稀土Ce对新型铜基结合剂金刚石节块性能的影响

吴　颖

(四川文理学院物理与机电工程学院, 四川　达州　635000)



稀土Ce对新型铜基结合剂金刚石节块性能的影响

吴颖

(四川文理学院物理与机电工程学院, 四川达州635000)

[摘要]通过抗弯强度测试、显微硬度和扫描电镜研究新型铜基结合剂Cu53Sn21Fe20Ni6中添加Ce元素后组织和性能的变化.结果表明：稀土 CeO2的加入对结合剂胎体的各项性能及其组织的强化作用并不明显，反而不利于提升结合剂对金刚石颗粒的粘结性能和胎体的致密度，尤其是当含量高于0.8﹪时，结合剂烧结性能变差，胎体组织不均匀，但Ce的添加可以提高工具的锋利度和自锐性.当稀土Ce元素的含量低于0.6﹪时，弥散分布在结合剂中，可一定程度地提升胎体的显微硬度和抗弯强度.

[关键词]CeO2；铜基结合剂；力学性能；显微组织

金刚石工具中金刚石磨粒与结合剂固着把持强度低、易脱落、出刃难以及磨削过程中受力不均等问题，严重影响工具的使用寿命和加工质量.随着相关行业对优异工具需求的持续增长，通过合理的制造工艺来满足更高的加工性能要求成为业界关注的焦点[1-3].其中，金属结合剂有热成型性能好、结合强度高、散热快等优点，钴基、铜基、铁基结合剂在金刚石工具中的研究及应用已较普遍[2,4].SchubertT等人通过在铜基中添加Cr、Ti等强碳化物形成元素或在金刚石表面镀覆强碳化物，都在不同程度上影响胎体对金刚石的把持力[5-8].本文在对新型铜基结合剂Cu53Sn21Fe20Ni6(CSF)有一定研究基础上[8]，分析整理了稀土Ce元素对结合剂组织和性能的影响，可以拓展新型铜基结合剂的应用范围.

1实验材料及方法

实验所用JR3品级的金刚石磨粒浓度为25﹪，按50﹪(70/80) +50﹪(80/100) 配比组成.Ce以CeO2形式添加，添加时在混合粉末中加入1.5﹪~3﹪的石蜡防止粉末偏聚，添加量依次为0.2﹪、0.4﹪、0.6﹪、0.8﹪、1.0﹪.

实验所用显微硬度仪型号为HXS-1000AX，TESCANVEGAⅡLMU型号的扫描电镜和OXFORDINCA的EDS.通过将合金粉末混合均匀后，在石墨模具中进行烧结，烧结温度680 ℃，压力80kN，保温时间210s，分别烧结成不含金刚石颗粒的纯胎体试样和含金刚石颗粒的复合胎体试样多个，采用三点抗弯强度测试的方法测试试样的抗弯强度，求得金属结合剂与金刚石颗粒间的粘结性能.

2实验结果及分析讨论

2.1CeO2对结合剂性能的影响

图1　CeO2含量对胎体性能的影响

在CSF结合剂中添加Ce元素后，烧结成不含金刚石的纯胎体的硬度和硬度标准差如图1(a)所示.从图1可知，CSF新型铜基结合剂烧结成的胎体的显微硬度随结合剂中稀土CeO2含量的增加逐渐上升.当CeO2含量大于0.4﹪时，胎体显微硬度在38HRC左右趋于稳定，而CeO2含量高于0.8﹪时，硬度有下降趋势.这可能是由于稀土氧化物CeO2熔点高且较稳定[7]，弥散地分布在铜基结合剂基体中，不但细化晶粒，同时有弥散强化的效果，提升了胎体的机械性能；而CeO2含量高于0.8﹪时，易导致胎体孔隙率增大，烧结后质量变差，从而降低硬度.从图1还可看出，胎体显微硬度的标准差随CeO2添加量的增加而变大，说明CeO2含量越多，胎体组织越不均匀.这也从侧面印证了CeO2较稳定，弥散分布在胎体中导致硬度上升.

图1(b)是CeO2含量对不含金刚石的纯胎体和含金刚石颗粒的复合胎体两种试样的抗弯强度、粘结系数的影响.由此可知，纯胎体和含金刚石复合胎体的抗弯强度随结合剂中稀土CeO2含量的增加逐渐上升并趋于稳定，当CeO2含量大于0.6﹪时，两种抗弯强度分别在710MPa和630MPa上下波动.当CeO2含量大于0.8﹪时，胎体抗弯强度有下降趋势.同时，粘结系数随CeO2添加量的增加线性增大，说明CeO2含量越多，胎体对金刚石固着把持能力越差.这可能是因为CeO2的弥散分布影响了结合剂各组元间的相互扩散反应，降低了结合剂与金刚石的化学结合力.

2.2CeO2对复合胎体组织的影响

图2　CeO2含量对金刚石复合材料的断口影响的SEM图示

2.3CeO2对纯胎体组织的影响

图3[8]是将不同含量的CeO2添加到结合剂中烧结成纯胎体，通过抗弯强度测试后试样端口的SEM组织.图3显示，随着CeO2含量的增加，纯胎体的组织结构无明显差别，仅显微空隙率略有增大，组织的致密性有变差趋势.综合胎体的力学性能和显微组织可得：稀土CeO2的加入对胎体的各项性能及组织的强化作用并不明显，反而不利于提升结合剂对金刚石颗粒的粘结性能和胎体的致密度.正因为如此，在加工过程中可以通过添加CeO2降低胎体的粘滞性，使金刚石容易出露，磨粒不断出刃，提高工具的锋利度和自锐性，克服工具使用过程中的“打滑”现象.

图3　纯胎体试样的抗弯断口SEM组织

3结论

(1)当CeO2在CSF中含量低于0.6﹪时，起弥散强化作用，胎体的显微硬度和抗弯强度随CeO2含量的增加逐渐上升并趋于稳定，当CeO2含量大于0.8﹪时，胎体抗弯强度有下降趋势.

(2)金刚石与结合剂的粘结系数随CeO2添加量的增加线性增大，CeO2含量越多，胎体对金刚石固着把持能力越差.当含量高于0.8﹪时，逐渐导致结合剂烧结性能变差，胎体组织不均匀.

[参考文献]

[1]王秦生. 超硬材料及制品[M]. 郑州: 郑州大学出版社, 2006.

[2]李伯民, 李清. 磨料磨具与磨削技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.

[3]黄志伟,卢汇洋,李立波,等.金刚石工具中金刚石与胎体结合力的提高方法[J].金刚石与磨料磨具工程, 2007 (3): 15-17.

[4]吴颖.电镀金刚石工具的应用现状与改进研究[J]. 热加工工艺，2015，44(18):18-21.

[5]SCHUBERTT,CIUPINSKIL,ZIELINSKIW,etal.InterfacialcharacterizationofCu/diamondcompositespreparedbypowdermetallurgyforheatsinkapplications[J].ScriptaMaterialia, 2007, 58(4):263-266.

[6]张恒涛. 金属结合剂对金刚石把持力的研究[D]. 郑州：河南工业大学, 2014.

[7]LIW,ZHANJ,WANGS,etal.CharacterizationsandmechanicalpropertiesofimpregnateddiamondsegmentusingCu-Fe-Cometalmatrix[J].RareMetals, 2012, 31(1):81-87.

[8]吴颖. 新型金刚石工具铜基结合剂及其性能的研究[D]. 重庆：重庆大学, 2014.

(责任编辑穆刚)

Effect of Ce on the properties of new copper-matrix bonding diamond tool bits

WU Ying

(College of Physics and Electrical Engineering, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou Sichuan 635000, China)

Abstract：The effect of Ce elements on the microstructure and properties of the new copper-matrix bonding was studied through the bending strength test, micro-hardness and scanning electron microscope. The results showed that when the adding CeO2 in new copper-matrix, its’ properties and microstructure weren’t changed significantly, harmful to enhance the fixed control ability and matrix’s density. When the content of CeO2 is higher than 0.8﹪, the binder’s sintering performance is poor, and the microstructure is not in uniform. When the content of CeO2 is lower than 0.6﹪, CeO2dispersed in the matrix, the hardness and bending strength of the matrix to some extent is improved.

Key words：CeO2; copper-matrix bonding; mechanical properties; microstructure

[中图分类号]TQ164

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0006-04

[作者简介]吴颖(1987—)，女, 四川巴中人, 硕士, 主要从事先进材料成型工艺及装备自动控制方面的研究.

[基金项目]四川文理学院科研项目(2014Z006Y).

[收稿日期]2015-12-01