Cu-Sn-Ti钎料与陶瓷结合剂体积比对金刚石节块微观结构和力学性能的影响*

2020-07-03赵鹏程闫薪霖孟祥龙柳炳恒

金刚石与磨料磨具工程 2020年3期

赵鹏程，闫薪霖，肖冰，孟祥龙，柳炳恒

(南京航空航天大学机电学院，南京 210016)

陶瓷结合剂金刚石磨具具有加工效率高、不易堵塞、强度高和加工精度高等优点，被广泛应用于半导体、结构陶瓷和硬质合金的精加工、半精加工中[1-2]。其性能受结合剂化学成分和比例的影响较大。

陶瓷结合剂包括传统矿物结合剂、微晶玻璃结合剂和玻璃料结合剂[3]。传统矿物结合剂含杂质较多，烧后存在一些难熔物，因而此类结合剂的强度不高[4]；微晶玻璃结合剂的颗粒尺寸为1～2 μm，难以实现均匀晶化，还处于探索研究阶段；玻璃料结合剂制备难度低，对金刚石润湿性良好，现已广泛应用于磨具制作中。常用玻璃料结合剂主要有铝硅酸盐、硼硅酸盐和硼铝硅酸盐体系[5]。本试验所研究的陶瓷结合剂均为玻璃料结合剂。

陶瓷结合剂自锐性好、排屑好，但是脆性大，易导致其强度降低，对金刚石把持力不高，影响工具的使用寿命。为满足高效精密磨削要求，研发出性能优越的陶瓷结合剂已成为国内外众多学者关注的焦点。各种添加物成为改善结合剂性能最直接的方法。Na2O、Li2O和BaO等氧化物被加入硼铝硅酸盐系陶瓷结合剂中[5-8]，抑制结合剂中石英晶体的析出，可提高结合剂的抗弯强度。ZrO2、Y2O3能够促进陶瓷结合剂的晶核形成，可有效提高结合剂的热稳定性、结构致密性和机械性能[9-12]。Cu、Fe、Al与陶瓷结合剂结合可制得新型陶瓷-金属结合剂，但金属添加剂过多时会使结合剂样块发泡[13-14]。一些纳米尺度的添加物如纳米AlN、纳米TiO2、纳米ZrO2被引入到陶瓷结合剂中，可增强晶须，有效提高结合剂强度和耐磨性[15-17]。

随着钎焊金刚石磨具的发展，结合剂与磨料的结合由机械包埋转变为冶金结合。Ni-Cr钎料、Cu-Sn-Ti钎料对金刚石润湿良好[18]，可作为添加物引入到陶瓷结合剂中，实现对陶瓷结合剂的改性。本试验以SiO2-Al2O3-B2O3-Li2O为基础陶瓷结合剂，通过控制陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料的体积比，分析金刚石节块的微观结构和力学性能，以期获得一种新型的陶瓷-金属结合剂。

1 试验设计

1.1 试样制备

试验用基础陶瓷结合剂原料组成如表1所示，金刚石为黄河旋风HWD30金刚石(粒度40/45)。

根据表1定量称取原料，机械搅拌后放入熔炼炉中在1 400 ℃下熔炼，保温1 h后水淬，获得的玻璃料放入干燥箱烘干8 h，球磨过250目筛后得到基础结合剂。将基础结合剂在50 MPa压力下压成5 mm×7 mm×40 mm 的样条，通过计算得出基础结合剂的压实密度ρ基。用同样方法得出Cu-Sn-Ti钎料的压实密度ρ钎。利用分析天平称取试验体积下的基础结合剂的质量M基与钎料的质量M钎。基础结合剂和钎料的体积由式(1)、式(2)计算。

表1 基础结合剂组成

M基=ρ基V基

(1)

M钎=ρ钎V钎

(2)

其中：V基和V钎是试验分组中所要求的基础结合剂与钎料的体积。

表2为陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料不同体积比分组。根据表2制得陶瓷-金属混合粉体A、B、C、D、E。

表2 陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料体积比

将混合粉体和浓度50%的金刚石在混料机中混料8 h，混料转速为200 r/min，即得到试验用粉体。利用模具将A、B、C、D、E陶瓷-金属混合粉体压制成5 mm×7 mm×40 mm的样条，每组5个，成型密度分别为1.696、1.919、2.270、3.082、1.428 g/cm3。将样条置于真空钎焊炉中，分别在930 ℃和950 ℃下烧结，保温15 min，随炉冷却，得到陶瓷-金属结合剂金刚石节块。

1.2 性能检测与表征

坯体体积通过模压后测量得到。采用阿基米德排水法测定金刚石节块烧结后的体积，通过计算得出体积收缩率μ。

(1)

其中：V1为坯体体积；V2为烧结后节块体积。

用光学显微镜(XSP-8CA)观察陶瓷-金属结合剂金刚石节块宏观形貌，用扫描电镜(Hitachi S-3400N)观察节块的微观形貌，用X射线衍射仪(D8Advance)分析节块的物相组成，用SANS万能试验机测试节块抗弯强度。

2 试验结果与讨论

2.1 收缩率随体积比α的变化规律

图1为收缩率随陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料体积比的变化规律。由图1可知：随着温度升高，节块的收缩率增大。随着体积比α的减小，样品的收缩率μ降低，表明Cu-Sn-Ti钎料的加入能够降低节块收缩率，从而有利于减少烧成后的裂纹数量。另外，Cu-Sn-Ti钎料的熔点约为930 ℃，基础结合剂的耐火度为750 ℃，提高钎料含量即向基础陶瓷结合剂中引入了更多的难熔物，有利于节块整体耐火度的提高，使得陶瓷-金属结合剂金刚石节块在高温下烧结后能够更好地保持形状。

图1 收缩率随陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料体积比

2.2 温度和体积比对节块形貌的影响

图2为光学显微镜下不同温度及体积比下烧结后的陶瓷-金属结合剂金刚石节块形貌。对比图2a、图2b可知温度对节块形貌的影响。由图2a可看出：930 ℃时，Cu-Sn-Ti合金钎料没有达到熔融状态，以球团的形式存在于节块中，球团之间是熔融的陶瓷结合剂，二者无法形成连接桥。钎料以掺杂物的形式存在于结合剂中，破坏了结合剂的均匀性。同时，结合剂中的陶瓷相存在发泡现象。由图2b可看出：950 ℃时，Cu-Sn-Ti合金钎料达到了熔融状态，有助于结合剂润湿金刚石。

对比图2b、图2c、图2d可知体积比对节块形貌的影响。由图2d可知：α=5∶1时，节块中能够观察到有部分钎料未熔化，并出现明显的孔洞。由图2c可知：随着钎料体积分数增大，α=2.5∶1时，未熔的钎料比例逐渐降低，已有钎料铺展，可以连接成片，少量钎料仍以球团形式存在。这是因为当钎料含量较低时，节块以陶瓷结合剂作为骨架，钎料不足以相互连接形成网络，待自然冷却后，未能相连的钎料又缩合为金属球。由图2b可知：α=1∶1时，钎料在陶瓷结合剂中完全铺展，二者形成致密的交叉网络。

(a) 930 ℃,α=1∶1(b) 950 ℃,α=1∶1(c) 950 ℃,α=2.5∶1(d) 950 ℃,α=5∶1图2 陶瓷-金属结合剂金刚石节块形貌Fig. 2 Morphology of vitrified-metal bond diamond segments

图3为950 ℃，α=2.5∶1和α=1∶1时烧结的金刚石节块的SEM图像。由图3a可知：当钎料含量过低时，金刚石与钎料之间存在颗粒状的陶瓷相，导致两者无法接触，熔融的钎料在自然冷却后又缩为球团(与图2分析结果一致)。金刚石、陶瓷结合剂、Cu-Sn-Ti钎料三者之间有明显间隔，无法提高节块的整体强度。由图3b可知：随着钎料含量增加，钎料与陶瓷结合剂结合更加均匀，对金刚石的包裹作用增强，说明陶瓷-金属结合剂对金刚石表面的浸润能力得到提高。

(a) 950 ℃,α=2.5∶1(b) 950 ℃,α=1∶1图3 陶瓷-金属结合剂金刚石节块的微观形貌Fig. 3 Microscopic morphology of vitrified-metal bond diamond segments

2.3 陶瓷-金属结合剂金刚石节块的物相分析

真空钎焊过程中，金刚石的C元素与Cu-Sn-Ti钎料中的Ti生成TiC[19]。在陶瓷相的参与下，为了验证是否同样有TiC和新相生成，烧结时将金刚石密排，周围以陶瓷-金属结合剂包覆，然后对烧结后的表层进行X射线衍射分析，结果如图4所示。图4中存在TiC, Ti3AlC2, Ti3SiC2的衍射峰，表明金刚石-钎料、钎料-陶瓷结合剂之间生成了碳化物，因此在陶瓷结合剂的参与下，Cu-Sn-Ti钎料仍能够与金刚石发生冶金结合。

图4 陶瓷-金属结合剂金刚石节块的XRD图谱

2.4 抗弯强度随体积比α的变化规律

图5是陶瓷-金属结合剂金刚石节块的抗弯强度随体积比α的变化规律。

图5 陶瓷-金属结合剂金刚石节块的抗弯强度

由图5可知：烧结温度升高有利于抗弯强度的提升，在950 ℃条件下，α=1∶1(样品D)时，节块抗弯强度达到64.4 MPa，相较于α=2.5∶1(样品C)时的强度提高了37.6%。通过微观结构和物相分析可知：界面处生成了键合强度较高的TiC，降低了金刚石与结合剂间的界面张力[20]，提高了结合剂对金刚石表面的润湿性。相比陶瓷结合剂对金刚石的机械包埋作用，添加钎料的陶瓷-金属结合剂与金刚石之间的冶金结合能够牢固地把持金刚石，使得金刚石磨粒裸露度达到50%～60%，可提高磨削效率[21]。