Y2O3對鐵基金剛石工具性能的影響＊

溫 祿，周 強，羅 莉，潘錫翔，吳勁頻

（1.國家離子型稀土資源高效開發利用工程技術研究中心,江西 贛州 341000）

（2.江西離子型稀土工程技術研究有限公司,江西 贛州 341000）

金屬結合劑金剛石工具因具有高強度、高硬度和良好的耐磨性，廣泛應用于建材切削、礦石開采、地質勘測等硬脆材料加工領域。對用戶來說，因電力成本在加工支出項中占很大比重，金剛石工具的切割效率和加工能耗是關注的重點。因此，提高金剛石工具的鋒利度和耐磨性顯得尤為重要，而胎體配方和加工工藝等是影響金剛石工具鋒利度和耐磨性的關鍵。金屬結合劑金剛石工具用胎體一般包含金屬基結合劑和金屬基預合金粉等，其中的金屬基結合劑有Co 基、Fe 基、Cu 基結合劑等，且金屬基預合金粉能很好地把持金剛石顆粒。由于Fe 基結合劑具有良好的綜合性能且成本相對較低，近年來已成為研究的熱點。如以相對便宜的Fe 基產品替代成本較高的Co 基或低Co 基產品等來制造鋸片，但替代時要解決工具自銳能力下降、結合劑結合強度不高等問題[1-3]。針對花崗巖的硬脆特性，林濤等[4]用含質量分數為10%Co 的超細預合金粉在燒結溫度為830～860 ℃時制造了鐵基金剛石鋸片，并使胎體對金剛石呈現較好的包鑲能力，獲得了切割性能較好的鐵基金剛石鋸片。但其中的Co 含量還有下降空間，且燒結溫度較高會對金剛石本身性能造成破壞。金屬結合劑中添加稀土元素就是解決該問題的途徑之一。

金屬結合劑中添加稀土元素可細化結合劑晶粒、凈化金剛石和結合劑的界面，進而改善彼此間結合狀態[5-6]。劉英等[7]研究了稀土Y 對45Ni-40Fe-8Co-7Cu合金微觀組織的影響，發現添加稀土后的合金晶界清晰，其稀土相促進了Ni 的外擴散，細化了氧化物的結晶顆粒；LI 等[8]研究了Y 摻雜對TiAl 基合金組織和性能的影響，發現Y 的加入對晶粒細化和結晶的層間距有明顯影響，這有助于提高合金的機械強度；葉紀超[9]發現添加適量的Y2O3能明顯提高金屬胎體的力學性能，添加質量分數為0.8%的稀土Y2O3后，胎體抗沖擊韌性提高了約90%，抗彎強度提高了16%，硬度提高了15%以上。原因是Y2O3的添加，能通過彌散強化及晶粒細化等作用改善胎體內部結構，使胎體更加致密化，從而提高了胎體性能；郭森林[10]研究發現：添加質量分數為0.2%Y2O3的胎體對CBN 磨粒結合更緊密，且Y2O3在胎體中高度彌散，其機械包覆能力更強。

為研究及制備性價比較高的金剛石工具來加工花崗巖，選用Fe 基低Co 配方金屬結合劑，并添加適量Y2O3，制備16 組金剛石胎體燒結樣，基于正交試驗方法研究熱壓壓力、燒結溫度和Y2O3含量等3 個因素的變化對樣品硬度、致密度、抗彎強度和斷口微觀形貌等的影響，并獲得較優的燒結工藝參數。在此基礎上，向胎體中加入金剛石顆粒制備金剛石工具，對工具的斷口形貌、耐磨性和鋒利度等進行檢測及分析，以期了解稀土氧化物含量對金剛石工具性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗原材料

CuSn15 合金粉、FeCu30 合金粉及FeCu40Ni12Sn7 Co10 合金粉，3 種合金粉的基本顆粒尺寸均為48 μm，其密度分別為8.64，8.15 和8.43 g/cm3，純度均為99.5%；Y2O3粉基本顆粒尺寸為74 μm，密度為5.01 g/cm3，質量為分析純；金剛石粒度代號為40/45，為SMD 系列人造金剛石。

1.2 樣品制備

表1 鐵基胎體配方表（質量分數)Tab.1 Formula of iron-based matrix (mass fraction)

表2 正交試驗的因素和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

金剛石工具制備：在表1 配方中再分別加入體積分數為20%的40/45 金剛石，用石蠟油潤濕并混合均勻，用胎體試樣制備相同的方法制備同尺寸的4 種金剛石工具試樣，以進行相對密度、硬度、抗彎強度、形貌等的測試。制備金剛石工具試樣時，根據胎體性能檢測結果，選擇胎體制備時較佳的燒結工藝參數來制備4種金剛石工具試樣。4 種胎體及4 種金剛石工具試樣分別都用D，E，F，G 命名。

1.3 性能測試及結構表征

試樣密度根據 GB/T 3850-2015《致密燒結金屬材料與硬質合金密度測定方法-排水法》進行測量[11]。采用HVS-10008 數顯顯微硬度計測試胎體試樣硬度。試樣抗彎強度采用三點彎曲法在CMT-5205D 電子萬能材料力學試驗機上測試，測試時跨距為14.5 mm。每組試樣單個性能檢測項目重復檢測4 個（次），最終數據取平均值。用TESCAN MIRA3 LMH 掃描電鏡對試樣斷口形貌進行觀察。將金剛石工具試樣與綠碳化硅砂輪（綠碳化硅基本顆粒尺寸為178 μm，砂輪規格為100 mm×16 mm×20 mm）在摩擦磨損試驗機上對磨，磨削時加載9.8 N 的力，磨削50 s，計算金剛石工具試樣的質量損耗，以反映金剛石工具試樣的耐磨性及鋒利度。

2 結果與討論

2.1 胎體的性能

表3 為胎體試樣燒結的正交試驗方案及性能檢測結果，其中的相對密度=胎體實測密度/胎體理論密度，胎體理論密度由表1 各成分占比計算得到。表4 是胎體試樣各性能指標正交試驗結果的極差分析結果，其極差值越大說明該因素與結果變化相關性越大，影響越顯著。從表4 中可知：顯著影響相對密度和硬度的因素次序為Y2O3質量分數＞燒結溫度＞熱壓壓力，對抗彎強度影響顯著的因素次序為燒結溫度＞Y2O3質量分數＞熱壓壓力。

表3 胎體燒結試樣正交試驗方案及性能檢測結果Tab.3 Orthogonal test scheme and performance test results of matrix sintered samples

表4 正交試驗結果的極差分析結果Tab.4 Range analysis results of orthogonal test results

圖1、圖2 和圖3 分別為試樣相對密度、硬度和抗彎強度隨各因素水平的變化趨勢。由圖1 可知：熱壓壓力增大、燒結溫度升高，試樣相對密度隨之增大；若Y2O3含量增加，相對密度則先減小后增大。由圖2 可知：壓力增大，硬度先減小后增大；若溫度升高、Y2O3含量增加，試樣硬度則先增大后減小再增大。由圖3可知：試樣的抗彎強度與溫度變化呈強烈的正相關性，且波動幅度較大；抗彎曲度與壓力和Y2O3含量的變化基本上是先減小后增大。綜合起來，在水平3 時，胎體綜合性能最弱；在水平4 時，胎體綜合性能最優。此時，若以胎體相對密度最大、硬度最高、抗彎強度最大為目標，則相應的最佳參數組合分別為A4B4C4、A4B4C2及A4B4C4。

圖1 試樣相對密度隨各因素及水平變化的趨勢Fig.1 Variation trend of relative densities of samples with factors and levels

圖2 試樣硬度隨各因素及水平變化的趨勢Fig.2 Variation trend of hardness of samples with factors and levels

圖3 試樣抗彎強度隨各因素及水平變化的趨勢Fig.3 Variation trend of flexural strengths of samples with factors and levels

2.2 胎體試樣斷口形貌

圖4 是部分胎體試樣斷口形貌。由圖4 可知：1#和5#試樣的孔隙率較大。原因是在溫度較低時，體積擴散較慢，顆粒重排或溶解重排不充分，胎體未完全致密化，其斷口存在較大的解理面，斷裂方式主要為沿晶斷裂，致使胎體抗彎強度和相對密度均處于較低水平；13#和16#試樣的致密度化程度明顯改善，斷裂方式主要為穿晶斷裂。其中，13#試樣添加了較多的Y2O3（表3），其斷口組織相較1#和5#的更加致密，且表3 數據也顯示其抗彎強度較1#和5#的均提高了13% 以上；16#試樣雖未添加Y2O3，但因提高了燒結溫度和熱壓壓力，胎體孔隙被金屬液相填充，其胎體斷口組織相比13#試樣的更加均勻、細密。但13#和16#試樣熱壓壓力相同，燒結溫度差別較大，分別是760 ℃和820 ℃，這表明13#試樣中添加的Y2O3能降低燒結溫度并促進胎體組織致密化。

圖4 部分胎體試樣斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of some matrix samples

2.3 金剛石工具試樣的性能

根據正交試驗結果，為進一步探究Y2O3對4 種金屬胎體金剛石工具試樣性能的影響，對D，E，F，G 4 種金剛石工具試樣的燒結選取較優的燒結工藝參數組合A3B2，即在熱壓壓力為51 kN，燒結溫度為780 ℃下進行燒結。表5 是在較優燒結參數下改變Y2O3含量制備的4 種胎體及4 種金剛石工具試樣的性能測試結果，表中的抗彎強度損失率η=（σ1-σ2）/σ1×100%。

表5 金剛石胎體/工具試樣性能測試結果Tab.5 Performance test results of diamond matrix/tool samples

表5 數據表明：隨著Y2O3含量增加，金剛石工具試樣的抗彎強度損失率是先增大后減小再增大，當Y2O3質量分數為0.50% 時，其抗彎強度最高為899.00 MPa，抗彎強度損失率最低為9.91%，僅為空白組（即Y2O3為0 時的組）D 的抗彎強度損失率的34.41%。說明含適量Y2O3的金屬結合劑不僅能為金剛石提供支撐而且能傳遞并分散應力，使金剛石工具能承受相對較大的應力而不斷裂。這在宏觀力學上表現為金剛石工具試樣的抗彎強度相對較高，即金屬結合劑對金剛石有較好的包鑲能力[12]。

圖5 是表5 中4 種金剛石工具試樣的斷口形貌。由圖5 可知：4 種胎體結合劑和金剛石結合緊密，且組織致密。圖中4 種金剛石工具的結合順序為F＞G＞D＞E，該結果與表5 中的抗彎強度數據一致。說明適量的Y2O3能使燒結體孔隙率減小，黏結狀況改善，增強了燒結體對金剛石顆粒的把持能力。

圖5 金剛石工具各試樣斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of diamond tool samples

2.4 金剛石工具試樣的耐磨性

表6 是表5 中4 種金剛石工具試樣分別與碳化硅砂輪對磨的測試結果，其中的磨耗比R=工具試樣損耗的質量m1/砂輪損耗的質量m2，R值越低，表明工具耐磨性越好；且單位時間內碳化硅砂輪的質量損耗越高，證明金剛石工具越鋒利。表6 數據顯示：添加Y2O3后，金剛石工具的磨耗比增加，表明其耐磨性降低。隨著Y2O3含量的增加，綠碳化硅砂輪的損耗先減小后增大，當Y2O3質量分數為0.5%時，碳化硅砂輪損耗質量最大，為22.90 g，是空白組D 時的1.70 倍；此時金剛石工具的鋒利度最好，但其磨耗比比D 組的增加34.57%，工具耐磨性變差。

準備完畢，姑媽要鎖門時，玉敏指著姑媽手指上的鉆戒，說這個拿下吧，帶到洗澡中心不安全。弄上水了，還會影響光潔度。姑媽說對對，這玩藝是寶貝，莫讓小偷盯上了。玉敏心里格登一下，臉有些發燙。姑媽取下鉆戒，進了臥室，拉開床頭柜最上層抽屜，將鉆戒放了進去。

表6 金剛石工具試樣耐磨性測試結果Tab.6 Wear resistance test results of diamond tool samples

圖6 是D，F 金剛石工具試樣的磨損面形貌。圖6中的2 組胎體對金剛石的機械包鑲均較好，但試樣F的金剛石顆粒出露高度明顯高于試樣D 的，表明該金剛石工具的切削效率更高。研究證實含質量分數為0.5%Y2O3的金剛石工具的自銳性更好，與加工對象具有優良的匹配性[13]。

圖6 金剛石工具磨損面形貌Fig.6 Morphologies of wear surface of diamond tools

3 結論

（1）顯著影響鐵基結合劑胎體相對密度、硬度的因素次序為Y2O3含量＞燒結溫度＞熱壓壓力，顯著影響抗彎強度的因素次序為燒結溫度＞Y2O3含量＞熱壓壓力，且Y2O3能促進鐵基金剛石胎體組織致密化，降低胎體燒結溫度。

（2）鐵基金剛石工具試樣制備選取的較優燒結工藝參數為：熱壓熱力，51 kN；燒結溫度，780 ℃。添加適量的Y2O3能使工具試樣中的孔隙率減小，黏結狀況改善，并增強結合劑對金剛石顆粒的把持能力。

（3）用含質量分數為0.50%Y2O3的配方制作金剛石工具試樣，其抗彎強度最高且抗彎強度損失率最低，分別為899.00 MPa 和9.91%，此時工具的綜合性能最優。與該金剛石工具對磨的碳化硅砂輪的損耗量最大為22.90 g，是不含Y2O3時的空白組工具的1.70 倍。此時，金剛石工具試樣的鋒利度最好，但其磨耗比比空白組工具試樣的增加34.57%，金剛石工具的耐磨性降低。同時，工具中的金剛石顆粒出露高度更高，其自銳性更好。