稀土Ce對新型銅基結合劑金剛石節塊性能的影響

吳　穎

(四川文理學院物理與機電工程學院, 四川　達州　635000)

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稀土Ce對新型銅基結合劑金剛石節塊性能的影響

吳穎

(四川文理學院物理與機電工程學院, 四川達州635000)

[摘要]通過抗彎強度測試、顯微硬度和掃描電鏡研究新型銅基結合劑Cu53Sn21Fe20Ni6中添加Ce元素后組織和性能的變化.結果表明：稀土 CeO2的加入對結合劑胎體的各項性能及其組織的強化作用并不明顯，反而不利于提升結合劑對金剛石顆粒的粘結性能和胎體的致密度，尤其是當含量高于0.8﹪時，結合劑燒結性能變差，胎體組織不均勻，但Ce的添加可以提高工具的鋒利度和自銳性.當稀土Ce元素的含量低于0.6﹪時，彌散分布在結合劑中，可一定程度地提升胎體的顯微硬度和抗彎強度.

[關鍵詞]CeO2；銅基結合劑；力學性能；顯微組織

金剛石工具中金剛石磨粒與結合劑固著把持強度低、易脫落、出刃難以及磨削過程中受力不均等問題，嚴重影響工具的使用壽命和加工質量.隨著相關行業對優異工具需求的持續增長，通過合理的制造工藝來滿足更高的加工性能要求成為業界關注的焦點[1-3].其中，金屬結合劑有熱成型性能好、結合強度高、散熱快等優點，鈷基、銅基、鐵基結合劑在金剛石工具中的研究及應用已較普遍[2,4].SchubertT等人通過在銅基中添加Cr、Ti等強碳化物形成元素或在金剛石表面鍍覆強碳化物，都在不同程度上影響胎體對金剛石的把持力[5-8].本文在對新型銅基結合劑Cu53Sn21Fe20Ni6(CSF)有一定研究基礎上[8]，分析整理了稀土Ce元素對結合劑組織和性能的影響，可以拓展新型銅基結合劑的應用范圍.

1實驗材料及方法

實驗所用JR3品級的金剛石磨粒濃度為25﹪，按50﹪(70/80) +50﹪(80/100) 配比組成.Ce以CeO2形式添加，添加時在混合粉末中加入1.5﹪~3﹪的石蠟防止粉末偏聚，添加量依次為0.2﹪、0.4﹪、0.6﹪、0.8﹪、1.0﹪.

實驗所用顯微硬度儀型號為HXS-1000AX，TESCANVEGAⅡLMU型號的掃描電鏡和OXFORDINCA的EDS.通過將合金粉末混合均勻后，在石墨模具中進行燒結，燒結溫度680 ℃，壓力80kN，保溫時間210s，分別燒結成不含金剛石顆粒的純胎體試樣和含金剛石顆粒的復合胎體試樣多個，采用三點抗彎強度測試的方法測試試樣的抗彎強度，求得金屬結合劑與金剛石顆粒間的粘結性能.

2實驗結果及分析討論

2.1CeO2對結合劑性能的影響

圖1　CeO2含量對胎體性能的影響

在CSF結合劑中添加Ce元素后，燒結成不含金剛石的純胎體的硬度和硬度標準差如圖1(a)所示.從圖1可知，CSF新型銅基結合劑燒結成的胎體的顯微硬度隨結合劑中稀土CeO2含量的增加逐漸上升.當CeO2含量大于0.4﹪時，胎體顯微硬度在38HRC左右趨于穩定，而CeO2含量高于0.8﹪時，硬度有下降趨勢.這可能是由于稀土氧化物CeO2熔點高且較穩定[7]，彌散地分布在銅基結合劑基體中，不但細化晶粒，同時有彌散強化的效果，提升了胎體的機械性能；而CeO2含量高于0.8﹪時，易導致胎體孔隙率增大，燒結后質量變差，從而降低硬度.從圖1還可看出，胎體顯微硬度的標準差隨CeO2添加量的增加而變大，說明CeO2含量越多，胎體組織越不均勻.這也從側面印證了CeO2較穩定，彌散分布在胎體中導致硬度上升.

圖1(b)是CeO2含量對不含金剛石的純胎體和含金剛石顆粒的復合胎體兩種試樣的抗彎強度、粘結系數的影響.由此可知，純胎體和含金剛石復合胎體的抗彎強度隨結合劑中稀土CeO2含量的增加逐漸上升并趨于穩定，當CeO2含量大于0.6﹪時，兩種抗彎強度分別在710MPa和630MPa上下波動.當CeO2含量大于0.8﹪時，胎體抗彎強度有下降趨勢.同時，粘結系數隨CeO2添加量的增加線性增大，說明CeO2含量越多，胎體對金剛石固著把持能力越差.這可能是因為CeO2的彌散分布影響了結合劑各組元間的相互擴散反應，降低了結合劑與金剛石的化學結合力.

2.2CeO2對復合胎體組織的影響

圖2　CeO2含量對金剛石復合材料的斷口影響的SEM圖示

2.3CeO2對純胎體組織的影響

圖3[8]是將不同含量的CeO2添加到結合劑中燒結成純胎體，通過抗彎強度測試后試樣端口的SEM組織.圖3顯示，隨著CeO2含量的增加，純胎體的組織結構無明顯差別，僅顯微空隙率略有增大，組織的致密性有變差趨勢.綜合胎體的力學性能和顯微組織可得：稀土CeO2的加入對胎體的各項性能及組織的強化作用并不明顯，反而不利于提升結合劑對金剛石顆粒的粘結性能和胎體的致密度.正因為如此，在加工過程中可以通過添加CeO2降低胎體的粘滯性，使金剛石容易出露，磨粒不斷出刃，提高工具的鋒利度和自銳性，克服工具使用過程中的“打滑”現象.

圖3　純胎體試樣的抗彎斷口SEM組織

3結論

(1)當CeO2在CSF中含量低于0.6﹪時，起彌散強化作用，胎體的顯微硬度和抗彎強度隨CeO2含量的增加逐漸上升并趨于穩定，當CeO2含量大于0.8﹪時，胎體抗彎強度有下降趨勢.

(2)金剛石與結合劑的粘結系數隨CeO2添加量的增加線性增大，CeO2含量越多，胎體對金剛石固著把持能力越差.當含量高于0.8﹪時，逐漸導致結合劑燒結性能變差，胎體組織不均勻.

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[8]吳穎. 新型金剛石工具銅基結合劑及其性能的研究[D]. 重慶：重慶大學, 2014.

(責任編輯穆剛)

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

[中圖分類號]TQ164

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0006-04

[作者簡介]吳穎(1987—)，女, 四川巴中人, 碩士, 主要從事先進材料成型工藝及裝備自動控制方面的研究.

[基金項目]四川文理學院科研項目(2014Z006Y).

[收稿日期]2015-12-01