FeCuNiSnCo粉末胎體的材料物理性能研究

摘要：粉末冶金金屬基金剛石復合材料工具廣泛應用于加工石材等脆硬材料，隨著航空航天等高端領域的快速發展，對工磨具材料精細化提出更高的要求。為保證工磨具材料優良機械性能，采用機械合金化法制備Fe基預合金粉，對制備Fe基預合金粉莫進行表征，研究球磨轉速、球磨時間等對粉末松裝密度，抗彎強度的影響。對胎體材料顯微組織觀察，表明粉末顆粒經重組變女性，粉末形貌發生變化。球磨轉速是影響胎體材料硬度的主要因素，最佳工藝參數為球磨轉速400r/min-1，液固比為0.5：1.0。

關鍵詞：機械合金化;粉末胎體，物理性能

1885年法國Jaeguin制成首片鑲嵌式金剛石圓鋸片，50年代美國通用電氣公司合成首顆人造金剛石。金剛石工磨具制造業得到長足發展。金剛石工磨具種類繁多，胎體類型分為陶瓷基、金屬基等。金屬基工磨具以其生產效率高，使用壽命長等特點成為石材等崔硬材料加工業的首選。按制備方法分為電鍍與粉末冶金法，電鍍發制備金剛石工磨具胎體包鑲力大，電鍍法僅適用于單層金剛石工磨具生產。粉末冶金法制備金剛石復合材料工磨具已有較長歷史，因粉末冶金法還設備簡單等優點廣泛用于植被金屬金剛石工磨具與材料。鐵基金剛石工具是以Fe為主要成分，配合Cu，Sn等元素制備金剛石復合材料。對金剛石濕潤能力較強，廣泛應用于陶瓷等硬脆材料加工領域。本文采用機械合金化法制備Fe基預合金粉，研究球磨時間轉速對鐵基預合金粉性能的影響。

1.金屬基金剛石復合材料的研究

Fe對金剛石侵蝕能力強，導致金剛石性能下降。結合劑胎體材料發生磨損，無法實現對金剛石有效把持[1]。金剛石切阻力增大，胎體與金剛石保持匹配磨損速度，是發揮金剛石耐磨優勢的關鍵。預合金粉具有組織均勻性高，成分易調節等優點，可以提高胎體材料組織均勻性，提高金剛石工具使用性能。如何降低金屬基金剛石復合材料工磨具制備成本成為研究熱點，國內外學者對胎體與金剛石界面強化法進行大量實驗研究。

隨著電子通信等高端領域的快速發展，目前市場上提供工磨具厚度大，降低厚度可提高材料利用率，工磨具厚度成為非金屬脆硬材料加工關注的關鍵指標。金屬基金剛石工磨具中胎體用于固結切削元件。金屬粘結劑包括電沉積金屬與合金粉末制成合金，胎體作用是與加工對象具有匹配耐磨性，胎體性能由其組成與加工工藝決定。金剛石工磨具要求胎體性能對金剛石具有良好濕潤性，與金剛石膨脹系數差異小，增強胎體與金剛石的粘結力;胎體材料使用不易發生塑性變形，鋸切工具要有合適的磨損性等。金屬胎體由粘結金屬、骨架材料等元素構成。金剛石潤滑性能的金屬材料為粘結金屬材料，主要用于牢固把持金剛石。Cu等金屬具有很好受熱變形，燒結中易于填充粉末顆粒間空隙。

Co元素在金屬基金剛石工磨具胎體的組分中具有很大優越性，Co元素與金剛石低溫粘結性好，可用于提高胎體性能，在金剛石工具研究初期得到廣泛應用。90年代中期比利時Umicore公司提出金剛石工具中使用預合金粉末，研發快速切割下對金剛石具有很好把持力的高硬度耐磨性系胎體[2]。2001年西班牙學者采用熱壓燒結等靜壓燒結工藝，制備金剛石工具，表明無壓燒結后等靜壓處理可得到全致密材料。印度學者研究Cu含量對Cu-Co-Fe基預合金胎體燒結性能影響，表明胎體燒結性隨著Cu粉末尺寸減小增強。

2.FeCuNiSnCo粉末胎體材料性能實驗

實驗主要原料包括單質Fe粉，Sn粉，Co粉等;分析純無水乙醇。以球磨時間、液固比等為主要控制因素。按照配方要求稱取原料粉末，采用PM-10L型球磨機進行機械合金化。球磨后物料真空干燥，預合金粉末經冷形成素坯，裝入石墨模具熱壓燒結得到鐵基胎體材料，壓力為20MPa。采用LS-POP（9）型激光粒度儀測量預合金粉末粒度，利用TESCAN MIRA3LMH掃描電鏡對預合金粉末進行顯微形貌觀察。

研究使用原料粉末為霧化單質粉末，D50為45-50μm，磨球通過碰撞將能量傳遞給粉末，伴隨冷焊重組過程，改變原始粉末特性。球磨控制因素可影響預合金粉莫激光粒度，L3工藝制備預合金粉末激光粒度D50最大72.78μm。粉末松裝密度是粉末的重要工藝特性，對粉末冶金機械零件生產工藝穩定非常重要。粉末冶金生產中需要具有較高流動性，隨球磨時間延長，預合金粉末宋莊密度先增后減。機械合金化方法制備預合金粉末影響因素排序為球料比>液固比。L1，L2，L4，L6，L8工藝制備粉末具有相似顯微形貌，預合金粉末保留原料粉末特征，L5，L7，L9預合金粉末呈厚片狀。

L1預合金粉末X射線衍射譜線中僅出現Cu，Fe衍射峰，L3與L5粉末X射線衍射譜線中，L3，L5粉末X射線衍射撲線中Cu衍射峰強度下降，表明球磨中Cu等與Fe元素相互合金化。L3，L9預合金粉末壓制特性較差。機械合金化參數對胎體材料硬度影響排序為球料比>液固比;可獲得高強度的最佳生產工藝為球磨轉速400r/min-1，液固比0.5：1.球磨時間與液固比對燒結胎體材料性能影響較細小。隨球料比增加，高能球磨產生大量加工應變能，有利于燒結組織均化。

預合金粉末松裝密度對球磨液固比不敏感，球磨轉速對預合金粉末松裝密度影響較小。考慮過度球磨導致粉末松裝密度下降，最佳球料比為4：1。L1工藝制備胎體組織由富Fe骨架相遇富Cu粘結相組成，骨架相內部有絮狀粘結相存在。粘結相內部有彌散分布點狀富Sn相存在。短時球磨制備預合金粉莫，胎體抗彎斷口形貌以骨架相拔出為主。胎體斷口以準解理斷裂為主，球磨能量增加，球磨留下大量位錯。對骨架相進行強化，使得胎體脆性增加。

結語

機械合金化工藝改變粉末分布狀態，高能球磨將粉末轉變為片層狀結構，影響因素強度排序為球料比>液固比。機械合金化工藝對燒結胎體強度有影響，球磨時間對胎體材料硬度較小，最佳球磨工藝為轉速400r/min-1，液固比為0.5：1.0.機械合金化工藝斷口形貌，骨架相由多變形狀轉變為絮狀，胎體抗彎斷口轉變為準解理斷裂形式。

參考文獻：

[1]劉志環，張紹和.金剛石繩鋸用Fe基預合金粉代Co性能[J].中南大學學報（自然科學版），2019，50（04）：796-805.

[2]周強，魏世超，楊樹忠，羅莉，常德民.機械合金化FeCuNiSnCo粉末的制備及其胎體材料物理性能研究？[J].粉末冶金技術，2019，37（01）：30-35.

作者簡介：程碩（2000-），男，漢族，福建永泰，本科，福建師范大學物理與能源學院。