、D组数据变化幅度呈现高度一致性，这说明硬度－冲击韧性－抗弯强度三者之间可能存在某种相关性。在力学理论上，冲击韧性主要反映的是制品内部裂纹在扩展过程中所受阻力的大小，抗弯强度则同时依赖于裂纹产生和裂纹扩展两个过程。当硬度高、韧性低时，裂纹产生所需的应力就大，裂纹产生过程对抗弯强度起控制作用。当硬度低、韧性高时，裂纹扩展所受的阻力越大，裂纹扩展过程对抗弯强度就会起控制作用。对金刚石工具而言，其抗弯强度在一定程度上反映了胎体对金刚石磨料的把持能力。因此，在设计配方时应综合考虑硬脆相和韧性相的协同作用，在工具应用端也应充分了解加工工艺参数对产品性能可能造成的影响。

表2 宏观性能指标对比Table 2 Comparison of macro－performances

图2 硬度－抗弯强度与冲击韧性－抗弯强度关系图Fig．2 The relationship of hardness－bending strength and impact toughness－bending strength

3.2 断口形貌分析

选用美国FEI公司的Inspect S50扫描电子显微镜对A、B、C、D试样进行断口形貌分析，放大倍数为3000倍，结果如图3所示。由图可知：（1）四种试样均出现光亮平整的脆性断面特征和类似于塑性断裂的浅韧窝特征。相比较而言，D试样浅韧窝特征最为明显，这也间接说明了其烧结组织中塑性相的存在，且含量相对较高。（2）四种试样断面均有明显孔洞和裂缝。其中A试样中的细孔洞主要与瞬时液相烧结过程有关，液相Sn在短时间内发生扩散及迁移行为，并在原来位置留下孔隙。B、C、D试样出现孔洞和裂缝除了与上述原因有关外，还与Zn的引入有关，Zn的流动性很好，但易形成集中缩孔。引入量较高时，Zn受热挥发，易导致烧结体疏松。

3.3 物相定量分析

采用德国Bruker D8ADWANCE型X射线衍射仪，对A、B、C、D四种试样进行X射线衍射分析，并借助Jade 6．5完成数据处理。图4为衍射图谱，表3为相组成测试结果。

从图3～图4可以看出：（1）从衍射图谱可知A、B、C试样Cu41Sn11衍射峰的强度逐渐变弱，但D样品未见Cu41Sn11峰。由此说明Cu41Sn11相含量：A＞B＞C，而D试样不含Cu41Sn11相。（2）3．1宏观力学性能结果显示：相比于C试样，D试样各项性能出现骤变，尤其是硬度与冲击韧性，这与硬脆相Cu41Sn11的消失有关。（3）B、C、D 试样中的 Cu13．7Sn 与Cu0．7Zn0．3相衍射峰位置十分接近，单凭 XRD 衍射分析手段很难准确定量分析，这也说明在一定条件下，Zn、Sn可分别固溶于Cu相中形成结构相似的中间相。（4）XRD衍射峰的尖锐程度，在一定程度上可反映烧结试样结晶的好坏。图中D试样衍射峰最为尖锐，说明结晶度相对较好。

图3 断口形貌SEM图Fig．3 SEM morphology of fracture surface

图4 四种试样的X射线衍射图谱Fig．4 X－ray diffraction pattern of different samples

表3 四种试样物相组成Table 3 The phase composition of different samples

3.4 物相形成机理探讨

A试样原料为Cu－Sn预合金粉和单质Cu，均匀混合后，单质Cu颗粒被Cu－Sn预合金粉包围。升温过程中，合金粉受热后优先熔融并形成液相Sn，靠近Cu颗粒的液相Sn会借助颗粒间的毛细管力向周围的Cu颗粒迁移，并形成面心结构Cu13．7Sn固溶体。由于扩散能力有限，远离Cu颗粒的液相Sn很难脱离预合金粉区域，最终形成硬脆相Cu41Sn11［5～6］。因此，A 试样相组成包括 Cu13．7Sn和Cu41Sn11，其背散射电子图像见图5（A）所示。根据Cu－Sn－Zn三元平衡相图可知［7］：Zn能大量固溶于锡青铜的α相中，且在Zn由零增至38%的范围内，Sn的固溶度逐渐降低，由15%降至0．7%。因此，增加Zn的引入量，有助于B、C、D试样中液相Sn与单质Cu反应形成固溶体，其合金化程度也随之提高。D试样Zn含量为8wt%，最终形成结构类似的Cu13．7Sn相＋Cu0．7Zn0．3相，图5中 D 样品背散射电子图像未见明显衬度。

图5 背散射电子成像图Fig．5 The imaging formation of backscattered electron

4 结论

（1）Sn／Zn相对含量的改变，会显著影响烧结体的相组成、力学性能及断裂行为。保持Sn＋Zn总量不变，随着Zn引入量由0增加到8wt%，烧结体中Cu41Sn11硬脆相逐渐减少，最终消失，而Cu13．7Sn＋Cu0．7Zn0．3相 逐 渐 增 加。 烧 结 试 样 硬 度 值 由84．6HRB降至67HRB，抗弯强度由630MPa提高至736MPa，冲击韧性由5．7J／cm2提高至26．65．7J／cm2。

（2）在Cu－Sn体系中适当引入Zn，可降低Sn在Cu中的固溶度，并提高烧结体的结晶度。但要注意烧结工艺的匹配性，防止因为Zn挥发造成烧结体疏松。

（3）四种试样断口均出现光亮平整的脆性断面特征和类似于塑性断裂的浅韧窝特征。但从力值－变形曲线看仍属于典型的脆性断裂行为。

（4）抗弯强度、冲击韧性和硬度指标之间存在相关性。抗弯强度同时依赖于裂纹产生和裂纹扩展两个过程，裂纹的产生与硬度有关，裂纹的扩展与韧性有关，可通过改变硬脆相和韧性相相对含量，来调节胎体性能。

参考文献：

［1］ 孙毓超，刘一波，王秦生．金刚石工具与金属学基础［M］．北京：中国建材工业出版社，1999．

［2］ 栾会生，董书山，吴中延．单质锌粉在烧结小锯片中的作用［J］．超硬材料工程，2015，27（1）：17－21．

［3］ 段隆臣，徐少林，李俊萍．青铜结合剂金刚石砂轮胎体性能评价的研究（1）－胎体金相分析［J］．金刚石与磨料磨具工程，2011，31（5）：51－55．

［4］ Zhi Gangfang，Jimmy W Easin．WC－Co复合材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度［J］．国外难熔金属与硬质材料，1997，13（1）：25－27．

［5］ Z．Nitkiewicz，wierzy．Tin influence on diamond– metal matrix hot pressed tools for stone cutting［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，175（1－3）：306－315．

［6］ 翟秋亚，杨扬，等．快速凝固Cu－Sn合金的组织形态及相结构［J］．中国有色金属学报，2006，16（8）：1374－1379．

［7］ 张启运，庄鸿寿，等．三元合金相图手册［M］．北京：机械工业出版社，2011．