預(yù)合金粉與單質(zhì)混合粉銅鋅燒結(jié)體組織與性能研究

翟德銘，劉曉燕

(濮陽(yáng)石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457001)

0 引言

金剛石鋸片具有優(yōu)良的切割性能和抗磨損性能，在玻璃、石材等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。金剛石鋸片由刀頭和鋼基體組成，其中刀頭是影響鋸片鋸切性能的關(guān)鍵因素[2]。金剛石刀頭由起切削作用的金剛石、起支撐作用的骨架材料和起粘結(jié)金剛石與骨架材料作用的粘結(jié)劑組成。粘結(jié)劑粘結(jié)作用的好壞對(duì)金剛石刀頭切削性能的優(yōu)劣影響重大，銅鋅粘結(jié)劑是金剛石工具中常用的粘結(jié)劑。銅鋅粘結(jié)劑可以以預(yù)合金粉和單質(zhì)混合粉兩種方式加入。

由文獻(xiàn)[3-4]可知，在性能方面，大部分預(yù)合金粉要優(yōu)于單質(zhì)混合粉，Cu-Zn是銅基預(yù)合金粉的重要體系之一[5]。本文以銅鋅預(yù)合金粉和銅鋅單質(zhì)機(jī)械混合粉熱壓燒結(jié)的燒結(jié)體為研究對(duì)象，借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)等設(shè)備工具，研究相同工藝條件下兩種粉燒結(jié)體的顯微組織、硬度、抗彎強(qiáng)度等方面的差異，探究引起兩者性能差異的具體原因，為銅鋅預(yù)合金粉的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)上的依據(jù)。

1 燒結(jié)體的制備及組織與性能分析方法

按照銅元素與鋅元素質(zhì)量比為ωCu∶ωZn=60∶40的比例用霧化法制取銅鋅預(yù)合金粉，然后對(duì)制得的預(yù)合金粉進(jìn)行球磨和干燥，并篩分出直徑75 μm以下的預(yù)合金粉。用直徑75 μm以下的銅單質(zhì)粉和鋅單質(zhì)粉，按照ωCu∶ωZn=60∶40配制銅鋅單質(zhì)混合粉，在JSS48A-2Z型三維混料機(jī)上混料3 h。銅鋅預(yù)合金粉與銅鋅單質(zhì)混合粉的SEM照片如圖1所示，由圖1可知，銅鋅預(yù)合金粉呈不規(guī)則形狀，銅鋅單質(zhì)混合粉中銅呈樹(shù)枝狀，鋅呈圓球狀。

(a)銅鋅預(yù)合金粉

把所制得的銅鋅預(yù)合金粉與單質(zhì)混合粉在SMVB60型熱壓燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為580℃、620℃、660℃、700℃，燒結(jié)壓力均為25 kN，保溫時(shí)間均為3 min，然后隨爐冷卻。熱壓石墨模具模腔尺寸為40 mm×8 mm×3.5 mm。

利用JSM-7500F型掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)體組織，借助能譜儀分析其組織成份；運(yùn)用Bruker D8 FOCUS 型X射線衍射儀分析燒結(jié)體的物相組成；通過(guò)HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)量燒結(jié)體的硬度；利用C45.105型萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度；采用排水法測(cè)量燒結(jié)體致密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對(duì)預(yù)合金粉和單質(zhì)混合粉熱壓燒結(jié)所得的燒結(jié)體進(jìn)行顯微組織、物相和物理性能分析。

2.1 顯微組織分析

圖2為銅鋅預(yù)合金粉和銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體在700℃燒結(jié)后掃描電鏡圖，對(duì)圖2a、2b中的A、B、C、D、E、F點(diǎn)分別進(jìn)行能譜分析，所得結(jié)果如表1、表2所示。

(a)銅鋅預(yù)合金粉

表1 銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體EDS分析結(jié)果(wt.%)

表2 銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體EDS分析結(jié)果(wt.%)

由圖2a可以看出，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體呈灰色(A處)、淺灰色(B處)和黑色(C處)三種顏色，且灰色相居多；由圖2b可以看出銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體也出現(xiàn)灰色(F處)、淺灰色(D處)和黑色(E處)，淺灰色居多，圖3是黑色部位G處的放大圖，由圖3可以看出，單質(zhì)混合粉燒結(jié)體中的黑色部位比較疏松，有金屬粉的存在，沒(méi)有燒結(jié)完全，沒(méi)有形成新的相，所以銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體中只存在淺灰色和灰色兩種相。同樣在700℃的條件下，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體的燒結(jié)過(guò)程已經(jīng)基本完成，而銅鋅單質(zhì)混合粉卻仍有部分金屬顆粒沒(méi)有完成燒結(jié)，說(shuō)明單質(zhì)混合粉比預(yù)合金粉燒結(jié)更難于完成。

圖3 銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體中黑色區(qū)域SEM照片

銅與鋅質(zhì)量比ωCu∶ωZn=60∶40時(shí)，在580℃～700℃熱壓燒結(jié)生成以銅為基的固溶體α相和以電子化合物CuZn為基的固溶體β相[6]。根據(jù)表1和表2的能譜分析結(jié)果可推測(cè)A、F區(qū)域?yàn)棣料?，B、D區(qū)域處為β相，C處黑色部分則為在處理試樣時(shí)殘留在晶界處的拋光膏或砂紙上的微小沙粒，這也從側(cè)面反映出在700℃時(shí)，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體中鋅揮發(fā)嚴(yán)重，鋅的揮發(fā)導(dǎo)致燒結(jié)體內(nèi)殘留大量微小孔洞，以至于在打磨和拋光試樣的過(guò)程中，細(xì)小的沙粒和拋光膏很容易進(jìn)入燒結(jié)體中的微小孔洞內(nèi)。

銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體與銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體的X射線衍射分析結(jié)果如圖4所示。

(a)銅鋅預(yù)合金粉

對(duì)比銅鋅預(yù)合金粉與銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體的X射線衍射分析結(jié)果可知，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體中一共生成了ZnO、Cu21Zn19、CuZn、Cu5Zn8四種相，銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體中則生成ZnO、Cu21Zn19、Cu16Zn9、CuZn四種相。銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體中特有的相是Cu5Zn8，銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體中特有的相是Cu16Zn9。

2.2 硬度分析

銅鋅預(yù)合金粉與銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體脫模后，用砂紙打磨光亮平整，之后測(cè)量洛氏硬度，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體與銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體洛氏硬度對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 洛氏硬度對(duì)比

由圖5可知，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體隨著燒結(jié)溫度580℃升高到620℃的過(guò)程中，硬度基本維持恒定，而在620℃之后，其硬度出現(xiàn)明顯下降，這一方面是由于620℃之后鋅的揮發(fā)較為嚴(yán)重，并且隨著溫度的升高，揮發(fā)的越來(lái)越多，燒結(jié)體中的微小孔洞也越來(lái)越多，導(dǎo)致硬度下降；另一方面是因?yàn)殡S著溫度的升高，晶粒變的越來(lái)越粗大，單位面積內(nèi)的晶界越來(lái)越少，晶界對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用也就越來(lái)越小，因而其硬度下降。

銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體從580℃升高到700℃的過(guò)程中，其硬度仍然受到燒結(jié)完成程度和晶粒長(zhǎng)大以及鋅的揮發(fā)三重影響。在620℃之前，燒結(jié)完成程度占主要因素，溫度越高燒結(jié)越充分，硬度也就高，但在620℃之后，晶粒長(zhǎng)大以及鋅揮發(fā)對(duì)硬度的兩個(gè)不利影響因素占主導(dǎo)，硬度開(kāi)始隨溫度的升高而下降。

2.3 抗彎強(qiáng)度分析

對(duì)銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體與銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體分別進(jìn)行抗彎強(qiáng)度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示

圖6 抗彎強(qiáng)度對(duì)比

由圖6可知，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度明顯高于銅鋅單質(zhì)粉燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度隨著溫度的升高先增大后減小，并且在660℃時(shí)達(dá)到最大，銅鋅預(yù)合金粉中的原子隨著溫度的升高，其擴(kuò)散、流動(dòng)等物質(zhì)遷移能力提高，儲(chǔ)存在晶粒內(nèi)的高能量也更容易釋放，達(dá)到熱力學(xué)上的自由能低的穩(wěn)定狀態(tài)[7]，另一方面，隨著溫度的升高，生成的α相越來(lái)越多，α相具有很好的強(qiáng)度與塑性，所以導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度隨溫度升高而升高。到660℃以后，隨著溫度的升高，晶粒變得越來(lái)越粗大，晶界的強(qiáng)化作用下降，同時(shí)α相中固溶在Cu中的Zn揮發(fā)的越來(lái)越多[8-9]，尺寸也發(fā)生了變化[10]，在晶界、位錯(cuò)和間隙等處富集，Zn的分布越來(lái)越不均勻，固溶強(qiáng)化效果下降[11]，所以在660℃以后，銅鋅預(yù)合金粉的抗彎強(qiáng)度降低。對(duì)銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體而言，隨著燒結(jié)溫度的升高，自由能降低對(duì)其抗彎強(qiáng)度的有利影響和晶粒長(zhǎng)大對(duì)抗彎強(qiáng)度的不利影響相互抵消，故隨著溫度的升高，其抗彎強(qiáng)度變化并不明顯。

2.4 致密度分析

根據(jù)阿基米德原理，利用排水法計(jì)算出所得燒結(jié)體的實(shí)際密度ρ實(shí)，實(shí)際密度與理論密度ρ理之比A即為燒結(jié)體的致密度，如式(1)所示。

A=ρ實(shí)/ρ理×100%

(1)

銅鋅預(yù)合金粉與單質(zhì)混合粉燒結(jié)體致密度對(duì)比如圖7所示。

圖7 致密度對(duì)比

由圖7可知，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體的致密度明顯高于銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體的致密度。銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體從580℃升高到620℃的過(guò)程中，致密度沒(méi)有明顯變化，但在620℃以后，隨著鋅揮發(fā)的增多，致密度呈下降趨勢(shì)。銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體從580℃升高到620℃的過(guò)程中，由于燒結(jié)變得更加充分，所以致密度提高，但在620℃后，銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體仍然出現(xiàn)鋅揮發(fā)嚴(yán)重現(xiàn)象，導(dǎo)致致密度下降。

3 結(jié)論

(1)銅鋅預(yù)合金粉在熱壓燒結(jié)過(guò)程中生成了ZnO、Cu21Zn19、CuZn、Cu5Zn8三種相，銅鋅單質(zhì)混合粉生成了ZnO、Cu21Zn19、Cu16Zn9、CuZn四種相，熱壓燒結(jié)后，銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體的組織比銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體的組織均勻致密，且燒結(jié)溫度更低。

(2)無(wú)論是銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體還是銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體的硬度均先隨著溫度的升高而升高，然后隨著溫度的降低而降低，并在620℃時(shí)達(dá)到最大。銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度先隨著溫度的升高而升高，在660℃時(shí)抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大，之后隨著溫度的升高而降低，而銅鋅單質(zhì)混合粉的抗彎強(qiáng)度受溫度的影響較小。

(3)銅鋅預(yù)合金粉燒結(jié)體無(wú)論是組織、硬度還是抗彎強(qiáng)度均明顯好于銅鋅單質(zhì)混合粉燒結(jié)體，更適合用于金剛石工具的生產(chǎn)制造。