不同燒結溫度下鐵基胎體的組織及性能

孫為云

（鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121）

隨著我國經濟建設的穩步發展，金剛石工具的應用領域逐步擴大，如地質勘測、機械加工、石油等的鉆探，石材玉石加工、其他加工行業等，其消耗量也越來越大。金剛石工具中加工陶瓷拋光磚棱邊的一類重要工具—金剛石磨邊輪，因其加工對象種類繁雜，硬度高耐磨性好、薄脆、比較難磨削等特點，所以對金剛石磨邊輪的加工性能提出了比較高的要求。金剛石磨邊輪胎體的硬度、抗彎強度等性能及其對金剛石的固結能力直接影響著其使用壽命和加工效率。而且對胎體性能的研究又是后序生產制備金剛石磨邊輪的前提，所以深入研究金剛石磨邊輪胎體的相關力學性能至關重要。銅基、鋁基和鐵基等金屬結合劑是金剛石磨邊輪常用的胎體材料，通常情況下，鐵基胎體中Fe的添加量一般不超過60%，再輔以其他元素以改善結合劑的綜合力學性能，如添加熔點較低的Sn、Zn、磷鐵等組元來降低胎體燒結溫度，從而降低生產成本；通過加入適量細粒度的Ni粉以促進粉末在燒結時發生位移，從而提高胎體的性能。

鐵基胎體在進行熱壓燒結時，升溫速率、燒結溫度、保溫時間等燒結參數會直接影響其性能，其中燒結溫度的作用比較明顯，因此本文以常用的鐵基胎體為研究對象，分析不同燒結溫度下鐵基胎體的組織和性能，找到適宜該鐵基胎體配方的燒結溫度范圍，以期獲得較佳性能的磨邊輪胎體并應用于實際生產中。

一、試驗方法及過程

（一）試驗用原材料及胎體配方

根據生產實際情況，采用自制的鐵基胎體配方，其中Fe粉占20%（質量分數，下同），FeCu30預合金粉占30%，Cu粉占29%，粒度200目以細，Ni粉占10%，Sn粉占5.2%、Zn粉占2.8%、磷鐵粉占3%。其中鎳粉粒度是400目（37 μm）以細，磷鐵粉是300（48 μm）目以細，其余粉末是粒度200目（74 μm）以細。

（一）試驗工藝及試樣制備和性能檢測

1.試驗工藝：根據鐵基胎體配方先進行配混料，在三維混料機中混料3h，然后放入石墨模具中熱壓燒結，燒結溫度分別是730℃、740℃、750℃、760℃、770℃，保溫時間和燒結壓力分別為3min和20kN，制得燒結塊體積為40.0 mm（長）×8.0 mm（寬）×4.6 mm（高）。

2.金相試樣制備：燒結塊經過鑲樣、打磨、拋光、侵蝕等制得金相試樣，所用侵蝕劑為FeCl3鹽酸水溶液。

3.性能檢測：利用臺式掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織，并借助其能譜儀分析樣品成分；采用X射線衍射儀分析其物相組成；利用排水法測得試樣的實際密度并根據其理論密度計算出致密度；采用洛氏硬度計測量樣品的硬度；利用萬能力學試驗機測量燒結樣品的彎曲強度。

二、試驗結果與討論

（一）燒結溫度對胎體組織的影響

從圖1中可以看出，燒結溫度不同時，鐵基胎體中主要存在亮灰色、灰色和深灰色三種顏色的組織，圖中的黑點為孔洞或雜質。隨著燒結溫度的升高，亮灰色組織減少，灰色組織增多，部分深灰色組織被亮灰色和灰色相分散，即這二者擴散進入深灰色組織中。750℃和760℃燒結體的組織較730℃和770℃燒結時的更均勻，當溫度升高至760℃和770℃時已基本觀察不到亮灰色組織。但當溫度升至770℃時，燒結時出現了流料現象。為進一步確定胎體中不同顏色組織的成分，對750℃燒結的試樣進行能譜分析結果如圖2所示。

根據圖2中結果可知：1點成分主要為Cu、Ni、Sn，由銅錫二元合金相圖可知，當Sn含量較低時，Cu和Sn可以反應生成有限溶解固溶體和一系列中間相，主要有α相、δ 相（以Cu31Sn8化合物為基的固溶體，室溫下的硬脆相）。Cu與Sn還可以形成以δ 相為基的固溶體即Cu41Sn11，也是室溫下的硬脆相。同樣，由銅鎳二元合金相圖可知，Cu與Ni可以形成無限固溶體，在燒結過程中Ni元素可以通過與銅反應形成固溶體，從而提高胎體的抗彎強度和硬度；同時，本配方中添加的Ni粉粒度細小，在合金中還可起到細化晶粒的作用，此外，Ni的加入還可以使得Sn、Zn的流動性得到有效改善，可促進燒結的致密化進程，從而提高胎體的綜合性能。

2點檢測到主要成分為Cu元素，3點檢測到主要成分為Fe元素，還檢測到少量的Cu和Ni，根據何娟等人的研究結果，在燒結進程中Fe元素易發生自擴散過程，使得胎體粉末中Fe元素會形成連續相。4點是夾雜在深灰色組織中的亮灰色組織，其主要成分是Cu、Fe，同時還檢測到含有少量的Sn、Zn和Ni元素，推測是熱壓燒結過程它們擴散進入了FeCu30預合金粉中。5點的Fe、Ni、P含量較高，推測是由于Ni擴散進入磷鐵粉形成的組織，由鐵鎳相圖分析可知，Ni含量較低時，Fe與Ni可形成以鐵為基的固溶體，P的存在是由于配方中加入了FeP粉，但由于磷鐵粉的添加量較少，組織中其數量也不多。

為了弄清楚鐵基胎體中的物相，借助X射線衍射儀分析了750℃燒結時的胎體的物相組成，結果見圖3。

由圖3可知，胎體中的物相主要包括γ-Fe，鐵基、銅基固溶體以及Ni4Sn和Fe4Cu3、Cu0.61Zn0.39等金屬間化合物。

（二）燒結溫度對胎體性能的影響

表1為鐵基胎體燒結溫度與性能之間的關系圖。從表1中可以看出，胎體的致密度和洛氏硬度隨燒結溫度的升高而增大，抗彎強度呈先增大后減小的趨勢。燒結時隨著溫度的上升，低熔點的Sn、Zn熔化并填充到其他粉末空隙間，與Cu、Ni等形成固溶體和金屬間化合物等低熔點相。溫度進一步升高，生成的低熔點相增多。同時，在壓力的輔助作用下，胎體的致密度迅速增大，合金化程度隨之增加，胎體硬度、抗彎強度也隨之增大。胎體致密度在750℃和760℃時接近，分別為98.7%和98.8%，硬度分別為97.7HRB和104.2HRB，抗彎強度分別為987.5MPa和988.7MPa，相差不大。但抗彎強度在770℃燒結時出現下降，原因是此時燒結溫度偏高，起粘結劑作用的液相量過多而出現少量流料，因此導致強度稍有下降，此時強度為967.1MPa。肖俊玲[5]等人的研究結果表明對于鐵基胎體制造的陶瓷磚磨邊輪刀口磨削鋒利、使用效果較好時，胎體的硬度約為96 HRB，抗彎強度約為970 MPa。對于金剛石工具用結合劑硬度過高致使胎體非常耐磨，使其在使用時金剛石不容易出露，會導致工具的鋒利度下降，加工效率降低。

表1 鐵基胎體燒結溫度與性能之間的關系

綜合以上分析，在本試驗研究的范圍內，該鐵基胎體較適宜的燒結溫度為750℃～760℃，因溫度越高，生產成本就越高且會出現流料現象造成材料的浪費，所以在滿足使用性能要求的前提下，燒結溫度應盡可能的低些。

三、結論

（一）鐵基胎體中主要由亮灰色，灰色和深灰色三種顏色組織組成，隨著燒結溫度的升高，亮灰色組織逐漸減少，灰色組織增多。

（二）鐵基胎體的主要物相組成是γ-Fe，鐵基、銅基固溶體以及一些金屬間化合物。

（三）鐵基胎體的致密度、硬度均隨燒結溫度的上升而提高，抗彎強度呈先增大后減小的趨勢。

（四）該鐵基胎體配方的較適宜燒結溫度為750℃-760℃。