銀基高錫預(yù)合金粉末對大理石鋸片胎體性能的影響研究

于 奇，馬 佳，龍偉民，鐘素娟，潘建軍，于新泉，丁天然

(鄭州機(jī)械研究所有限公司新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

金剛石超硬工具在石材加工中占有重要地位，其中鋸切類工具年產(chǎn)值約占超硬制品總產(chǎn)值的60%～70%，其性能質(zhì)量直接影響石材加工的質(zhì)量、成本和石材荒料的利用率[1-2]。根據(jù)加工石材的對象不同，鋸切類工具主要分為花崗巖鋸片和大理石鋸片，其中大理石色澤美麗，紋理細(xì)膩，近十幾年來在建筑裝飾行業(yè)受到熱捧[3]，在國內(nèi)的市場需求量巨大。在福建水頭、廣東云浮等地形成了歐洲大理石荒料加工產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，每年需消耗大量的大理石鋸片。為了提高大理石荒料的成品率，對大理石鋸切工具要求鋸縫寬度小、鋒利度高、自銳性好，良好的鋸切質(zhì)量可降低加工余量、減少損耗，最終提高出材率[4]。大理石鋸片在鋸切過程中承受巨大的沖擊載荷，金剛石顆粒、胎體與大理石相互之間強(qiáng)烈磨損[5]，現(xiàn)階段我國的大理石鋸片普遍存在鋒利度差、胎體強(qiáng)度低、耐用度差等問題。研究胎體穩(wěn)定可靠性、同步磨損性以及對金剛石良好的把持，對于大理石鋸片的性能提高具有實(shí)際的意義。

大理石鋸片胎體通常使用銅錫配方體系，胎體結(jié)合力強(qiáng)、耐磨性好、燒結(jié)溫度低[6]，并廣泛使用CuSn10、CuSn15、CuSn20等銅錫預(yù)合金粉末。銅錫預(yù)合金粉末在燒結(jié)過程中生成α固溶體和(α+δ)共析體[7]，胎體硬脆而不黏，對胎體自銳性有一定的提升。高錫預(yù)合金粉末在燒結(jié)過程中更容易實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，并可生成δ、ε脆性相，甚至當(dāng)錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量超過40%時，胎體生成η硬脆相，可提高金剛石工具胎體同步或超前磨損的性能，對鋒利度提升作用顯著[8]。

目前，國內(nèi)對于高錫預(yù)合金粉末研究較少，尤其對于元素增強(qiáng)銅錫預(yù)合金粉末研究更少。在銅錫合金中添加少量的銀元素易于調(diào)整合金液固相線，提高力學(xué)性能和穩(wěn)定可靠性[9]。本文通過氣水緊耦合霧化法制備了一種銀基高錫預(yù)合金粉末，并通過在配方中添加合金粉替代原配方中的單質(zhì)錫粉，并相應(yīng)的核減銅粉，最終用于改善大理石鋸片的胎體性能，并對比了與單質(zhì)配方燒結(jié)刀頭的力學(xué)性能及微觀組織差異，希望在行業(yè)內(nèi)有一定借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用到的原材料粉末名稱及規(guī)格見表1。

表1 試驗(yàn)原材料

銀基高錫預(yù)合金粉末A采用鄭州機(jī)械研究所有限公司氣水緊耦合霧化設(shè)備生產(chǎn)，預(yù)合金粉末A顯微形貌見圖1。

圖1 預(yù)合金粉A顯微照片F(xiàn)ig.1 The micrograph of pre-alloy powder A

1.2 試驗(yàn)方法及工藝

(1)預(yù)合金粉末A燒結(jié)體制備

根據(jù)預(yù)合金粉末A的理論密度，單個石墨模具中投料8.90g，粉末裝料刮平后在熱壓燒結(jié)機(jī)(金海威SMVB60)中熱壓燒結(jié)成3.5mm×8mm×35mm的燒結(jié)體，其中熱壓溫度530℃，壓力20MPa，保溫30s。每次裝模4個，重復(fù)試驗(yàn)5次。

(2)大理石鋸片胎體制備

表2 大理石鋸片胎體配方

圖2 熱壓燒結(jié)工藝曲線Fig.2 The curve of hot pressing sintering process

(3)大理石鋸片刀頭制備

在混合粉末中添加少量液體石蠟，并根據(jù)模具體積計(jì)算添加濃度30%的30/40金剛石，在三維混料機(jī)中混合120min，以保證金剛石與粉料混合均勻，裝模后根據(jù)圖2工藝曲線熱壓燒結(jié)制備大理石鋸片刀頭。

1.3 檢測方法及設(shè)備

(1)預(yù)合金粉末A的性能檢測

使用綜合粉體特性測試儀(百特BT-1000)測試預(yù)合金粉A的松裝密度；差式熱分析儀(耐馳STA-449F3)測試預(yù)合金粉末熔點(diǎn)；洛氏硬度計(jì)(華銀HR-150A)測試燒結(jié)體硬度；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(美特斯C45.105)測試燒結(jié)體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度；臺式電子顯微鏡(飛納Phenom XL)分析胎體微觀組織。

(2)大理石鋸片胎體性能檢測

利用阿基米德排水法測燒結(jié)胎體的真實(shí)密度ρ真實(shí)，致密度η=ρ真實(shí)/ρ理論。使用洛氏硬度計(jì)對比測試燒結(jié)體硬度并取平均值，使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對比測試燒結(jié)體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度并取平均值，使用臺式電子顯微鏡對比分析胎體微觀組織。

(3)大理石鋸片刀頭性能檢測

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)合金粉末A性能

預(yù)合金粉A的基本性能結(jié)果見表3，燒結(jié)體硬度較高，抗彎過程表現(xiàn)為脆性斷裂。對燒結(jié)體進(jìn)行微觀組織分析見圖3，圖中可觀察到燒結(jié)體組織致密，存在明顯的兩相組織，灰色相以及存在彌散分布其中的亮色針狀相。銅錫預(yù)合金粉末燒結(jié)過程中容易產(chǎn)生較多孔隙，銅錫合金的液固相線垂直距離比較大，凝固時不形成集中縮孔，只形成分散縮孔，致密性較差。當(dāng)錫含量升高，分散縮孔呈增大趨勢，致密度呈現(xiàn)下降趨勢[10]。高錫合金中添加銀元素可降低合金熔點(diǎn)，縮小液固相線溫差，提高合金流動性[11]，在燒結(jié)過程中燒結(jié)體致密度顯著提高。對燒結(jié)體中針狀亮色相1點(diǎn)進(jìn)行SEM能譜分析，其成分為高銀銅基固溶體，根據(jù)三元相圖確定為銅基固溶體中存在β相Cu5Sn金屬間化合物，該成分范圍下液相線605℃～650℃；2點(diǎn)成分為低銀銅基固溶體，該成分下液相線溫度750℃～800℃[12]。在熱壓燒結(jié)過程中，常用的銅錫20預(yù)合金粉末極容易反偏析，在粉末顆粒外部形成高錫低熔點(diǎn)的(α+δ)共析體相[13]，在粉末顆粒之間形成液相，大量液相促進(jìn)燒結(jié)體致密化，并由于銅錫合金液固相線垂直距離大，體積收縮較小，在較寬的溫度范圍內(nèi)存在固、液兩相，冷卻過程中極易形成封閉孔隙。銀基高錫預(yù)合金粉末A燒結(jié)體中錫含量相對均勻，亮色相的錫含量稍高于灰色相。經(jīng)試驗(yàn)分析證明預(yù)合金粉A在燒結(jié)過程中錫元素反偏析趨勢較弱，燒結(jié)體組織均勻，在銅基固溶體中存在大量β相的銅錫硬脆金屬間化合物，合金胎體硬度和脆性較高。

表3 預(yù)合金粉A基本性能

圖3 預(yù)合金粉A燒結(jié)體背散射電子圖像及能譜分析結(jié)果Fig.3 The back scattered electron image and EDX of the pre-alloy powder sintering body

2.2 大理石鋸片胎體性能對比

將大理石鋸片胎體致密度η、抗彎強(qiáng)度σ、硬度值數(shù)據(jù)進(jìn)行對比總結(jié)，分析見表4。

表4 大理石鋸片燒結(jié)胎體性能對比

添加預(yù)合金粉A后胎體致密度提高，抗彎強(qiáng)度提高約9%，硬度降低約14%。在三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)中，配方一表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂，燒結(jié)胎體基本無塑性變形；添加預(yù)合金粉A的配方二燒結(jié)胎體塑性變形能力明顯增強(qiáng)，經(jīng)過較長時間變形后出現(xiàn)斷裂。配方二胎體斷裂前形變位移約是配方一的3.2倍，兩種配方燒結(jié)胎體的三點(diǎn)抗彎對比曲線見圖4。

圖4 胎體抗彎曲線對比圖Fig.4 Comparison diagram of bending curves of carcass

為進(jìn)一步對比分析胎體力學(xué)性能差異，將燒結(jié)體置于電子顯微鏡下分析其胎體微觀組織及成分。圖5為配方一燒結(jié)胎體背散射電子顯微照片，圖中可觀測到塊狀和網(wǎng)狀亮白色相及灰色相，在亮色相中塊狀相較多。對塊狀亮色相(No.1)進(jìn)行成分分析，相中錫、鎳含量較高，在燒結(jié)過程中錫元素最先生成液相，高錫元素易偏析與銅生成硬脆的η相(Cu6Sn5基金屬間化合物)和ε相(Cu3Sn基金屬間化合物)[14]，與鎳生成硬脆的Ni3Sn4和Ni3Sn2金屬化合物[15]，在亮色塊狀區(qū)域高錫硬脆金屬間化合物的生成顯著提高了燒結(jié)胎體硬度，同時極大影響了胎體力學(xué)性能和塑性變形能力。網(wǎng)狀亮色相(No.2)經(jīng)對比分析，銅含量相對升高，錫、鎳元素含量降低，根據(jù)相圖生成了銅鎳固溶體，高錫元素容易生成(α+δ)共析體相，網(wǎng)狀亮色相生成硬脆相數(shù)量相對降低。灰色相(No.3)經(jīng)成分分析確定為銅基固溶體，主要成分為錫黃銅組織，該成分下鋅含量在復(fù)雜黃銅中計(jì)算為α相[16]，形成成分均勻的固溶體組織，該成分下的合金塑性高、強(qiáng)度高、硬度較低。通過對配方一胎體中三個相組織成分的對比分析，配方一胎體中錫元素極易產(chǎn)生偏析，高錫成分與鎳和銅形成塊狀硬脆相，損害胎體的力學(xué)性能，導(dǎo)致胎體穩(wěn)定可靠性差；而大量錫黃銅組織硬度較低，對金剛石把持作用弱，在工作過程中容易造成金剛石脫落，影響使用壽命。

配方二燒結(jié)胎體顯微照片見圖6，胎體中亮色相明顯多于配方一，大部分以網(wǎng)狀彌散分布在灰色基體中。對網(wǎng)狀亮色相(No.1)進(jìn)行成分分析，成分介于配方一塊狀亮色相和網(wǎng)狀亮色相成分之間，生成的金屬間化合物數(shù)量也介于兩者之間。在燒結(jié)過程中，高錫的預(yù)合金粉末A錫元素偏析趨勢被添加的銀元素減弱，增加了合金的流動性，降低了塊狀偏析的趨勢，形成大量網(wǎng)格狀硬脆組織。對灰色相(No.2)進(jìn)行分析，相對配方一的灰色相，錫元素含量提高，鋅含量穩(wěn)定，胎體硬度和脆性提高。對比兩個配方胎體組織，添加銀基高錫預(yù)合金粉末的A胎體組織均勻，錫元素偏析趨勢弱，生成網(wǎng)格狀的硬脆相可彌散增強(qiáng)胎體，增加了胎體可靠性。灰色相中錫元素的提高可增加胎體硬度和脆性，提高了胎體對金剛石的機(jī)械把持力。

圖5 配方一燒結(jié)胎體背散射電子圖像及能譜分析結(jié)果Fig.5 The back scattered electron image and EDX results of Sintered matrix applied with formula

2.3 大理石鋸片刀頭性能對比

制備的大理石刀頭經(jīng)過磨損試驗(yàn)，配方一的大理石失重率為8%，配方二的大理石失重率為12%，驗(yàn)證了添加預(yù)合金粉末A的配方鋒利度明顯提升。磨削試驗(yàn)后對刀頭胎體進(jìn)行微觀組織觀察，見圖7。圖7a為配方一胎體照片，在金剛石周邊可觀察到明顯的裂紋，胎體中有塊狀基體剝落。配方一胎體對金剛石把持力較弱，磨削過程中胎體與金剛石產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致金剛石提前脫落，影響刀頭的壽命和穩(wěn)定性；胎體中高錫偏析導(dǎo)致胎體中各相的磨損匹配性差，磨削過程中塊狀硬脆相提前剝落，影響胎體整體磨損匹配性。圖7b為配方二胎體照片，胎體致密度高，網(wǎng)狀亮色相清晰，胎體各相磨損匹配較好，未出現(xiàn)胎體提前剝落現(xiàn)象，胎體與金剛石結(jié)合界面良好。

圖7 磨削試驗(yàn)后胎體微觀照片F(xiàn)ig.8 Microscopic photographs of carcass after the grinding test

3 結(jié)論

(1)銀基高錫預(yù)合金粉末A燒結(jié)體組織致密，添加銀元素降低了高錫預(yù)合金粉末燒結(jié)過程中反偏析的趨勢，解決了高錫預(yù)合金粉末燒結(jié)致密度差、分散縮孔的問題。

(2)通過添加50ωt.%的預(yù)合金粉A替代大理石鋸片配方中的單質(zhì)錫粉，制備的大理石鋸片燒結(jié)胎體相對單質(zhì)粉末體系，胎體強(qiáng)度提高約9%，硬度下降約14%，塑性變形能力明顯增強(qiáng)。

(3)單質(zhì)錫粉在胎體中極易偏析生成塊狀脆性金屬間化合物，影響胎體強(qiáng)度和塑性；添加預(yù)合金粉A制備的胎體組織均勻，存在的網(wǎng)狀亮色高錫硬脆相可彌散增強(qiáng)胎體強(qiáng)度。

(4)添加預(yù)合金粉末A的大理石刀頭鋒利度提升，胎體磨損匹配性好，與金剛石結(jié)合界面良好。

(5)通過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，銀基高錫預(yù)合金粉末A可有效改善大理石鋸片胎體力學(xué)性能，提高鋒利度和對金剛石的把持力。