銅基胎體中低熔點金屬的反應特性及性能研究

周浩鈞，陶洪亮，文 平

（廣東奔朗新材料股份有限公司，廣東 佛山 528313）

1 引言

金屬Sn、Zn是金屬基金剛石工具常用的低熔點組分，可以用來調節燒結溫度，改善燒結致密化行為，調控工具的鋒利度和使用壽命。但在實際應用過程中，其獨特的物理和化學性質及其對工藝參數的敏感性，常常困擾著配方設計工作者。若使用不合理，不僅難以達到調節效果，反而會嚴重偏離理想的工藝，惡化工具的使用性能［1－3］。因此，掌握低熔點金屬的燒結特性及其與其他金屬粉末或者預合金粉末間的相互作用特點，是發揮其應用效能的關鍵。本實驗設計了4種配方，采用電阻式熱壓燒結法制備試樣，借助多種表征手段對比研究了低熔點金屬在銅基胎體中的燒結特性及其對性能的影響。

2 實驗

2.1 配方設計

采用電阻式熱壓的方法，制備了四種試樣。原材料包括單質粉和預合金粉，氧含量均低于1500×10－6，其中Zn和部分Cu由預合金粉引入。表1為A、B、C、D試樣元素組成情況。

表1 實驗配方設計Table 1 Experimental formula design

2.2 實驗方案

用MX－6搖擺式三維渦流混料機混料1．5h，鋼模冷壓后，采用電阻式熱壓法制備尺寸規格為55mm×12mm×5mm和30mm×12mm×5mm的試樣。宏觀力學性能采用硬度儀、電子萬能試驗機和沖擊韌性測定儀進行測試，斷口形貌及物相定量分析分別借助掃描電子顯微鏡和X－射線衍射儀。熱壓燒結溫度為720℃，壓力為80kN，保溫180s，燒結工藝曲線如圖1所示。

圖1 燒結工藝曲線Fig．1 The curve of sintering process

3 結果及分析

3.1 宏觀力學性能分析

硬度、抗彎強度和沖擊韌性是衡量金剛石工具燒結體性能的重要指標，其大小與合金成分及燒結工藝關系密切。其中，硬度是指材料局部抵抗外界硬物壓入其表面的能力，在一定程度上也反映了燒結體致密程度；抗彎強度（TRS）常被眾多冶金技術人員當作衡量“韌性”或者“強度”的尺度［4］；沖擊韌性與材料內部裂紋擴展行為有關，是指材料發生脆性斷裂時單位截面積所消耗的能量，同時它也是產品安全性的重要判據。表2和圖2對比了四種試樣各項力學性能指標。

由測試結果可知：以Zn代Sn，當Zn引入量由0→3wt%→5wt%→8wt%時，硬度值A＞B≈C＞D，而沖擊韌性和抗彎強度值A＜B≈C＜D。這說明燒結試樣的性能與低熔點金屬組分關系密切，可通過改變Zn和Sn的配比來調控銅基胎體的性能。表2中B、C組和C、D組數據變化幅度呈現高度一致性，這說明硬度－沖擊韌性－抗彎強度三者之間可能存在某種相關性。在力學理論上，沖擊韌性主要反映的是制品內部裂紋在擴展過程中所受阻力的大小，抗彎強度則同時依賴于裂紋產生和裂紋擴展兩個過程。當硬度高、韌性低時，裂紋產生所需的應力就大，裂紋產生過程對抗彎強度起控制作用。當硬度低、韌性高時，裂紋擴展所受的阻力越大，裂紋擴展過程對抗彎強度就會起控制作用。對金剛石工具而言，其抗彎強度在一定程度上反映了胎體對金剛石磨料的把持能力。因此，在設計配方時應綜合考慮硬脆相和韌性相的協同作用，在工具應用端也應充分了解加工工藝參數對產品性能可能造成的影響。

表2 宏觀性能指標對比Table 2 Comparison of macro－performances

圖2 硬度－抗彎強度與沖擊韌性－抗彎強度關系圖Fig．2 The relationship of hardness－bending strength and impact toughness－bending strength

3.2 斷口形貌分析

選用美國FEI公司的Inspect S50掃描電子顯微鏡對A、B、C、D試樣進行斷口形貌分析，放大倍數為3000倍，結果如圖3所示。由圖可知：（1）四種試樣均出現光亮平整的脆性斷面特征和類似于塑性斷裂的淺韌窩特征。相比較而言，D試樣淺韌窩特征最為明顯，這也間接說明了其燒結組織中塑性相的存在，且含量相對較高。（2）四種試樣斷面均有明顯孔洞和裂縫。其中A試樣中的細孔洞主要與瞬時液相燒結過程有關，液相Sn在短時間內發生擴散及遷移行為，并在原來位置留下孔隙。B、C、D試樣出現孔洞和裂縫除了與上述原因有關外，還與Zn的引入有關，Zn的流動性很好，但易形成集中縮孔。引入量較高時，Zn受熱揮發，易導致燒結體疏松。

3.3 物相定量分析

采用德國Bruker D8ADWANCE型X射線衍射儀，對A、B、C、D四種試樣進行X射線衍射分析，并借助Jade 6．5完成數據處理。圖4為衍射圖譜，表3為相組成測試結果。

從圖3～圖4可以看出：（1）從衍射圖譜可知A、B、C試樣Cu41Sn11衍射峰的強度逐漸變弱，但D樣品未見Cu41Sn11峰。由此說明Cu41Sn11相含量：A＞B＞C，而D試樣不含Cu41Sn11相。（2）3．1宏觀力學性能結果顯示：相比于C試樣，D試樣各項性能出現驟變，尤其是硬度與沖擊韌性，這與硬脆相Cu41Sn11的消失有關。（3）B、C、D 試樣中的 Cu13．7Sn 與Cu0．7Zn0．3相衍射峰位置十分接近，單憑 XRD 衍射分析手段很難準確定量分析，這也說明在一定條件下，Zn、Sn可分別固溶于Cu相中形成結構相似的中間相。（4）XRD衍射峰的尖銳程度，在一定程度上可反映燒結試樣結晶的好壞。圖中D試樣衍射峰最為尖銳，說明結晶度相對較好。

圖3 斷口形貌SEM圖Fig．3 SEM morphology of fracture surface

圖4 四種試樣的X射線衍射圖譜Fig．4 X－ray diffraction pattern of different samples

表3 四種試樣物相組成Table 3 The phase composition of different samples

3.4 物相形成機理探討

A試樣原料為Cu－Sn預合金粉和單質Cu，均勻混合后，單質Cu顆粒被Cu－Sn預合金粉包圍。升溫過程中，合金粉受熱后優先熔融并形成液相Sn，靠近Cu顆粒的液相Sn會借助顆粒間的毛細管力向周圍的Cu顆粒遷移，并形成面心結構Cu13．7Sn固溶體。由于擴散能力有限，遠離Cu顆粒的液相Sn很難脫離預合金粉區域，最終形成硬脆相Cu41Sn11［5～6］。因此，A 試樣相組成包括 Cu13．7Sn和Cu41Sn11，其背散射電子圖像見圖5（A）所示。根據Cu－Sn－Zn三元平衡相圖可知［7］：Zn能大量固溶于錫青銅的α相中，且在Zn由零增至38%的范圍內，Sn的固溶度逐漸降低，由15%降至0．7%。因此，增加Zn的引入量，有助于B、C、D試樣中液相Sn與單質Cu反應形成固溶體，其合金化程度也隨之提高。D試樣Zn含量為8wt%，最終形成結構類似的Cu13．7Sn相＋Cu0．7Zn0．3相，圖5中 D 樣品背散射電子圖像未見明顯襯度。

圖5 背散射電子成像圖Fig．5 The imaging formation of backscattered electron

4 結論

（1）Sn／Zn相對含量的改變，會顯著影響燒結體的相組成、力學性能及斷裂行為。保持Sn＋Zn總量不變，隨著Zn引入量由0增加到8wt%，燒結體中Cu41Sn11硬脆相逐漸減少，最終消失，而Cu13．7Sn＋Cu0．7Zn0．3相 逐 漸 增 加。 燒 結 試 樣 硬 度 值 由84．6HRB降至67HRB，抗彎強度由630MPa提高至736MPa，沖擊韌性由5．7J／cm2提高至26．65．7J／cm2。

（2）在Cu－Sn體系中適當引入Zn，可降低Sn在Cu中的固溶度，并提高燒結體的結晶度。但要注意燒結工藝的匹配性，防止因為Zn揮發造成燒結體疏松。

（3）四種試樣斷口均出現光亮平整的脆性斷面特征和類似于塑性斷裂的淺韌窩特征。但從力值－變形曲線看仍屬于典型的脆性斷裂行為。

（4）抗彎強度、沖擊韌性和硬度指標之間存在相關性。抗彎強度同時依賴于裂紋產生和裂紋擴展兩個過程，裂紋的產生與硬度有關，裂紋的擴展與韌性有關，可通過改變硬脆相和韌性相相對含量，來調節胎體性能。

參考文獻：

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