银基高锡预合金粉末对大理石锯片胎体性能的影响研究

于 奇，马 佳，龙伟民，钟素娟，潘建军，于新泉，丁天然

(郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001)

金刚石超硬工具在石材加工中占有重要地位，其中锯切类工具年产值约占超硬制品总产值的60%～70%，其性能质量直接影响石材加工的质量、成本和石材荒料的利用率[1-2]。根据加工石材的对象不同，锯切类工具主要分为花岗岩锯片和大理石锯片，其中大理石色泽美丽，纹理细腻，近十几年来在建筑装饰行业受到热捧[3]，在国内的市场需求量巨大。在福建水头、广东云浮等地形成了欧洲大理石荒料加工产业聚集区，每年需消耗大量的大理石锯片。为了提高大理石荒料的成品率，对大理石锯切工具要求锯缝宽度小、锋利度高、自锐性好，良好的锯切质量可降低加工余量、减少损耗，最终提高出材率[4]。大理石锯片在锯切过程中承受巨大的冲击载荷，金刚石颗粒、胎体与大理石相互之间强烈磨损[5]，现阶段我国的大理石锯片普遍存在锋利度差、胎体强度低、耐用度差等问题。研究胎体稳定可靠性、同步磨损性以及对金刚石良好的把持，对于大理石锯片的性能提高具有实际的意义。

大理石锯片胎体通常使用铜锡配方体系，胎体结合力强、耐磨性好、烧结温度低[6]，并广泛使用CuSn10、CuSn15、CuSn20等铜锡预合金粉末。铜锡预合金粉末在烧结过程中生成α固溶体和(α+δ)共析体[7]，胎体硬脆而不黏，对胎体自锐性有一定的提升。高锡预合金粉末在烧结过程中更容易实现液相烧结，并可生成δ、ε脆性相，甚至当锡质量分数含量超过40%时，胎体生成η硬脆相，可提高金刚石工具胎体同步或超前磨损的性能，对锋利度提升作用显著[8]。

目前，国内对于高锡预合金粉末研究较少，尤其对于元素增强铜锡预合金粉末研究更少。在铜锡合金中添加少量的银元素易于调整合金液固相线，提高力学性能和稳定可靠性[9]。本文通过气水紧耦合雾化法制备了一种银基高锡预合金粉末，并通过在配方中添加合金粉替代原配方中的单质锡粉，并相应的核减铜粉，最终用于改善大理石锯片的胎体性能，并对比了与单质配方烧结刀头的力学性能及微观组织差异，希望在行业内有一定借鉴意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

试验用到的原材料粉末名称及规格见表1。

表1 试验原材料

银基高锡预合金粉末A采用郑州机械研究所有限公司气水紧耦合雾化设备生产，预合金粉末A显微形貌见图1。

图1 预合金粉A显微照片Fig.1 The micrograph of pre-alloy powder A

1.2 试验方法及工艺

(1)预合金粉末A烧结体制备

根据预合金粉末A的理论密度，单个石墨模具中投料8.90g，粉末装料刮平后在热压烧结机(金海威SMVB60)中热压烧结成3.5mm×8mm×35mm的烧结体，其中热压温度530℃，压力20MPa，保温30s。每次装模4个，重复试验5次。

(2)大理石锯片胎体制备

表2 大理石锯片胎体配方

图2 热压烧结工艺曲线Fig.2 The curve of hot pressing sintering process

(3)大理石锯片刀头制备

在混合粉末中添加少量液体石蜡，并根据模具体积计算添加浓度30%的30/40金刚石，在三维混料机中混合120min，以保证金刚石与粉料混合均匀，装模后根据图2工艺曲线热压烧结制备大理石锯片刀头。

1.3 检测方法及设备

(1)预合金粉末A的性能检测

使用综合粉体特性测试仪(百特BT-1000)测试预合金粉A的松装密度；差式热分析仪(耐驰STA-449F3)测试预合金粉末熔点；洛氏硬度计(华银HR-150A)测试烧结体硬度；万能力学试验机(美特斯C45.105)测试烧结体三点抗弯强度；台式电子显微镜(飞纳Phenom XL)分析胎体微观组织。

(2)大理石锯片胎体性能检测

利用阿基米德排水法测烧结胎体的真实密度ρ真实，致密度η=ρ真实/ρ理论。使用洛氏硬度计对比测试烧结体硬度并取平均值，使用万能力学试验机对比测试烧结体三点抗弯强度并取平均值，使用台式电子显微镜对比分析胎体微观组织。

(3)大理石锯片刀头性能检测

2 试验结果与分析

2.1 预合金粉末A性能

预合金粉A的基本性能结果见表3，烧结体硬度较高，抗弯过程表现为脆性断裂。对烧结体进行微观组织分析见图3，图中可观察到烧结体组织致密，存在明显的两相组织，灰色相以及存在弥散分布其中的亮色针状相。铜锡预合金粉末烧结过程中容易产生较多孔隙，铜锡合金的液固相线垂直距离比较大，凝固时不形成集中缩孔，只形成分散缩孔，致密性较差。当锡含量升高，分散缩孔呈增大趋势，致密度呈现下降趋势[10]。高锡合金中添加银元素可降低合金熔点，缩小液固相线温差，提高合金流动性[11]，在烧结过程中烧结体致密度显著提高。对烧结体中针状亮色相1点进行SEM能谱分析，其成分为高银铜基固溶体，根据三元相图确定为铜基固溶体中存在β相Cu5Sn金属间化合物，该成分范围下液相线605℃～650℃；2点成分为低银铜基固溶体，该成分下液相线温度750℃～800℃[12]。在热压烧结过程中，常用的铜锡20预合金粉末极容易反偏析，在粉末颗粒外部形成高锡低熔点的(α+δ)共析体相[13]，在粉末颗粒之间形成液相，大量液相促进烧结体致密化，并由于铜锡合金液固相线垂直距离大，体积收缩较小，在较宽的温度范围内存在固、液两相，冷却过程中极易形成封闭孔隙。银基高锡预合金粉末A烧结体中锡含量相对均匀，亮色相的锡含量稍高于灰色相。经试验分析证明预合金粉A在烧结过程中锡元素反偏析趋势较弱，烧结体组织均匀，在铜基固溶体中存在大量β相的铜锡硬脆金属间化合物，合金胎体硬度和脆性较高。

表3 预合金粉A基本性能

图3 预合金粉A烧结体背散射电子图像及能谱分析结果Fig.3 The back scattered electron image and EDX of the pre-alloy powder sintering body

2.2 大理石锯片胎体性能对比

将大理石锯片胎体致密度η、抗弯强度σ、硬度值数据进行对比总结，分析见表4。

表4 大理石锯片烧结胎体性能对比

添加预合金粉A后胎体致密度提高，抗弯强度提高约9%，硬度降低约14%。在三点抗弯试验中，配方一表现为明显的脆性断裂，烧结胎体基本无塑性变形；添加预合金粉A的配方二烧结胎体塑性变形能力明显增强，经过较长时间变形后出现断裂。配方二胎体断裂前形变位移约是配方一的3.2倍，两种配方烧结胎体的三点抗弯对比曲线见图4。

图4 胎体抗弯曲线对比图Fig.4 Comparison diagram of bending curves of carcass

为进一步对比分析胎体力学性能差异，将烧结体置于电子显微镜下分析其胎体微观组织及成分。图5为配方一烧结胎体背散射电子显微照片，图中可观测到块状和网状亮白色相及灰色相，在亮色相中块状相较多。对块状亮色相(No.1)进行成分分析，相中锡、镍含量较高，在烧结过程中锡元素最先生成液相，高锡元素易偏析与铜生成硬脆的η相(Cu6Sn5基金属间化合物)和ε相(Cu3Sn基金属间化合物)[14]，与镍生成硬脆的Ni3Sn4和Ni3Sn2金属化合物[15]，在亮色块状区域高锡硬脆金属间化合物的生成显著提高了烧结胎体硬度，同时极大影响了胎体力学性能和塑性变形能力。网状亮色相(No.2)经对比分析，铜含量相对升高，锡、镍元素含量降低，根据相图生成了铜镍固溶体，高锡元素容易生成(α+δ)共析体相，网状亮色相生成硬脆相数量相对降低。灰色相(No.3)经成分分析确定为铜基固溶体，主要成分为锡黄铜组织，该成分下锌含量在复杂黄铜中计算为α相[16]，形成成分均匀的固溶体组织，该成分下的合金塑性高、强度高、硬度较低。通过对配方一胎体中三个相组织成分的对比分析，配方一胎体中锡元素极易产生偏析，高锡成分与镍和铜形成块状硬脆相，损害胎体的力学性能，导致胎体稳定可靠性差；而大量锡黄铜组织硬度较低，对金刚石把持作用弱，在工作过程中容易造成金刚石脱落，影响使用寿命。

配方二烧结胎体显微照片见图6，胎体中亮色相明显多于配方一，大部分以网状弥散分布在灰色基体中。对网状亮色相(No.1)进行成分分析，成分介于配方一块状亮色相和网状亮色相成分之间，生成的金属间化合物数量也介于两者之间。在烧结过程中，高锡的预合金粉末A锡元素偏析趋势被添加的银元素减弱，增加了合金的流动性，降低了块状偏析的趋势，形成大量网格状硬脆组织。对灰色相(No.2)进行分析，相对配方一的灰色相，锡元素含量提高，锌含量稳定，胎体硬度和脆性提高。对比两个配方胎体组织，添加银基高锡预合金粉末的A胎体组织均匀，锡元素偏析趋势弱，生成网格状的硬脆相可弥散增强胎体，增加了胎体可靠性。灰色相中锡元素的提高可增加胎体硬度和脆性，提高了胎体对金刚石的机械把持力。

图5 配方一烧结胎体背散射电子图像及能谱分析结果Fig.5 The back scattered electron image and EDX results of Sintered matrix applied with formula

2.3 大理石锯片刀头性能对比

制备的大理石刀头经过磨损试验，配方一的大理石失重率为8%，配方二的大理石失重率为12%，验证了添加预合金粉末A的配方锋利度明显提升。磨削试验后对刀头胎体进行微观组织观察，见图7。图7a为配方一胎体照片，在金刚石周边可观察到明显的裂纹，胎体中有块状基体剥落。配方一胎体对金刚石把持力较弱，磨削过程中胎体与金刚石产生裂纹，导致金刚石提前脱落，影响刀头的寿命和稳定性；胎体中高锡偏析导致胎体中各相的磨损匹配性差，磨削过程中块状硬脆相提前剥落，影响胎体整体磨损匹配性。图7b为配方二胎体照片，胎体致密度高，网状亮色相清晰，胎体各相磨损匹配较好，未出现胎体提前剥落现象，胎体与金刚石结合界面良好。

图7 磨削试验后胎体微观照片Fig.8 Microscopic photographs of carcass after the grinding test

3 结论

(1)银基高锡预合金粉末A烧结体组织致密，添加银元素降低了高锡预合金粉末烧结过程中反偏析的趋势，解决了高锡预合金粉末烧结致密度差、分散缩孔的问题。

(2)通过添加50ωt.%的预合金粉A替代大理石锯片配方中的单质锡粉，制备的大理石锯片烧结胎体相对单质粉末体系，胎体强度提高约9%，硬度下降约14%，塑性变形能力明显增强。

(3)单质锡粉在胎体中极易偏析生成块状脆性金属间化合物，影响胎体强度和塑性；添加预合金粉A制备的胎体组织均匀，存在的网状亮色高锡硬脆相可弥散增强胎体强度。

(4)添加预合金粉末A的大理石刀头锋利度提升，胎体磨损匹配性好，与金刚石结合界面良好。

(5)通过以上试验验证，银基高锡预合金粉末A可有效改善大理石锯片胎体力学性能，提高锋利度和对金刚石的把持力。