铜磷预合金粉在金刚石工具中的应用*

于 奇， 马 佳， 龙伟民， 钟素娟， 丁天然， 于新泉

(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)

金刚石工具对各种坚硬材料具有优秀的加工能力，尤其在石材、陶瓷、地质、机械、国防等各个领域得到日益广泛的应用[1-2]。随着金刚石工具行业不断向高效节能、稳定可控的方向发展，单质金属粉末逐渐被预合金粉末所替代，预合金粉末对金刚石工具的性能提升产生了极大的促进作用。预合金粉末是按照设计好的成分配比，通过火法冶金等方法将金属制成特定粒度的合金粉末[3]，由于每个粉末颗粒都包含有组成合金的各种金属元素，粉末成分均匀性好，烧结活性高，可有效避免金刚石工具胎体元素偏析，提高工具的综合性能[4-5]。

铜磷预合金粉作为一种钎焊粉末，在紫铜及铜合金钎焊领域有着广泛的应用。磷是一种自钎剂元素，在钎焊及烧结过程中可还原金属或粉末表面氧化物[6]，稳定生产工艺和产品质量；添加磷元素可显著降低合金熔点，增加合金流动性；另外，由于磷在铜中几乎不固溶，铜磷预合金粉末烧结过程中极易形成硬脆的Cu3P化合物，同时对金刚石工具胎体常用的铁、钴、镍等元素也有润湿性并可形成脆性化合物[7-8]。因此，在金刚石工具中添加铜磷预合金粉末可提高胎体的致密度、耐磨性和自锐性[9]。

我们在金刚石工具胎体中添加铜磷预合金粉，研究铜磷预合金粉末对胎体综合性能的影响，并进行微观组织机理分析，验证添加铜磷预合金粉的胎体中弥散存在脆性化合物，有利于提高金刚石工具的锋利度和切削效率，同时提升金刚石工具的综合性能。

1 试验材料及过程

1.1 合金粉基本性能

使用郑州机械研究所有限公司研制的铜磷预合金粉，采用多级耦合惰性气体雾化法，制备过程中金属液流经过高压气体雾化后在高速转盘离心破碎，所得粉末颗粒有气雾化的球形和离心雾化的不规则形状，其显微照片如图1所示。合金粉末中，磷质量分数7%～9%，铜余量。铜磷预合金粉基本性能如表1所示。

图1 铜磷预合金粉显微照片

性能取值松装密度ρs/(g/cm3)2.9～3.2理论密度ρt/(g/cm3)7.56熔点Tm/℃715～730氧元素质量分数wO<0.15%烧结温度Ts/℃500～550硬度HRB 87～96强度σ/MPa680～750

1.2 烧结体成分

烧结体主成分原材料为0.050 mm的电解铜粉，0.074 mm的还原铁粉以及铜磷预合金粉，烧结配方中各粉末的质量分数如表2所示。

1.3 热压烧结工艺

利用金海威SM型热压烧结压机进行工艺摸索，确定两种配方最佳热压烧结工艺如图2所示。两种热压工艺最高温度分别设置为880 ℃和750 ℃，分别从室温经过短时间升温至400 ℃，然后开始计时。

表2 烧结配方中各粉末的质量分数

图2 烧结体热压工艺曲线

1.4 试验方法

根据公式(1)计算配方理论密度：

(1)

其中，w为各组元质量分数，ρ为各组元密度。Cu密度为8.96 g/cm3，Fe密度为7.86 g/cm3，CuP理论密度为7.56 g/cm3，根据表2计算得到配方一理论密度为8.17 g/cm3，配方二理论密度为8.01 g/cm3。模具体积为40 mm×8 mm×3.5 mm，进一步算出配方一理论投料量为9.15 g，配方二理论投料量为8.97 g。将粉末装入石墨模具中刮平预压紧，利用图2工艺进行烧结，烧结后将刀头打磨并进行检测。

试样经清洗干燥后，在空气中称量，其质量记为m1；用凡士林进行表面防水处理，细尼龙线捆扎后置于空气中称量，其质量记为m2(包括细尼龙质量在内)，随后置于水中称量，记为m3。则真实密度ρr的计算公式为：

(2)

致密度η的计算公式为：

(3)

使用华银洛氏硬度仪，根据《GB/T 230.1-2009 金属洛氏硬度试验方法》，测量刀头烧结体的洛氏硬度并取平均值；使用MTS万能力学试验机，获得其抗弯强度并取平均值；使用蔡司金相显微镜和飞纳电子显微镜分析烧结体的微观组织及成分。

2 结果与讨论

根据前述工艺分别制备2种配方的烧结体若干，并测试其性能。

2.1 物理性能

测试所制备的2种烧结体的物理性能，其结果如表3所示。

表3 2种烧结体的物理性能

添加铜磷预合金粉末可显著降低铁铜单质粉末烧结温度，提高烧结体致密度、硬度和抗弯强度。其中烧结体2的硬度比烧结体1的硬度提高125%，抗弯强度提高38%，综合性能得到极大提升。在金刚石工具中铁粉一般是骨架相材料，铜粉为黏结剂，在880 ℃的热压温度下铁粉中没有生成液相，铜粉中生成少量液相，烧结过程属于固相烧结。配方二中添加铜磷预合金粉后，在烧结过程中有液相形成，属于瞬时液化烧结，烧结体致密度提升，且铜磷合金中随着磷元素增加，液相线急剧下降，当磷质量分数高于5%时，合金的流动性增加[10]，铜磷预合金粉在金刚石工具热压烧结温度下能够完全液化，通过良好的流动性增加了烧结体的致密度并促进其合金化。

图3所示为2种烧结体抗弯强度曲线。由图3可以看出：烧结体1表现为韧性断裂，烧结体2表现为脆性断裂。烧结体1的韧性过高，在金刚石工具制备过程中易出现胎体过粘、金刚石不出刃等问题，影响金刚石工具锋利度。烧结体2的机械性能适当，其硬度和强度可提高胎体对金刚石把持力，同时胎体呈脆性，工作接触层有利于在磨削加工过程中脱落，提高金刚石工具锋利度。

配方一在热压温度下以固相扩散反应为主：在热压烧结过程中，粉末在高温、高压作用下表面活化能增加，粉末之间存在塑性流变，即粉末颗粒间接触点和面发生黏结和烧结颈长大[11]。由于在880 ℃烧结温度下粉末形成少量液相，粉末颗粒变形后夹杂的孔隙难以完全消除，导致烧结体致密度偏低。铁粉和铜粉在高温下仅存在极微量扩散反应，晶粒长大趋势较弱，界面缺陷较多，导致机械强度较低。

添加铜磷预合金粉(配方二)的烧结体2，其致密度、硬度和强度明显提升，这是因为烧结过程中烧结体粉末存在烧结颈长大后孔隙闭合和缩小的过程。这是因为在烧结过程中，铜磷预合金粉完全液化，与铁粉和铜粉发生界面反应，钎焊连接粉末颗粒，提高了烧结体整体机械性能。

图3 2种烧结体抗弯强度曲线

2.2 微观组织分析

制样后对烧结体进行金相分析，金相对比如图4。

(a) 烧结体1金相图片Metallography of sintered body 1

(b) 烧结体2金相图片Metallography of sintered body 2图4 烧结体金相图片

图4a中浅色纯铜相弥散分布在深色纯铁相中；图4b中烧结体致密化程度高，晶粒出现长大现象，证明烧结体2烧结合金化程度较高。图4a中的相界面清晰，未出现明显颜色梯度过渡，证明铁和铜在热压过程中未出现明显扩散反应。图4b的浅色相与深色相的相界面上出现连续的反应层，且均匀分布在界面层靠近浅色相一侧。

由以上分析得出：通过添加铜磷预合金粉，烧结体致密度明显提升，并在铁和铜的扩散界面层形成一定厚度的灰黑色反应层。对2种配方的界面结构和成分进行分析，其结果见图5。

(a) 烧结体1电子显微照片Image of sintered body 1

(b) 烧结体2电子显微照片Image of sintered body 2图5 烧结体背散射电子显微照片

对图5中标示的各点，分别进行能谱分析，其结果如表4所示。

图5a中A点为铁粉烧结后的晶粒，在烧结过程中无铜元素扩散进入；B点为界面处，同时含有铁铜元素；C点是含有少量铁元素的铜。在烧结过程中，铁、铜为塑性变形，铁向铜中扩散。这是因为铁对铜固溶度很低，而铜对铁有一定的溶解度，因此可在铜中检测到铁。二者之间一般不形成脆性的金属间化合物[12]，在金刚石工具使用时脆性不够，导致金刚石出刃困难，工具锋利度不足。

图5b中D点为烧结铁粉的晶粒，其中未检测到铜元素；在富铜相与铁粉晶粒界面处(E点)存在灰黑色连续反应层，分析发现其中存在较多磷元素，证明烧结过程中磷元素向富铁相界面扩散。磷会缩小铁的γ相区，形成γ相圈；在α铁和γ铁中最大溶解度分别为2.80 g及0.25 g。根据Fe-P合金二元相图，当P的质量分数高于10%，容易形成硬脆的金属磷化物Fe3P，增加烧结体脆性[13]。在相界面生成的连续脆性相反应层，会弱化铁粉晶粒与富铜相结合强度，从而弱化烧结体结合强度，增加烧结体脆性。在烧结过程中，铜磷预合金粉优先形成液相，与铜粉合金化形成铜基含磷相。随着温度升高，铁粉表面活性增高，铜基含磷相中的磷元素在铁粉界面上作用，消除粉末表面氧化物，增加铁粉表面活性，在铁粉表面形成连续反应层，反应层中磷含量较高，生成硬脆的Fe3P金属间化合物。铜磷预合金粉在烧结过程中属于液相烧结，有利于烧结体致密化和合金化程度的提升[14]。同时，磷元素有利于去除粉末表面氧化层，增加粉末表面活性，在铁、铜相界面生成硬脆反应层，增加烧结体脆性，弱化界面结合强度，在金刚石工具使用过程中更容易出刃，增加工具锋利度。

表4 各点能谱成分分析结果

3 结论

(1)铜磷预合金粉熔点低，可有效降低胎体烧结温度，提高胎体的致密化程度和合金化程度。

(2)通过添加铜磷预合金粉末，烧结体性能得到极大提升。在还原铁粉、电解铜粉和铜磷预合金粉质量比为63∶27∶10时，烧结体硬度提高125%，抗弯强度提高38%。

(3)添加铜磷预合金粉末在铁粉晶粒及富铜相界面形成灰黑色连续脆性磷铁化合物，弱化了界面结合强度，提高金刚石工具的锋利度。