铜基胎体中低熔点金属的反应特性及性能研究

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r.2018Ap

铜基胎体中低熔点金属的反应特性及性能研究

()广东奔朗新材料股份有限公司,广东佛山 528313

周浩钧,陶洪亮,文 平

/摘 要:Zn和Sn是金刚石工具胎体常用的低熔点金属。实验采用电阻式热压法制备了4种不同ZnSn/研究铜基胎体中低含量的试样。通过改变Z借助力学试验机、扫描电子显微镜、X射线衍射仪,nSn配比,加到8烧结体中C最终消失,而C烧结体wt%时,uSnuSn+CuZn4111硬脆相逐渐减少,13.70.70.3相逐渐增加;熔点金属的反应特性及其对烧结体性能的影响。结果表明:保持S当Zn+Zn总量不变,n引入量由0增

/但从力值-26.6Jcm2。四种试样断口均出现光亮平整的脆性断面特征和类似于塑性断裂的浅韧窝特征,变形曲线看仍属于典型的脆性断裂行为。

关键词:铜基金刚石工具;低熔点金属;物相组成;断口形貌

()中图分类号:1673-1433201802-0006-05A 文章编号:TG74;TQ164 文献标识码:

2

;/的硬度值由8抗弯强度由6冲击韧性由5.提高至4.6HRB降至67HRB;30MPa提高至736MPa7Jcm

Researchonreactioncharacteristicsandproertiesoflow-meltinetalsinCu-basedmatrixpgm

,WE,NPinZHOUHaounTAOHonliangjgg--

,,(Monte-BiancoDiamondAlicationsCo.Ltd.Foshan528313,China)pp:AbstractZnandSnarecommonlsedindiamondtoolmatrix.Fourkindsofsamlesyup,SnratiothereactioncharacteristicsandproertiesoflowmeltinetalsinCubasedmapgm---//withdifferentZnSncontentwereprearedbotressedsinterin.BhanintheZnpyhpgycgg

,trixwerediscussedwiththehelfmechanicaltestinachinescanninlectronmicropogmge-,scoeandX-raiffractometer.WhenthetotalamountofSn+Znketconstantthepydp,Znincreasesfrom0to8wt%.ButatthesametimethecontentofCuSn+CuZn13.70.70.3hardbrittlephaseofCuSnecreasesgraduallndfinallisaearastheamountofyaydpp4111d

hasesincreasesgraduall.Thehardnessofsinteredbodecreasesfrom84.6HRBtopyyd

,67HRB,theflexuralstrenthincreasesfrom630MPato736MPaandtheimacttouhgpg-lasticfracturewereobservedclearltthefracturereionofdifferentsecimens.Butitpyagp;:;;hasecomositionfracturemorKewordsCubaseddiamondtoolslowmeltinetalppgmy---//nessincreasesfrom5.7Jcm2to26.6Jcm2.Thecharacteristicsofbrittlefractureand

stillbelonstotheticalbrittlefracturebehavioraccordinothestressstraincurve.gypgt-holopgy

,:作者简介:周浩钧(男,硕士研究生,现就职于广东奔朗新材料股份有限公司,主要从事金属结合剂金刚石制品的研制工作,1987-)E-mailzhouhaounlife@163.com。j

():]超硬材料工程,引文格式:周浩钧,陶洪亮,文平.铜基胎体中低熔点金属的反应特性及性能研究[2018,3026-10.J.

收稿日期:2017-10-26

第3直流脉冲电场作用下纳米碳材料的相变与金刚石的合成0卷 第2期 周浩钧等:

7

1 引言

金属组分,可以用来调节烧结温度Sn、Zn是金属基金刚石工具常用的低熔点

,改善烧结致密化行为,调控工具的锋利度和使用寿命。但在实际应用过程中,其独特的物理和化学性质及其对工艺参数的敏感性,常常困扰着配方设计工作者。若使用不合理,不仅难以达到调节效果,反而会严重偏离理想的工艺,

恶化工具的使用性能[1-3]

烧结特性及其与其他金属粉末或者预合金粉末间的

。因此,掌握低熔点金属的

相互作用特点,是发挥其应用效能的关键。本实验设计了助多种表征手段对比研究了低熔点金属在铜基胎体4种配方,采用电阻式热压烧结法制备试样,借

中的烧结特性及其对性能的影响。

2 实验

2.1 配方设计

采用电阻式热压的方法,制备了四种试样。原材

料包括单质粉和预合金粉,氧含量均低于10-6

,其中Zn和部分Cu由预合金粉引入。1表5010×

为

A、B、C、D试样元素组成情况。

表Table1 Ex1p 实验配方设计

erimentalformuladesig

n试样编号

组分单位CuSnZnAwt%8416-Bwt%84133Cwt%84115D

wt%

84

8

8

2.2 实验方案

用钢模冷压MX-后,6摇摆式三维涡流混料机混料采用电阻式热压法制备尺寸规1.5h格为,

55mm×宏观力学性能采用硬度仪12mm×5mm和30mm×1、电子万能试验机和2mm×5mm的试样。冲击韧性测定仪进行测试,断口形貌及物相定量分析

分别借助扫描电子显微镜和烧结温度为720℃,压力为80X-射线衍射仪。热压

艺曲线如图1所示。

kN,保温180s,烧结工图Fig.1 The1c 烧结工艺曲线

urveofsinteringp

rocess 结果及分析

.1 宏观力学性能分析

硬度、抗弯强度和冲击韧性是衡量金刚石工具烧

结体性能的重要指标,其大小与合金成分及烧结工艺关系密切。其中,硬度是指材料局部抵抗外界硬物压入其表面的能力,在一定程度上也反映了烧结体致密程度;抗弯强度(量“韧性”或者“强度TRS

”)的尺度常被众多冶金技术人员当作衡[4

]裂纹扩展行为有关,是指材料发生脆性断裂时单位截;冲击韧性与材料内部

面积所消耗的能量,同时它也是产品安全性的重要判据。表由测试结果可知2和图2对比了四种试样各项力学性能指标。:以→3wt%→5wt%→8wt%Z时n代,

硬S度n,值当A>B≈C>DZn引入量由0

而冲击韧性和抗弯强度值,结试样的性能与低熔点金属组分关系密切A可通过改变Zn和SCn的配比来调控铜基胎体的性能。表、D组数据变化幅度呈现高度一致性2中

、C组和,

这说明硬度-冲击韧性。在力学理论上-抗弯强度三者之间可能存在

某种相关性,冲击韧性主要反映的是制品内部裂纹在扩展过程中所受阻力的大小,抗弯强度则同时依赖于裂纹产生和裂纹扩展两个过程。

表Table2 Co2m 宏观性能指标对比

parisonofmacro-performances配方组别

硬度抗弯强度冲击韧性A(8H(M6P)(J/74RB)9..646350a25c.m2)B677..0

876376

7110DC

1.7

7.226.65

33B8

超硬材料工程 2018年4月

Fi.2 Therelationshifhardnessbendintrenthandimacttouhnessbendintrenthgpogsgpggsg--

图2 硬度-抗弯强度与冲击韧性-抗弯强度关系图

当硬度高、韧性低时,裂纹产生所需的应力就大,裂纹产生过程对抗弯强度起控制作用。当硬度低、韧性高时,裂纹扩展所受的阻力越大,裂纹扩展过程对抗弯强度就会起控制作用。对金刚石工具而言,其抗弯强度在一定程度上反映了胎体对金刚石磨料的把持能力。因此,在设计配方时应综合考虑硬脆相和韧性相的协同作用,在工具应用端也应充分了解加工工艺参数对产品性能可能造成的影响。

3.2 断口形貌分析

选用美国FEI公司的InsectS50扫描电子显微p

但易形成集中缩孔。引入量较关,Zn的流动性很好,3.3 物相定量分析

采用德国BrukerD8ADWANCE型X射线衍易导致烧结体疏松。高时,Zn受热挥发,

射仪,对A、B、C、D四种试样进行X射线衍射分析,并借助J表ade6.5完成数据处理。图4为衍射图谱,

3为相组成测试结果。

()从图3~图4可以看出:从衍射图谱可知A、1但D样B、C试样CuSn4111衍射峰的强度逐渐变弱,

品未见CuSnuSnA>4111峰。由此说明C4111相含量:而D试样不含CB>C,2)3.1宏观力学uSn4111相。(性能结果显示:相比于C试样,D试样各项性能出现

(结果如图3所示。由图可知:四种试样1)3000倍,

均出现光亮平整的脆性断面特征和类似于塑性断裂明显,这也间接说明了其烧结组织中塑性相的存在,的浅韧窝特征。相比较而言,D试样浅韧窝特征最为

镜对A、放大倍数为B、C、D试样进行断口形貌分析,

骤变,尤其是硬度与冲击韧性,这与硬脆相Cun41S11

)且含量相对较高。(四种试样断面均有明显孔洞和2过程有关,液相Sn在短时间内发生扩散及迁移行

裂缝。其中A试样中的细孔洞主要与瞬时液相烧结

为,并在原来位置留下孔隙。B、C、D试样出现孔洞和裂缝除了与上述原因有关外,还与Zn的引入有

Sn可分别固溶于Cu相中形成结构相似的中间相。

()在一定程度上可反映烧4XRD衍射峰的尖锐程度,说明结晶度相对较好。

单凭XZnRD衍射分析手0.3相衍射峰位置十分接近,

、段很难准确定量分析,这也说明在一定条件下,Zn结试样结晶的好坏。图中D试样衍射峰最为尖锐,

)的消失有关。(3B、C、D试样中的CuSn与Cu13.70.7

Fi.3 SEMmorholoffracturesurfacegpgyo

图3 断口形貌SEM图

第3直流脉冲电场作用下纳米碳材料的相变与金刚石的合成0卷 第2期 周浩钧等:

9

Fi.4 X-raiffractionpatternofdifferentsamlesgydp

表3 四种试样物相组成

图4 四种试样的X射线衍射图谱

Table3 Thephasecomositionofdifferentsamlespp

样品编号

ABCD定量分析。

]Sn[40.56Cu13.7

物相组成[重量比Wt%]

]59.44CuSn4111[

]CuSn+CuZn56.2613.70.70.3[

]Sn+CuZn76.46Cu13.70.70.3[

]CuSn43.744111[

难脱离预合金粉区域,最终形成硬脆相Cu41

[]5~6

。因此,SnA试样相组成包括CuSn和Cu1113.741其背散射电子图像见图5(所示。根据CSnA)u-11,

[]

Sn-Zn三元平衡相图可知7:Zn能大量固溶于锡青

体。由于扩散能力有限,远离Cu颗粒的液相Sn很

周围的C并形成面心结构Cu颗粒迁移,uSn固溶13.7

靠近Cu颗粒的液相Sn会借助颗粒间的毛细管力向

]CuSn+CuZn100.013.70.70.3[

]CuSn23.544111[-

很难进行备注:由于CuSn的衍射峰位置十分接近,uZn13.70.70.3与C

铜的α相中,且在ZSn的n由零增至38%的范围内,

3.4 物相形成机理探讨

,均A试样原料为Cu-Sn预合金粉和单质Cu

,升温过程中,合金粉受热后优先熔融并形成液相Sn

匀混合后,单质Cu颗粒被Cu-Sn预合金粉包围。

最终形成结构类似的CZn含量为8wt%,un相13.7S

图5中D样品背散射电子图像未见+CuZn0.70.3相,明显衬度。

的引入量,有助于B、C、D试样中液相Sn与单质Cu

反应形成固溶体,其合金化程度也随之提高。D试样

固溶度逐渐降低,由1增加Z5%降至0.7%。因此,n

Fi.5 Theimainormationofbackscatteredelectrongggf

图5 背散射电子成像图

4 结论

()/会显著影响烧结体1SnZn相对含量的改变,

最终消失,而CCuSnun+4111硬脆相逐渐减少,13.7S

不变,随着Z烧结体中n引入量由0增加到8wt%,

的相组成、力学性能及断裂行为。保持Sn+Zn总量

10

超硬材料工程 2018年4月

CuZn84.6HRB0.70.3相逐渐增加。烧结试样硬度值由

,降至6抗弯强度由67HRB,30MPa提高至736MPa(),在C可降低S2u-Sn体系中适当引入Znn

在C并提高烧结体的结晶度。但要注u中的固溶度,()四种试样断口均出现光亮平整的脆性断面特3

征和类似于塑性断裂的浅韧窝特征。但从力值-变疏松。

//冲击韧性由5.7Jcm2提高至26.65.7Jcm2。

参考文献:

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()抗弯强度、冲击韧性和硬度指标之间存在相4

关性。抗弯强度同时依赖于裂纹产生和裂纹扩展两个过程,裂纹的产生与硬度有关,裂纹的扩展与韧性有关,可通过改变硬脆相和韧性相相对含量,来调节胎体性能。

形曲线看仍属于典型的脆性断裂行为。

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췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍刀具金刚石砂轮行业发展前景之蓝宝石切割市场

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