稀土对铁基结合剂金刚石节块性能的影响①

邓相荣,肖长江,栗正新

(河南工业大学材料科学与工程学院,河南郑州 450007)

O 引言

金刚石节块由金刚石磨粒和结合剂组成,结合剂的作用是用来固结金刚石磨粒的。常用的结合剂有金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂等几类。目前金属结合剂金刚石工具已成为应用最广泛的一种金刚石工具。金属结合剂按其基本成分的金属和合金种类,大致可分为以下几大类:铜基合金结合剂、钴镍合金结合剂、铁基结合剂、硬质合金为基的结合剂等。铁基金刚石工具价格低廉,虽然硬度较低但是耐磨性好,应用范围较广[1-3]。

由于铁基金属结合剂金刚石工具使用范围的日渐广泛,对其制品的强度、硬度等性能也提出了更高的要求,但是由于单一的铁基结合剂较易氧化、粉体表面的质量较差及容易对金刚石产生严重的腐蚀,使得对金刚石颗粒的把持力差。因而,为了生产和使用的要求,需要改善铁基金属结合剂的性能。

稀土元素的化学活泼性很强,其还原能力比金属铝还强,是一种理想的脱氧剂,可以大量吸附杂质元素,活化粉末颗粒表面。因此,稀士元素及其化合物在钢铁、有色金属、硬质合金及陶瓷材料中得到了广泛的应用[4-7]。本文主要研究在铁基金属结合剂中适当加入一定量的稀土元素,通过改善结合剂的性能,进而提高金刚石砂轮的性能。

1 实验过程

实验用原材料为Fe基粉末(含Fe、Cu、N i、Sn、Zn、WC、CeO2、Y 2O3等粉末),粒度为200目;金刚石为SCD 30系列40/50,浓度为40%。稀土CeO2、CeO 2与Y2O3的加入量分别为0、0.2%、0.5%、0.8%和1.1%。具体的配方如表1所示。

表1 铁基结合剂配方(质量分数%)Table 1 The prescription of iron-based bond matrix

金属结合剂金刚石磨具制备主要采用热压烧结。通过烧结,结合剂与金刚石形成机械钳合、化学键合或二者混合的联结方式。本实验的烧结设备为RYZ2000Z真空烧结压机,烧结压力为20M Pa,烧结温度为790℃,保温时间为5m in,试样的规格为40mm×10mm×10mm,分别用于抗弯强度、硬度的测试。抗弯强度采用三点弯曲法在Instron5585型材料试验机上进行测试,硬度测试在HR-150A型洛氏硬度计上进行,采用HRB度量。实验结果为三个试样的平均值。

2 实验结果与分析

2.1 稀土的添加对节块硬度的影响

CeO2和混合稀土CeO2与Y 2O3不同添加量下节块的硬度值如图1和图2所示。对图1和图2分析可知:稀土氧化物的加入,能改变铁基金属结合剂节块的硬度;当稀土百分含量在0.2%左右时,两种添加稀土方式均能增加节块的硬度;但随着稀土量的继续加入,硬度值逐渐开始下降。由此可见,当加入适量的稀土氧化物时,能活化烧结,使烧结过程加快;降低孔隙率;细化晶粒;减少金刚石的石墨化和铁粉的氧化;促使胎体金属和金刚石之间产生化学结合,提高胎体对金刚石的把持力,增加金属基体的硬度。当稀土含量高于0.2%时,Fe基胎体的硬度逐渐降低,这是因为胎体的硬度主要决定于胎体的孔隙率和其显微组织,孔隙率增加,胎体的硬度将减小。因此,当铁基胎体中稀土含量较低时,铈或者钇的化合物对硬度的影响大于孔隙率的不利影响;而当稀土含量较高时,结果则相反[8,9]。对比图1和图2可知:在同样的稀土百分含量下,当加入CeO2和Y 2O3的混合稀土时,其节块的硬度值高于添加CeO2时的硬度值(稀土百分含量在0.2%时除外)。由此可见,铈和钇在热压烧结温度下可与铁发生键合,形成一种更为坚硬的组织,该相的存在,能提高基体的硬度。综上所述,当结合剂基体中CeO2含量为0.2%时,节块有最高的硬度,但在其他含量下,硬度值都小于没有添加稀土的基体;在所添加的含量范围内,CeO2与Y 2O3混合稀土的加入均能不同程度的提高基体的硬度。

图1 CeO 2不同添加量下节块的硬度值Fig.1 The hardness strength of the diam ond segm en ts with differen t am oun tCeO 2

图2 混合稀土不同添加量下节块硬度Fig.2 The hardness strength of the diamond segments with different amountm is ch-metal

2.2 稀土的添加对胎体抗弯强度的影响

CeO2和混合稀土CeO2与Y2O3不同添加量下节块的抗弯强度如图3和图4所示。从图3和图4中可知:当稀土百分含量在0.2%时,金刚石节块的抗弯强度达到最大值,当稀土含量增加到一定值后,继续增加稀土含量,抗弯强度将基本保持不变或略有下降。从而可以判断:稀土添加剂的百分含量在0.2%时,为最佳的添加量。当CeO2的添加量低于0.2%时,随稀土的加入,抗弯强度值增大;而添加量超过0.2%时,随着稀土的加入,其抗弯强度值减小较为显著。说明CeO2的加入,与基体形成了一种新相,少量时,该相能增强基体的力学性能,而随着含量的增加,该相却又会降低其力学性能,使其抗弯强度降低。当加入的为混合稀土时,同样在CeO2和Y 2O3的百分含量均为0.2%时,其抗弯强度值最大;且CeO2、Y 2O3和铁基间可能形成一种新相,该相含量较低时,能增加基体的抗弯强度,而当该相含量超过一定的数值后,继续增加稀土混合物的量,将缓慢降低节块的力学性能;在试验所给稀土百分含量的范围中,加入混合稀土,所得节块的抗弯强度比不加稀土时要高。

图3 CeO 2不同含量下节块的抗弯强度Fig.3 The bending strength of the diamond segments with different amount CeO 2

图4 不同混合稀土含量下节块的抗弯强度Fig.4 The bending strength of the diamond segmen ts with different amountm isch-metal

2.3 节块的应力-应变曲线

典型的金属的应力-应变曲线是金属能够发生较大的塑性形变,有屈服现象。典型的陶瓷材料的应力-应变曲线是陶瓷只有很小的弹性形变,看不到屈服点。对于铁基结合剂金刚石工具节块的应力-应变曲线,图5所示的是在烧结温度为790℃,烧结压力为20M Pa的条件下CeO2和Y 2O3混合稀土含量为0.4%时节块的应力-应变曲线图。三个节块的曲线基本相同。在起始阶段如图所示的A区域,应力与应变的关系不是线性关系,因为开始是金属结合剂发生变形,表现出金属的性质。当应力进一步增加,如图所示的B区域,应力与应变表现出线性关系且为脆性断裂,没有屈服现象,为陶瓷的应力-应变曲线。其它条件下烧结得到的样品的应力-应变曲线都与之类似。

图5 节块的应力-应变图Fig.5 The stress-strain d iag ram of d iam ond segm en ts

3 结论

(1)稀土的加入,能在一定范围内改变金刚石节块的性能,不论是稀土CeO2还是CeO2和Y2O3组成的混合稀土,占基体质量的0.2%时为其最佳的百分含量。当稀土含量处于最佳百分含量时,节块的硬度、抗弯强度及基体与金刚石的结合能力都处在最佳状态。当含量继续增加时,稀土的加入反而会降低节块的硬度、抗弯强度。

(2)稀土加入的铁基结合剂金刚石节块的应力-应变曲线为陶瓷的特性。

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