Sn含量對Cu基金剛石鋸片胎體組織與硬度的影響

李文生，姜威，馮力，王磊，路陽

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Sn含量對Cu基金剛石鋸片胎體組織與硬度的影響

李文生，姜威，馮力，王磊，路陽

(蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

以Cu為基體，加入Co，F(xiàn)e，Cr，Sn粉末，改變Sn含量，經(jīng)過模壓成形與熱壓，制備Cu基金剛石超薄切鋸胎體材料，用顯微硬度儀、金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和X線衍射(XRD)表征該胎體材料的顯微硬度、組織和成分，研究Sn含量對胎體組織和硬度的影響。結(jié)果表明：采用燒結(jié)溫度700 ℃、燒結(jié)壓力8.2 MPa的工藝燒結(jié)出的胎體中，當(dāng)Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，燒結(jié)Cu基鋸片胎體平均硬度(HV0.1)最低為885.82 MPa；當(dāng)Sn含量為12%時，燒結(jié)Cu基鋸片胎體平均硬度最高為1914.72 MPa。胎體中Sn含量從2%增加到6%，由于胎體中銅錫固溶體的含量增加，Cu基鋸片胎體的平均硬度增加，胎體中Sn含量從8%增加到12%時，胎體中銅錫固溶體的含量減少，但是銅錫中間相含量增加，Cu基鋸片胎體的平均硬度增加并達(dá)到最大值；胎體中Sn含量高于8%時，液態(tài)Sn會從胎體中流出，鋸片與模具粘著嚴(yán)重，嚴(yán)重影響鋸片成形率。

Sn；單軸模冷壓；熱壓；Cu基胎體；固溶體；硬度

金剛石鋸片由于具有優(yōu)異的切割性能廣泛用于磨具、鋸切工具、鉆具、刀具、拉拔工具、修整工具和其它工具[1]。采用Co，WC等為主要成分的金剛石鋸片胎體，能明顯提高金剛石鋸片胎體的切割性能[2?3]，但以Co和WC為主要成分的金剛石鋸片價格較高，使其應(yīng)用受到限制[4]。Cu基金剛石鋸片由于低廉的價格，優(yōu)異的力學(xué)性能，成為組成金剛石鋸片的主要材料[5?6]。LIU等[7]對Cu基金剛石鋸片胎體的性能進(jìn)行了研究，其研究降低了金剛石鋸片的成本并且獲得了優(yōu)異的切割性能。金剛石鋸片的性能會對加工產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，XIA等[8]的研究結(jié)果表明，除了鋸片的厚度、韌性、摩擦性能外，硬度也是金剛石鋸片的重要性能指標(biāo)之一[9]。而改變金剛石鋸片胎體成分是目前提高金剛石鋸片硬度的主要途徑。國內(nèi)外學(xué)者對于W元素[10]、稀土元素[11]、燒結(jié)工藝[12]、粘結(jié)劑[13]、冷壓工藝[14?15]、基體材料[15?19]等對金剛石鋸片硬度的影響進(jìn)行了大量研究，優(yōu)化了制造工藝，改善了切削性能，但這些研究主要集中在通過提高胎體組織的硬度來提高胎體硬度，對胎體硬度的提升都不明顯。本研究以Cu為基體，加入Co，F(xiàn)e，Cr，Sn粉末，改變Sn粉的含量, 制備粉末冶金Cu基金剛石超薄切鋸胎體材料，研究Sn含量對胎體組織與硬度的影響，以期通過提高胎體中較低組織的硬度來提高胎體的硬度，改善鋸片切削性能。

1 實驗

1.1 胎體制備

Cu基金剛石復(fù)合材料超薄切鋸片胎體的成分如表1所列，F(xiàn)e，Sn，Cr粉為水霧化粉，平均顆粒尺寸分別為53，37和42 μm，Cu粉為電解粉，平均顆粒尺寸為48 μm，Co粉為氣霧化粉，平均顆粒尺寸為62 μm。

表1 Cu基金剛石鋸片胎體的名義成分

按表1所列成分稱取粉末，混合粉末采用三維渦流混料機(TD-2)混合5 h后分別裝入冷壓模具中，均勻鋪展在壓頭表面，加入5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))液體石蠟(成形劑)后，在HT?1500KN型壓樣機中單軸冷壓成形。壓制力為160 MPa，保壓時間2 min。冷壓Cu基胎體成形率為80%。

冷壓坯脫模后在室溫下放置5 h，以去除多余的液態(tài)成形劑。壓坯裝入真空熱壓燒結(jié)爐(RYJ?2000Z)中燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度 700 ℃、燒結(jié)壓力8.2 MPa、保溫時間4 min、升溫速率45 ℃/min，試樣隨爐冷卻。1#~6#試樣的熱壓燒結(jié)胎體平均厚度分別為0.43，0.46，0.47，0.46，0.46和0.45 mm。

1.2 性能與結(jié)構(gòu)分析

用附帶能譜儀(EDX)的JSM?6700F型場發(fā)射掃鏡和D8ADVANCE 型X線衍射儀觀察與分析銅基胎體的組織、元素分布以及物相組成。用HVS?1000數(shù)顯顯微硬度計測量胎體和富銅相的顯微硬度，壓頭載荷為0.98 N。利用維氏硬度計測試胎體和富銅相的平均硬度。

2 結(jié)果及討論

2.1 混合粉末形貌

圖1所示為混合粉末的SEM像?？梢奆e粉形狀不規(guī)則，Cu粉樹枝狀，Sn粉為白色球狀，Co粉為深色球狀，Cr為深色小球。

圖1 混合金屬粉末的SEM像

2.2 燒結(jié)胎體的組織和成分

圖2所示為不同Sn含量燒結(jié)Cu基鋸片胎體的SEM像。其中，淺黑色的為富Cu相，深黑色的為Fe相，淺灰色圓圈狀是富Co相，白色是富錫相，黑色小點為孔隙。由圖可知，Sn含量從2%增加到6%，胎體中主要以淺灰色的富Cu相和富Fe相為主；Sn含量從8% 增加到12%，胎體中主要以白色的富Sn相和富Fe相為主。Sn含量為2%~6%，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的硬度主要由基體中含量較高的富Fe相和富Cu相決定。富Fe相的硬度大于富Cu相的硬度，提高富Cu相的硬度能夠提高燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度。對Sn含量為2%~6%的Cu基鋸片胎體的富Cu相進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表2所列，可知富Cu相中含有銅錫兩種元素，隨Sn含量增加，富Cu相中的Sn含量增加，表明銅錫固溶體的含量增加。Sn含量為8%~12%時，燒結(jié)Cu基鋸片富Cu相的含量開始減少，富Sn相的含量開始增多，此時，增多燒結(jié)Cu基胎體鋸片富Sn相的含量即可提高燒結(jié)Cu基胎體鋸片的平均硬度。

圖2 不同Sn含量燒結(jié)Cu基鋸片胎體SEM像

圖3所示為不同Sn含量的燒結(jié)Cu基鋸片胎體的XRD譜。由圖可知，Sn含量為2%~6%時，Cu基胎體的相組成基本一樣，均以(Fe,Cr)，(Cu,Sn)，Cu，Cr，Cu13.7Sn和Fe為主相；Sn含量為8%~12%時，Cu基胎體的組成相出現(xiàn)了Sn和Cu5.6Sn，其中Fe-Cr，F(xiàn)e和Cr的晶格結(jié)構(gòu)為體心立方，Cu，(Cu,Sn)和Cu13.7Sn的晶格結(jié)構(gòu)為面心立方[15, 18]。Cu原子和Sn原子的半徑差小于15%，冷壓Cu基鋸片胎體熱壓燒結(jié)后保溫一段時間空冷，Sn含量2%~6%，能夠較容易在燒結(jié)Cu基鋸片胎體中形成以銅為基的銅錫置換固溶體(Cu,Sn)[18]。隨Sn含量增加，Sn含量8%~12%，燒結(jié)Cu基鋸片胎體中形成了銅錫中間相，主要相組成為Cu13.7Sn和Cu5.6Sn。

圖3 不同Sn含量燒結(jié)Cu基鋸片胎體XRD譜

表2 不同含量Sn的Cu基胎體的EDS分析結(jié)果

2.3 燒結(jié)Cu基鋸片胎體的硬度

圖4 所示為不同Sn含量對燒結(jié)Cu基鋸片胎體平均維氏硬度和燒結(jié)Cu基鋸片胎體銅錫相平均維氏硬度的影響曲線。

圖4 不同含量Sn對燒結(jié)Cu基金剛石鋸片胎體硬度影響

由圖4可知，燒結(jié)Cu基鋸片胎體中Sn含量為2%時，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度(HV0.1)最低，其原因是：Sn粉的熔點為231.9 ℃，Cu基冷壓壓坯在700 ℃的溫度和8.2 MPa的壓力下熱壓燒結(jié)時，Sn粉會融化，熔融的Sn金屬液與周圍的金屬粉末接觸，由于Sn金屬液存在于Cu粉顆粒界面處，因此促進(jìn)了與Cu的反應(yīng)，形成了銅錫置換固溶體。當(dāng)燒結(jié)Cu基鋸片胎體中Sn的含量為2%時，胎體中Sn的總量太少，富銅相中的Sn只有7.3%，形成的銅錫固溶體不多，胎體中富銅相的硬度不高，導(dǎo)致燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度最低，為885.82 MPa。

隨胎體中Sn含量增加，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度不斷增加，其原因是：胎體中Sn的總含量從2%增加到6%時，銅與錫形成固溶體的含量增加，固溶體增加造成胎體中富銅相硬度提高，導(dǎo)致燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度不斷提高。

燒結(jié)Cu基鋸片胎體中Sn含量為8%時，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度增加很大，其原因是：胎體中Sn的總含量增加，胎體中富銅相減少，但胎體中富Sn相增多，形成的銅錫中間相增多(圖2，圖3，表2)，銅錫中間相的硬度大于銅錫固溶體的硬度，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度增大，達(dá)到了1 630.23 MPa。但當(dāng)胎體中Sn總含量超過8%時，由于Sn的熔點太低，高溫高壓燒結(jié)冷壓Cu基鋸片時，Sn金屬液流出胎體，流出的Sn金屬液在室溫下凝固后使Cu基鋸片胎體粘著在磨具上，嚴(yán)重影響燒結(jié)Cu基鋸片胎體的成形率。

隨Sn含量繼續(xù)增大，富Sn相增多，銅錫中間相的含量增大，當(dāng)Sn含量達(dá)到12%時，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的硬度達(dá)到了最大值1914.72 MPa。

3 結(jié)論

1) 在燒結(jié)溫度700 ℃、燒結(jié)壓力8.2 MPa的工藝條件下，Sn含量對Cu基鋸片胎體的硬度影響很大。Sn含量從2%增加到12%的過程中，隨Sn含量增加，燒結(jié)Cu基鋸片胎體的平均硬度升高。

2)燒結(jié)Cu基鋸片胎體中Sn含量從2%增加到6%的過程中，Cu和Sn形成固溶體的量增加，固溶體的增加為Cu基鋸片胎體的平均硬度提高做出主要貢獻(xiàn)；燒結(jié)Cu基鋸片胎體中Sn含量從8%增加到12%時，富Sn相含量增加，銅錫中間相含量增加，中間相的增加為Cu基鋸片胎體的平均硬度提高做出主要貢獻(xiàn)。但Sn含量超過8%時，會有Sn從鋸片胎體中流出影響鋸片的成形。

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(編輯 高海燕)

Effect of Sn content on microstructure and hardness of Cu based diamond sawing matrixes

LI Wensheng, JIANG Wei, FENG Li, WANG Lei, LU Yang

(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Cu-based diamond composite ultra thin sawing matrixes were prepared through uniaxial die pressing and hot pressing technology using Cu based powders mixed with Co, Fe, Cr and Sn. The microhardness of Cu-based matrixes, microstructure and composition of hot pressed materials were investigated by microhardness tester, OM, SEM and XRD. The effect of Sn content on microstructure and microhardness of hot pressed Cu-based materials was also studied. The results show that the average hardness (HV0.1) of Cu-based materials is the lowest with 2% Sn, which is 885.82 MPa, and the highest with 12% Sn, which is 1914.72 MPa under the sintering condition of 700 ℃ and 8.2 MPa. With increasing Sn content from 2% to 6%, the contents of Cu and Sn solid solution increase, which leads to the increase of the average hardness. With the increase of Sn content from 8% to 12%, the content of Cu and Sn solid solution decreases but the content of mesophase of Cu and Sn increases, resulting in a maximum average hardness. The melt Sn will outflow, when the content of Sn is over 8%.

Sn; cold uniaxial compaction; hot pressing; Cu-based matrix; solid solution; hardness

TF 124

A

1673?0224(2016)03?457?06

國家國際科技合作項目(2015DFR51090)；國家外專局高端引智項目(GTD20156200088)

2015?06?09；

2015?12?29

李文生，教授，博士。電話：0931-2976640；E-mail: Wensheng-li@sohu.com