不同燒結(jié)溫度下鐵基胎體的組織及性能

孫為云

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，金剛石工具的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，如地質(zhì)勘測(cè)、機(jī)械加工、石油等的鉆探，石材玉石加工、其他加工行業(yè)等，其消耗量也越來(lái)越大。金剛石工具中加工陶瓷拋光磚棱邊的一類(lèi)重要工具—金剛石磨邊輪，因其加工對(duì)象種類(lèi)繁雜，硬度高耐磨性好、薄脆、比較難磨削等特點(diǎn)，所以對(duì)金剛石磨邊輪的加工性能提出了比較高的要求。金剛石磨邊輪胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度等性能及其對(duì)金剛石的固結(jié)能力直接影響著其使用壽命和加工效率。而且對(duì)胎體性能的研究又是后序生產(chǎn)制備金剛石磨邊輪的前提，所以深入研究金剛石磨邊輪胎體的相關(guān)力學(xué)性能至關(guān)重要。銅基、鋁基和鐵基等金屬結(jié)合劑是金剛石磨邊輪常用的胎體材料，通常情況下，鐵基胎體中Fe的添加量一般不超過(guò)60%，再輔以其他元素以改善結(jié)合劑的綜合力學(xué)性能，如添加熔點(diǎn)較低的Sn、Zn、磷鐵等組元來(lái)降低胎體燒結(jié)溫度，從而降低生產(chǎn)成本；通過(guò)加入適量細(xì)粒度的Ni粉以促進(jìn)粉末在燒結(jié)時(shí)發(fā)生位移，從而提高胎體的性能。

鐵基胎體在進(jìn)行熱壓燒結(jié)時(shí)，升溫速率、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等燒結(jié)參數(shù)會(huì)直接影響其性能，其中燒結(jié)溫度的作用比較明顯，因此本文以常用的鐵基胎體為研究對(duì)象，分析不同燒結(jié)溫度下鐵基胎體的組織和性能，找到適宜該鐵基胎體配方的燒結(jié)溫度范圍，以期獲得較佳性能的磨邊輪胎體并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

一、試驗(yàn)方法及過(guò)程

（一）試驗(yàn)用原材料及胎體配方

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，采用自制的鐵基胎體配方，其中Fe粉占20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），F(xiàn)eCu30預(yù)合金粉占30%，Cu粉占29%，粒度200目以細(xì)，Ni粉占10%，Sn粉占5.2%、Zn粉占2.8%、磷鐵粉占3%。其中鎳粉粒度是400目（37 μm）以細(xì)，磷鐵粉是300（48 μm）目以細(xì)，其余粉末是粒度200目（74 μm）以細(xì)。

（一）試驗(yàn)工藝及試樣制備和性能檢測(cè)

1.試驗(yàn)工藝：根據(jù)鐵基胎體配方先進(jìn)行配混料，在三維混料機(jī)中混料3h，然后放入石墨模具中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別是730℃、740℃、750℃、760℃、770℃，保溫時(shí)間和燒結(jié)壓力分別為3min和20kN，制得燒結(jié)塊體積為40.0 mm（長(zhǎng)）×8.0 mm（寬）×4.6 mm（高）。

2.金相試樣制備：燒結(jié)塊經(jīng)過(guò)鑲樣、打磨、拋光、侵蝕等制得金相試樣，所用侵蝕劑為FeCl3鹽酸水溶液。

3.性能檢測(cè)：利用臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀(guān)察試樣的顯微組織，并借助其能譜儀分析樣品成分；采用X射線(xiàn)衍射儀分析其物相組成；利用排水法測(cè)得試樣的實(shí)際密度并根據(jù)其理論密度計(jì)算出致密度；采用洛氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的硬度；利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量燒結(jié)樣品的彎曲強(qiáng)度。

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）燒結(jié)溫度對(duì)胎體組織的影響

從圖1中可以看出，燒結(jié)溫度不同時(shí)，鐵基胎體中主要存在亮灰色、灰色和深灰色三種顏色的組織，圖中的黑點(diǎn)為孔洞或雜質(zhì)。隨著燒結(jié)溫度的升高，亮灰色組織減少，灰色組織增多，部分深灰色組織被亮灰色和灰色相分散，即這二者擴(kuò)散進(jìn)入深灰色組織中。750℃和760℃燒結(jié)體的組織較730℃和770℃燒結(jié)時(shí)的更均勻，當(dāng)溫度升高至760℃和770℃時(shí)已基本觀(guān)察不到亮灰色組織。但當(dāng)溫度升至770℃時(shí)，燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)了流料現(xiàn)象。為進(jìn)一步確定胎體中不同顏色組織的成分，對(duì)750℃燒結(jié)的試樣進(jìn)行能譜分析結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中結(jié)果可知：1點(diǎn)成分主要為Cu、Ni、Sn，由銅錫二元合金相圖可知，當(dāng)Sn含量較低時(shí)，Cu和Sn可以反應(yīng)生成有限溶解固溶體和一系列中間相，主要有α相、δ 相（以Cu31Sn8化合物為基的固溶體，室溫下的硬脆相）。Cu與Sn還可以形成以δ 相為基的固溶體即Cu41Sn11，也是室溫下的硬脆相。同樣，由銅鎳二元合金相圖可知，Cu與Ni可以形成無(wú)限固溶體，在燒結(jié)過(guò)程中Ni元素可以通過(guò)與銅反應(yīng)形成固溶體，從而提高胎體的抗彎強(qiáng)度和硬度；同時(shí)，本配方中添加的Ni粉粒度細(xì)小，在合金中還可起到細(xì)化晶粒的作用，此外，Ni的加入還可以使得Sn、Zn的流動(dòng)性得到有效改善，可促進(jìn)燒結(jié)的致密化進(jìn)程，從而提高胎體的綜合性能。

2點(diǎn)檢測(cè)到主要成分為Cu元素，3點(diǎn)檢測(cè)到主要成分為Fe元素，還檢測(cè)到少量的Cu和Ni，根據(jù)何娟等人的研究結(jié)果，在燒結(jié)進(jìn)程中Fe元素易發(fā)生自擴(kuò)散過(guò)程，使得胎體粉末中Fe元素會(huì)形成連續(xù)相。4點(diǎn)是夾雜在深灰色組織中的亮灰色組織，其主要成分是Cu、Fe，同時(shí)還檢測(cè)到含有少量的Sn、Zn和Ni元素，推測(cè)是熱壓燒結(jié)過(guò)程它們擴(kuò)散進(jìn)入了FeCu30預(yù)合金粉中。5點(diǎn)的Fe、Ni、P含量較高，推測(cè)是由于Ni擴(kuò)散進(jìn)入磷鐵粉形成的組織，由鐵鎳相圖分析可知，Ni含量較低時(shí)，F(xiàn)e與Ni可形成以鐵為基的固溶體，P的存在是由于配方中加入了FeP粉，但由于磷鐵粉的添加量較少，組織中其數(shù)量也不多。

為了弄清楚鐵基胎體中的物相，借助X射線(xiàn)衍射儀分析了750℃燒結(jié)時(shí)的胎體的物相組成，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，胎體中的物相主要包括γ-Fe，鐵基、銅基固溶體以及Ni4Sn和Fe4Cu3、Cu0.61Zn0.39等金屬間化合物。

（二）燒結(jié)溫度對(duì)胎體性能的影響

表1為鐵基胎體燒結(jié)溫度與性能之間的關(guān)系圖。從表1中可以看出，胎體的致密度和洛氏硬度隨燒結(jié)溫度的升高而增大，抗彎強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。燒結(jié)時(shí)隨著溫度的上升，低熔點(diǎn)的Sn、Zn熔化并填充到其他粉末空隙間，與Cu、Ni等形成固溶體和金屬間化合物等低熔點(diǎn)相。溫度進(jìn)一步升高，生成的低熔點(diǎn)相增多。同時(shí)，在壓力的輔助作用下，胎體的致密度迅速增大，合金化程度隨之增加，胎體硬度、抗彎強(qiáng)度也隨之增大。胎體致密度在750℃和760℃時(shí)接近，分別為98.7%和98.8%，硬度分別為97.7HRB和104.2HRB，抗彎強(qiáng)度分別為987.5MPa和988.7MPa，相差不大。但抗彎強(qiáng)度在770℃燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)下降，原因是此時(shí)燒結(jié)溫度偏高，起粘結(jié)劑作用的液相量過(guò)多而出現(xiàn)少量流料，因此導(dǎo)致強(qiáng)度稍有下降，此時(shí)強(qiáng)度為967.1MPa。肖俊玲[5]等人的研究結(jié)果表明對(duì)于鐵基胎體制造的陶瓷磚磨邊輪刀口磨削鋒利、使用效果較好時(shí)，胎體的硬度約為96 HRB，抗彎強(qiáng)度約為970 MPa。對(duì)于金剛石工具用結(jié)合劑硬度過(guò)高致使胎體非常耐磨，使其在使用時(shí)金剛石不容易出露，會(huì)導(dǎo)致工具的鋒利度下降，加工效率降低。

表1 鐵基胎體燒結(jié)溫度與性能之間的關(guān)系

綜合以上分析，在本試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，該鐵基胎體較適宜的燒結(jié)溫度為750℃～760℃，因溫度越高，生產(chǎn)成本就越高且會(huì)出現(xiàn)流料現(xiàn)象造成材料的浪費(fèi)，所以在滿(mǎn)足使用性能要求的前提下，燒結(jié)溫度應(yīng)盡可能的低些。

三、結(jié)論

（一）鐵基胎體中主要由亮灰色，灰色和深灰色三種顏色組織組成，隨著燒結(jié)溫度的升高，亮灰色組織逐漸減少，灰色組織增多。

（二）鐵基胎體的主要物相組成是γ-Fe，鐵基、銅基固溶體以及一些金屬間化合物。

（三）鐵基胎體的致密度、硬度均隨燒結(jié)溫度的上升而提高，抗彎強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

（四）該鐵基胎體配方的較適宜燒結(jié)溫度為750℃-760℃。