Sn含量对Cu基金刚石锯片胎体组织与硬度的影响

李文生，姜威，冯力，王磊，路阳



Sn含量对Cu基金刚石锯片胎体组织与硬度的影响

李文生，姜威，冯力，王磊，路阳

(兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050)

以Cu为基体，加入Co，Fe，Cr，Sn粉末，改变Sn含量，经过模压成形与热压，制备Cu基金刚石超薄切锯胎体材料，用显微硬度仪、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X线衍射(XRD)表征该胎体材料的显微硬度、组织和成分，研究Sn含量对胎体组织和硬度的影响。结果表明：采用烧结温度700 ℃、烧结压力8.2 MPa的工艺烧结出的胎体中，当Sn的质量分数为2%时，烧结Cu基锯片胎体平均硬度(HV0.1)最低为885.82 MPa；当Sn含量为12%时，烧结Cu基锯片胎体平均硬度最高为1914.72 MPa。胎体中Sn含量从2%增加到6%，由于胎体中铜锡固溶体的含量增加，Cu基锯片胎体的平均硬度增加，胎体中Sn含量从8%增加到12%时，胎体中铜锡固溶体的含量减少，但是铜锡中间相含量增加，Cu基锯片胎体的平均硬度增加并达到最大值；胎体中Sn含量高于8%时，液态Sn会从胎体中流出，锯片与模具粘着严重，严重影响锯片成形率。

Sn；单轴模冷压；热压；Cu基胎体；固溶体；硬度

金刚石锯片由于具有优异的切割性能广泛用于磨具、锯切工具、钻具、刀具、拉拔工具、修整工具和其它工具[1]。采用Co，WC等为主要成分的金刚石锯片胎体，能明显提高金刚石锯片胎体的切割性能[2−3]，但以Co和WC为主要成分的金刚石锯片价格较高，使其应用受到限制[4]。Cu基金刚石锯片由于低廉的价格，优异的力学性能，成为组成金刚石锯片的主要材料[5−6]。LIU等[7]对Cu基金刚石锯片胎体的性能进行了研究，其研究降低了金刚石锯片的成本并且获得了优异的切割性能。金刚石锯片的性能会对加工产品的质量产生直接的影响，XIA等[8]的研究结果表明，除了锯片的厚度、韧性、摩擦性能外，硬度也是金刚石锯片的重要性能指标之一[9]。而改变金刚石锯片胎体成分是目前提高金刚石锯片硬度的主要途径。国内外学者对于W元素[10]、稀土元素[11]、烧结工艺[12]、粘结剂[13]、冷压工艺[14−15]、基体材料[15−19]等对金刚石锯片硬度的影响进行了大量研究，优化了制造工艺，改善了切削性能，但这些研究主要集中在通过提高胎体组织的硬度来提高胎体硬度，对胎体硬度的提升都不明显。本研究以Cu为基体，加入Co，Fe，Cr，Sn粉末，改变Sn粉的含量, 制备粉末冶金Cu基金刚石超薄切锯胎体材料，研究Sn含量对胎体组织与硬度的影响，以期通过提高胎体中较低组织的硬度来提高胎体的硬度，改善锯片切削性能。

1 实验

1.1 胎体制备

Cu基金刚石复合材料超薄切锯片胎体的成分如表1所列，Fe，Sn，Cr粉为水雾化粉，平均颗粒尺寸分别为53，37和42 µm，Cu粉为电解粉，平均颗粒尺寸为48 µm，Co粉为气雾化粉，平均颗粒尺寸为62 µm。

表1 Cu基金刚石锯片胎体的名义成分

按表1所列成分称取粉末，混合粉末采用三维涡流混料机(TD-2)混合5 h后分别装入冷压模具中，均匀铺展在压头表面，加入5%(质量分数)液体石蜡(成形剂)后，在HT−1500KN型压样机中单轴冷压成形。压制力为160 MPa，保压时间2 min。冷压Cu基胎体成形率为80%。

冷压坯脱模后在室温下放置5 h，以去除多余的液态成形剂。压坯装入真空热压烧结炉(RYJ−2000Z)中烧结。热压工艺参数：烧结温度 700 ℃、烧结压力8.2 MPa、保温时间4 min、升温速率45 ℃/min，试样随炉冷却。1#~6#试样的热压烧结胎体平均厚度分别为0.43，0.46，0.47，0.46，0.46和0.45 mm。

1.2 性能与结构分析

用附带能谱仪(EDX)的JSM−6700F型场发射扫镜和D8ADVANCE 型X线衍射仪观察与分析铜基胎体的组织、元素分布以及物相组成。用HVS−1000数显显微硬度计测量胎体和富铜相的显微硬度，压头载荷为0.98 N。利用维氏硬度计测试胎体和富铜相的平均硬度。

2 结果及讨论

2.1 混合粉末形貌

图1所示为混合粉末的SEM像。可见Fe粉形状不规则，Cu粉树枝状，Sn粉为白色球状，Co粉为深色球状，Cr为深色小球。

图1 混合金属粉末的SEM像

2.2 烧结胎体的组织和成分

图2所示为不同Sn含量烧结Cu基锯片胎体的SEM像。其中，浅黑色的为富Cu相，深黑色的为Fe相，浅灰色圆圈状是富Co相，白色是富锡相，黑色小点为孔隙。由图可知，Sn含量从2%增加到6%，胎体中主要以浅灰色的富Cu相和富Fe相为主；Sn含量从8% 增加到12%，胎体中主要以白色的富Sn相和富Fe相为主。Sn含量为2%~6%，烧结Cu基锯片胎体的硬度主要由基体中含量较高的富Fe相和富Cu相决定。富Fe相的硬度大于富Cu相的硬度，提高富Cu相的硬度能够提高烧结Cu基锯片胎体的平均硬度。对Sn含量为2%~6%的Cu基锯片胎体的富Cu相进行EDS分析，结果如表2所列，可知富Cu相中含有铜锡两种元素，随Sn含量增加，富Cu相中的Sn含量增加，表明铜锡固溶体的含量增加。Sn含量为8%~12%时，烧结Cu基锯片富Cu相的含量开始减少，富Sn相的含量开始增多，此时，增多烧结Cu基胎体锯片富Sn相的含量即可提高烧结Cu基胎体锯片的平均硬度。

图2 不同Sn含量烧结Cu基锯片胎体SEM像

图3所示为不同Sn含量的烧结Cu基锯片胎体的XRD谱。由图可知，Sn含量为2%~6%时，Cu基胎体的相组成基本一样，均以(Fe,Cr)，(Cu,Sn)，Cu，Cr，Cu13.7Sn和Fe为主相；Sn含量为8%~12%时，Cu基胎体的组成相出现了Sn和Cu5.6Sn，其中Fe-Cr，Fe和Cr的晶格结构为体心立方，Cu，(Cu,Sn)和Cu13.7Sn的晶格结构为面心立方[15, 18]。Cu原子和Sn原子的半径差小于15%，冷压Cu基锯片胎体热压烧结后保温一段时间空冷，Sn含量2%~6%，能够较容易在烧结Cu基锯片胎体中形成以铜为基的铜锡置换固溶体(Cu,Sn)[18]。随Sn含量增加，Sn含量8%~12%，烧结Cu基锯片胎体中形成了铜锡中间相，主要相组成为Cu13.7Sn和Cu5.6Sn。

图3 不同Sn含量烧结Cu基锯片胎体XRD谱

表2 不同含量Sn的Cu基胎体的EDS分析结果

2.3 烧结Cu基锯片胎体的硬度

图4 所示为不同Sn含量对烧结Cu基锯片胎体平均维氏硬度和烧结Cu基锯片胎体铜锡相平均维氏硬度的影响曲线。

图4 不同含量Sn对烧结Cu基金刚石锯片胎体硬度影响

由图4可知，烧结Cu基锯片胎体中Sn含量为2%时，烧结Cu基锯片胎体的平均硬度(HV0.1)最低，其原因是：Sn粉的熔点为231.9 ℃，Cu基冷压压坯在700 ℃的温度和8.2 MPa的压力下热压烧结时，Sn粉会融化，熔融的Sn金属液与周围的金属粉末接触，由于Sn金属液存在于Cu粉颗粒界面处，因此促进了与Cu的反应，形成了铜锡置换固溶体。当烧结Cu基锯片胎体中Sn的含量为2%时，胎体中Sn的总量太少，富铜相中的Sn只有7.3%，形成的铜锡固溶体不多，胎体中富铜相的硬度不高，导致烧结Cu基锯片胎体的平均硬度最低，为885.82 MPa。

随胎体中Sn含量增加，烧结Cu基锯片胎体的平均硬度不断增加，其原因是：胎体中Sn的总含量从2%增加到6%时，铜与锡形成固溶体的含量增加，固溶体增加造成胎体中富铜相硬度提高，导致烧结Cu基锯片胎体的平均硬度不断提高。

烧结Cu基锯片胎体中Sn含量为8%时，烧结Cu基锯片胎体的平均硬度增加很大，其原因是：胎体中Sn的总含量增加，胎体中富铜相减少，但胎体中富Sn相增多，形成的铜锡中间相增多(图2，图3，表2)，铜锡中间相的硬度大于铜锡固溶体的硬度，烧结Cu基锯片胎体的平均硬度增大，达到了1 630.23 MPa。但当胎体中Sn总含量超过8%时，由于Sn的熔点太低，高温高压烧结冷压Cu基锯片时，Sn金属液流出胎体，流出的Sn金属液在室温下凝固后使Cu基锯片胎体粘着在磨具上，严重影响烧结Cu基锯片胎体的成形率。

随Sn含量继续增大，富Sn相增多，铜锡中间相的含量增大，当Sn含量达到12%时，烧结Cu基锯片胎体的硬度达到了最大值1914.72 MPa。

3 结论

1) 在烧结温度700 ℃、烧结压力8.2 MPa的工艺条件下，Sn含量对Cu基锯片胎体的硬度影响很大。Sn含量从2%增加到12%的过程中，随Sn含量增加，烧结Cu基锯片胎体的平均硬度升高。

2)烧结Cu基锯片胎体中Sn含量从2%增加到6%的过程中，Cu和Sn形成固溶体的量增加，固溶体的增加为Cu基锯片胎体的平均硬度提高做出主要贡献；烧结Cu基锯片胎体中Sn含量从8%增加到12%时，富Sn相含量增加，铜锡中间相含量增加，中间相的增加为Cu基锯片胎体的平均硬度提高做出主要贡献。但Sn含量超过8%时，会有Sn从锯片胎体中流出影响锯片的成形。

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(编辑 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

国家国际科技合作项目(2015DFR51090)；国家外专局高端引智项目(GTD20156200088)

2015−06−09；

2015−12−29

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