稀土對(duì)鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊性能的影響①

鄧相榮,肖長(zhǎng)江,栗正新

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州 450007)

O 引言

金剛石節(jié)塊由金剛石磨粒和結(jié)合劑組成,結(jié)合劑的作用是用來(lái)固結(jié)金剛石磨粒的。常用的結(jié)合劑有金屬結(jié)合劑、樹(shù)脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑等幾類。目前金屬結(jié)合劑金剛石工具已成為應(yīng)用最廣泛的一種金剛石工具。金屬結(jié)合劑按其基本成分的金屬和合金種類,大致可分為以下幾大類:銅基合金結(jié)合劑、鈷鎳合金結(jié)合劑、鐵基結(jié)合劑、硬質(zhì)合金為基的結(jié)合劑等。鐵基金剛石工具價(jià)格低廉,雖然硬度較低但是耐磨性好,應(yīng)用范圍較廣[1-3]。

由于鐵基金屬結(jié)合劑金剛石工具使用范圍的日漸廣泛,對(duì)其制品的強(qiáng)度、硬度等性能也提出了更高的要求,但是由于單一的鐵基結(jié)合劑較易氧化、粉體表面的質(zhì)量較差及容易對(duì)金剛石產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕,使得對(duì)金剛石顆粒的把持力差。因而,為了生產(chǎn)和使用的要求,需要改善鐵基金屬結(jié)合劑的性能。

稀土元素的化學(xué)活潑性很強(qiáng),其還原能力比金屬鋁還強(qiáng),是一種理想的脫氧劑,可以大量吸附雜質(zhì)元素,活化粉末顆粒表面。因此,稀士元素及其化合物在鋼鐵、有色金屬、硬質(zhì)合金及陶瓷材料中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。本文主要研究在鐵基金屬結(jié)合劑中適當(dāng)加入一定量的稀土元素,通過(guò)改善結(jié)合劑的性能,進(jìn)而提高金剛石砂輪的性能。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)用原材料為Fe基粉末(含F(xiàn)e、Cu、N i、Sn、Zn、WC、CeO2、Y 2O3等粉末),粒度為200目;金剛石為SCD 30系列40/50,濃度為40%。稀土CeO2、CeO 2與Y2O3的加入量分別為0、0.2%、0.5%、0.8%和1.1%。具體的配方如表1所示。

表1 鐵基結(jié)合劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 The prescription of iron-based bond matrix

金屬結(jié)合劑金剛石磨具制備主要采用熱壓燒結(jié)。通過(guò)燒結(jié),結(jié)合劑與金剛石形成機(jī)械鉗合、化學(xué)鍵合或二者混合的聯(lián)結(jié)方式。本實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)設(shè)備為RYZ2000Z真空燒結(jié)壓機(jī),燒結(jié)壓力為20M Pa,燒結(jié)溫度為790℃,保溫時(shí)間為5m in,試樣的規(guī)格為40mm×10mm×10mm,分別用于抗彎強(qiáng)度、硬度的測(cè)試。抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法在Instron5585型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試,硬度測(cè)試在HR-150A型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行,采用HRB度量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為三個(gè)試樣的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稀土的添加對(duì)節(jié)塊硬度的影響

CeO2和混合稀土CeO2與Y 2O3不同添加量下節(jié)塊的硬度值如圖1和圖2所示。對(duì)圖1和圖2分析可知:稀土氧化物的加入,能改變鐵基金屬結(jié)合劑節(jié)塊的硬度;當(dāng)稀土百分含量在0.2%左右時(shí),兩種添加稀土方式均能增加節(jié)塊的硬度;但隨著稀土量的繼續(xù)加入,硬度值逐漸開(kāi)始下降。由此可見(jiàn),當(dāng)加入適量的稀土氧化物時(shí),能活化燒結(jié),使燒結(jié)過(guò)程加快;降低孔隙率;細(xì)化晶粒;減少金剛石的石墨化和鐵粉的氧化;促使胎體金屬和金剛石之間產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合,提高胎體對(duì)金剛石的把持力,增加金屬基體的硬度。當(dāng)稀土含量高于0.2%時(shí),Fe基胎體的硬度逐漸降低,這是因?yàn)樘ンw的硬度主要決定于胎體的孔隙率和其顯微組織,孔隙率增加,胎體的硬度將減小。因此,當(dāng)鐵基胎體中稀土含量較低時(shí),鈰或者釔的化合物對(duì)硬度的影響大于孔隙率的不利影響;而當(dāng)稀土含量較高時(shí),結(jié)果則相反[8,9]。對(duì)比圖1和圖2可知:在同樣的稀土百分含量下,當(dāng)加入CeO2和Y 2O3的混合稀土?xí)r,其節(jié)塊的硬度值高于添加CeO2時(shí)的硬度值(稀土百分含量在0.2%時(shí)除外)。由此可見(jiàn),鈰和釔在熱壓燒結(jié)溫度下可與鐵發(fā)生鍵合,形成一種更為堅(jiān)硬的組織,該相的存在,能提高基體的硬度。綜上所述,當(dāng)結(jié)合劑基體中CeO2含量為0.2%時(shí),節(jié)塊有最高的硬度,但在其他含量下,硬度值都小于沒(méi)有添加稀土的基體;在所添加的含量范圍內(nèi),CeO2與Y 2O3混合稀土的加入均能不同程度的提高基體的硬度。

圖1 CeO 2不同添加量下節(jié)塊的硬度值Fig.1 The hardness strength of the diam ond segm en ts with differen t am oun tCeO 2

圖2 混合稀土不同添加量下節(jié)塊硬度Fig.2 The hardness strength of the diamond segments with different amountm is ch-metal

2.2 稀土的添加對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響

CeO2和混合稀土CeO2與Y2O3不同添加量下節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可知:當(dāng)稀土百分含量在0.2%時(shí),金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值,當(dāng)稀土含量增加到一定值后,繼續(xù)增加稀土含量,抗彎強(qiáng)度將基本保持不變或略有下降。從而可以判斷:稀土添加劑的百分含量在0.2%時(shí),為最佳的添加量。當(dāng)CeO2的添加量低于0.2%時(shí),隨稀土的加入,抗彎強(qiáng)度值增大;而添加量超過(guò)0.2%時(shí),隨著稀土的加入,其抗彎強(qiáng)度值減小較為顯著。說(shuō)明CeO2的加入,與基體形成了一種新相,少量時(shí),該相能增強(qiáng)基體的力學(xué)性能,而隨著含量的增加,該相卻又會(huì)降低其力學(xué)性能,使其抗彎強(qiáng)度降低。當(dāng)加入的為混合稀土?xí)r,同樣在CeO2和Y 2O3的百分含量均為0.2%時(shí),其抗彎強(qiáng)度值最大;且CeO2、Y 2O3和鐵基間可能形成一種新相,該相含量較低時(shí),能增加基體的抗彎強(qiáng)度,而當(dāng)該相含量超過(guò)一定的數(shù)值后,繼續(xù)增加稀土混合物的量,將緩慢降低節(jié)塊的力學(xué)性能;在試驗(yàn)所給稀土百分含量的范圍中,加入混合稀土,所得節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度比不加稀土?xí)r要高。

圖3 CeO 2不同含量下節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度Fig.3 The bending strength of the diamond segments with different amount CeO 2

圖4 不同混合稀土含量下節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度Fig.4 The bending strength of the diamond segmen ts with different amountm isch-metal

2.3 節(jié)塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

典型的金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是金屬能夠發(fā)生較大的塑性形變,有屈服現(xiàn)象。典型的陶瓷材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是陶瓷只有很小的彈性形變,看不到屈服點(diǎn)。對(duì)于鐵基結(jié)合劑金剛石工具節(jié)塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖5所示的是在燒結(jié)溫度為790℃,燒結(jié)壓力為20M Pa的條件下CeO2和Y 2O3混合稀土含量為0.4%時(shí)節(jié)塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。三個(gè)節(jié)塊的曲線基本相同。在起始階段如圖所示的A區(qū)域,應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系不是線性關(guān)系,因?yàn)殚_(kāi)始是金屬結(jié)合劑發(fā)生變形,表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增加,如圖所示的B區(qū)域,應(yīng)力與應(yīng)變表現(xiàn)出線性關(guān)系且為脆性斷裂,沒(méi)有屈服現(xiàn)象,為陶瓷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其它條件下燒結(jié)得到的樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都與之類似。

圖5 節(jié)塊的應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.5 The stress-strain d iag ram of d iam ond segm en ts

3 結(jié)論

(1)稀土的加入,能在一定范圍內(nèi)改變金剛石節(jié)塊的性能,不論是稀土CeO2還是CeO2和Y2O3組成的混合稀土,占基體質(zhì)量的0.2%時(shí)為其最佳的百分含量。當(dāng)稀土含量處于最佳百分含量時(shí),節(jié)塊的硬度、抗彎強(qiáng)度及基體與金剛石的結(jié)合能力都處在最佳狀態(tài)。當(dāng)含量繼續(xù)增加時(shí),稀土的加入反而會(huì)降低節(jié)塊的硬度、抗彎強(qiáng)度。

(2)稀土加入的鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為陶瓷的特性。

[1] 項(xiàng)東,劉科高,許斌.金剛石鋸片刀頭的制備及顯微組織和性能分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2003(3):56-58.

[2] 王秦生,潘飛,左宏森.金剛石燒結(jié)制品[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[3] Y.C.H seh,S.T.L in.In terfacial Bond ing Streng th betw een B razing A lloys and CVD D iam ond[J].Jou rnalofM aterials Engineering and Perfo rm ance,2009,(18):312-315.

[4] 孫毓超,宋月清,屈定國(guó).稀土元素在金剛石工具中應(yīng)用研究的新進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2003(2):41-44.

[5] 王雙喜,劉雪敬,耿彪.金屬結(jié)合劑金剛石磨具的研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2006(4):71-75.

[6] 司衛(wèi)征,袁慧,張鳳林.金屬基體金剛石工具結(jié)合劑中添加合金元素的研究進(jìn)展[J].超硬材料工程,2007(1):31-33.

[7] J.Hu,Y.K.Chou,R.G.Thom p son.Cohesive zone effects on coating failure evaluations of d iam ond-coated too ls[J].Surface&Coatings Technology,2008(203):730-735.

[8] 戴秋蓮,徐西鵬,王永初.金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石把持力的增強(qiáng)措施及增強(qiáng)機(jī)制評(píng)述[J].材料科學(xué)與工程,2002(3):465-468.

[9] 吳玉會(huì).稀土元素在金剛石工具中的應(yīng)用及作用機(jī)理[C].河北工業(yè)大學(xué)碩士論文,2004.