Sn和La在气氛烧结金刚石工具胎体中的作用*

卢安军，张健伟，秦海青，蒙光海，程 煜

(1.广西超硬材料重点实验室,广西 桂林 541004； 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西 桂林 541004； 3.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

Sn和La在气氛烧结金刚石工具胎体中的作用*

卢安军，张健伟，秦海青，蒙光海，程 煜

(1.广西超硬材料重点实验室,广西 桂林 541004； 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西 桂林 541004； 3.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

采用沉淀-还原法分别制备气氛烧结金刚石工具胎体专用的FeCuCo、FeCuCoSnLa两种亚微米合金粉末作为胎体粘结剂，对比分析这两种胎体烧结性能。试验结果表明：Sn的添加，增加了颗粒烧结流动性，空位迁移和晶界移动更加顺利，促进胎体合金化；La的添加，吸收胎体内孔隙中的氧，又能还原金属氧化物，使烧结活性更高。同时，La的细化晶粒作用能够有效避免Sn液相导致的晶粒异常长大现象，故胎体的相对密度和硬度得到进一步的提高，虽然导致抗弯强度有所下降，但胎体的耐磨性得到大大的提高。

金刚石工具；气氛烧结；Sn；La；磨削

常压气氛烧结(亦称自由烧结)金刚石工具胎体技术由于具有工艺流程短、产率高、能耗低、劳动强度低等优点而备受关注[1]，目前已有数家金刚石工具企业加以引用。目前国内开发的气氛烧结技术难点之一是由于没有外力的挤压，仅靠烧结时胎体材料自身的收缩，故难以达到较好的力学性能。Sn熔点为232℃，添加于金刚石工具胎体中能降低内界面张力，进而有力地改善胎体烧结性，促进胎体收缩致密，但在烧结过程中如控制不当容易造成液相流失严重，胎体偏析，性能降低。La是比较活泼的稀土元素，已被证实[2-5]在金刚石工具胎体中掺杂稀土La，可以改善和强化金刚石胎体材料的力学性能。本研究采用沉淀-还原法分别制备气氛烧结金刚石工具胎体专用FeCuCo、FeCuCoSnLa两种亚微米合金粉末，并以之作为胎体粘结剂，对比分析这两种胎体烧结性能，为后续开发常压气氛烧结型金刚石工具胎体配方提供技术参考。

1 试 验

1.1 材料及方法

分别称取适量的FeCuCo和FeCuCoSnLa亚微米合金粉末，加入浓度为1.5ct/cm3的金刚石，并滴加粉料总质量1.0wt%的甘油作为湿润剂，均匀混合。将所得混合粉料冷压制坯，素坯尺寸规格为34mm×13mm×6mm，素坯相对密度为68%～71%。再将素坯置于推杆式电阻隧道烧结炉中进行气氛烧结，烧结工艺为：600℃烧结30min，700℃烧结50min，800℃烧结40min，875℃烧结60min，700℃保温100min。烧结气氛为氨气分解气，气流量为1.2m3/h。烧结完成后自然冷却至室温，即可得到规格为30mm×11mm×5mm的气氛烧结烧结型的胎体试样块。

1.2 性能测试及表征

采用阿基米德法测试胎体试样块的密度，计算该试样的密度与胎体理论密度的比值，求得胎体试样的相对密度值；采用TH300型洛氏硬度计测试胎体的硬度，每项每个试样重复3次测试，计算该项试样的平均硬度值；采用CMT4304液压万能材料试验机测试胎体试样的三点抗弯强度，每项测试4个试样块，计算其平均强度值。

采用日本S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察试样断口的形貌。

采用型号为DHM-1的磨耗比测定仪测试含金刚石胎体试样块的磨削性能，设备运行时设定线速度25m/s，工作过程中线速度保持不变。所使用的砂轮外径100mm，内径20mm，厚度20mm，砂轮坑深3.4mm。分别计量磨削前后试样块磨损量m和砂轮磨损量M，记录磨削时间t，同组试样重复5次试验，取平均值。以锋利度(δ)和耐磨性(ζ)对比胎体的磨削性能，计算公式如下：

(1)

(2)

式中，M为砂轮磨损量，单位为g，t为磨削耗时，单位为s，m为胎体试样块磨耗量，单位为g，δ为胎体试样锋利度，单位为g/s，δ越大，说明胎体越锋利，ζ为胎体试样耐磨性，ζ越大，说明胎体越耐磨。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

将烧结试样进行相对密度、洛氏硬度与三点抗弯强度的测试，其结果如表1所示。

表1 胎体的力学性能

从表1试验结果可以看出，L2胎体相对密度以及硬度均比L1高，分析认为Sn在胎体烧结过程中靠液相在固相颗粒中的虹吸现象产生的毛细管力使胎体收缩，实现致密化；而在胎体外部的H2无法渗透到胎体内部的情况下，胎体内的La脱氧，脱氮的作用能消除内部的部分孔隙，同时净化颗粒界面，细化晶粒，提高颗粒烧结活性，使胎体实现更好的收缩致密。另外，洛氏硬度为宏观硬度，其值随胎体孔隙度的降低而增大[6]。因此，在Sn和La的共同作用下，胎体的致密性以及硬度得以进一步提高。但随着Sn和La的添加，胎体的抗弯强度反而有所下降，这主要是因为FeCuCo粉末烧结后胎体的韧性本身较好，如图1(a)所示，而La吸收胎体内的氧之后形成氧化物弥散于胎体中，降低胎体的韧性，增加脆性，同时胎体整体的强度也有所降低，如图1(b)。

2.2 形貌分析

对表1中的L1、L2抗弯强度测试后的胎体断口进行SEM形貌分析，如图2所示。

图1 胎体力-位移曲线Fig.1 Force-displacement curve of the matrix

图2 胎体断口SEM照片Fig.2 SEM photos of the matrix fracture

从图2(a)看出，胎体断口韧窝以及晶界不明显，裂纹主要从晶粒内部展开，主要表现为穿晶韧性断裂，只有小部分的沿晶断裂裂纹，故胎体的三点抗弯强度较高，韧性较强；此外，断口处较大气孔，说明在烧结后期空位迁移，气孔无法完全消失，且合并球化，故胎体相对密度仅为96.19%。图2(b)胎体断口晶界混乱，并有大小不等的球形或类球形韧窝，分析认为是Sn的添加，降低了烧结温度，形成的液相能利用其毛细管力促进颗粒间烧结颈的形成与长大，同时由于液相流动性较好，空位迁移以及晶界迁移较为顺利，合并与长大的孔洞更容易排除于烧结体外，加快了合金化进程，从而使得烧结更加致密化。但由于烧结时间较长，液相的存在致使胎体中出现溶解-析出-再结晶的现象，容易出现晶粒异常长大，而La的添加在一定程度上可避免这种现象，这主要是因为La吸收胎体中的氧后，形成的氧化渣弥散在胎体中，阻碍液相的过分流动，又能起到细化晶粒的作用，因此，图2(b)胎体内晶粒比图2(a)较小且气孔也少。但在受到外应力作用时，含Sn、La胎体的裂纹容易从晶界处展开，表现为沿晶断裂，结合表1及图1数据对比，添加Sn、La后胎体强度反而有所下降。

2.3 磨削性能分析

对表1中的L1、L2胎体试样块进行磨削试验，磨削过程中加少量自来水淋洗，当砂轮被磨至外径为60 mm时停止，每个胎体试样连续磨削3个砂轮，每项试样重复5次试验，取平均值，试验结果如表2所示。

表2 胎体磨削性能

从表2可以看出，不含Sn、La胎体磨损量较大(1.92g)，分析认为胎体致密性较低，磨削时金刚石出刃较快，锋利度较高，但又导致胎体的耐磨性较低。而添加Sn、La后胎体锋利度有所下降，但耐磨性却有较大的提高，主要是因为添加Sn、La后，胎体更加致密，硬度提高了10.5HRB(表1两项胎体硬度对比)，同时，La对胎体内气孔中的氧的吸收以及对少量金属氧化物的还原作用，改善了粉末颗粒与金刚石颗粒之间的润湿性，使金属粘结剂对金刚石颗粒的包镶能力更强，磨削时，胎体磨损量更少，耐磨性大大提高。这说明，Sn的固溶强化作用以及La的细晶强化、弥散强化作用在胎体抗弯强度方面表现不明显，而在胎体磨削过程中却表现得更为显著。

3 结 论

(1)随着Sn的添加，颗粒烧结流动性增加，空位迁移和晶界移动更加顺利，促进了胎体合金化；La的添加既吸收胎体内孔隙中的氧，又能还原金属氧化物，使烧结活性更高，故胎体的相对密度和硬度得到进一步提高，但胎体抗弯强度有所下降；

(2)随着Sn、La的添加，胎体的磨削锋利度虽然有所降低，但是Sn和La的共同作用，使金属粘结剂对金刚石颗粒的包镶能力更强，Sn的固溶强化作用以及La的细晶强化、弥散强化作用更加显著，故而使胎体的耐磨性得到大大的提高。

[1] Mancisidor A, Luno-Bilbao C, Vielma N J, et al. Effect of sintering atmosphere on densification, mechanical properties and diamond stability of prealloyed diamond impregnated composites obtained by free sintering[J]. Powder Metallurgy,2013, 56:5,362-373.

[2] 孙毓超,刘一波,王秦生.金刚石工具与金属学基础[M].北京,中国建材工业出版社,1999:90-91.

[3] 孙毓超,宋月清.金刚石工具制造理论与实践[M]. 郑州,郑州大学出版社,2005:8-9.

[4] 宋月清,夏志华,甘长炎,等. 稀土元素镧在金刚石工具胎体材料中的作用机理研究[J]. 稀有金属,1998, 22(1):39-42.

[5] 卢安军，秦海青，等.含稀土铜基超细合金粉末在金刚石圆锯片上的应用研究[J].超硬材料工程,2010,22(6):13-15.

[6] 黄培云.粉末冶金原理[M]. 第二版. 北京 :冶金工业出版社,1997:377-388.

EffectsofSnandLainthematrixofatmospheresinteringdiamondtools

LU An-jun, ZHANG Jian-wei, QIN Hai-qing, MENG Guang-hai, CHENG Yu

(1.GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterialsResearchandDevelopment,Guilin541004,China; 2.NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,Guilin541004,China; 3.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,China)

The sintering property of two special sub-micron alloy powder made by precipitation-reduction method as main binder in matrix of atmosphere sintering diamond tools are compared and analyzed. The experimental results show that the flow ability of sintering particles increases with the Sn adding in the matrix, the vacancy-migration and grain boundary migration goes more smoothly, and promoting matrix alloying. While adding La into the matrix, it can assimilate the oxygen in the pore of matrix and also deoxidize the metallic oxide to accelerating sintering activity. Meanwhile, grain refinement of La can avoid effectively abnormal grain growth because of Sn liquid phase in the matrix, therefore, the relative density and hardness of the matrix is further improved. Although the bending strength has been declined a little bit, but the grinding performance has enhanced greatly.

diamond tool, atmosphere sintering, Sn, La, grinding

2017-03-24

桂林科技开发(科技攻关)项目(合同编号：2016010704)

卢安军(1983-)，男，工程师。主要从事粉末冶金及超硬材料制品研究工作。E-mail:luanjuns@126.com

张健伟 (1963-)，男，工程师。从事粉末冶金及其应用研究工作。E-mail:jwzhang9816@foxmail.com

卢安军,张健伟,秦海青,等.Sn和La在气氛烧结金刚石工具胎体中的作用[J].超硬材料工程，2017，29(5)：30-33.

TF124;TQ164

A

1673-1433(2017)05-0030-04