TiH2对Cu60Zn40合金结合剂结构和性能的影响*

韩 平， 刘恒源， 徐三魁， 黄 威， 徐天兵

(1. 河南工业大学 材料科学与工程学院, 郑州 450001) (2. 连云港市沃鑫高新材料有限公司, 江苏 连云港 222300)

硬质合金由难熔金属的碳化物和黏结金属组成，在高温下能保持高硬度和耐磨性，被广泛应用在数控刀具材料中。一般使用树脂结合剂或金属结合剂金刚石磨具加工硬质合金。相对于树脂结合剂磨具，金属结合剂磨具磨削的工件能实现同等水平的尺寸一致性，可获得更低的表面粗糙度和更高的磨削比[1]。

金属结合剂具有结合强度高、成形性好以及导热性好等优点[2]。应用最普遍的金属结合剂是铜基结合剂，包括青铜结合剂和黄铜结合剂[2]。为使铜基结合剂具有较好的结合性能，通常加入一定量的钛。钛可以增加铜基结合剂对金刚石的把持力，强化铜基结合剂的力学性能[3]。不过，由于金属结合剂自锐性较差，用其制造的磨具在使用过程中锋利性差，需要多次修整。研究者往往通过提高结合剂脆性，加入非金属粉末和造孔剂进行改善。廖翠姣[4]在金属结合剂中添加TiH2，结合剂的断口形貌从以韧性断裂为主变成完全脆性断裂，提高了磨具的自锐性。随着磨具脆性和孔隙率的增加，结合剂的力学性能和对超硬材料的把持力下降[5]。如何提高金属结合剂的自锐性而不降低其力学性能，同时保证结合剂对磨料的把持力，将成为金属结合剂的研究重点。

Cu60Zn40合金具有较高的强度和脆性，是较好的金属结合剂[6]。TiH2加热分解成钛和氢气，氢气在烧结过程还原氧化物促进烧结，活性的钛既能强化金属[7]，还可以与超硬材料化学结合提高结合剂的把持能力，而且TiH2分解后形成孔隙，可以提高磨具的锋利性。因此，以Cu60Zn40合金粉末为原料，以TiH2为添加物，研究TiH2的体积分数与烧结温度对Cu60Zn40结合剂力学性能与微观结构的影响规律。通过对比试验，研究TiH2加入Cu60Zn40结合剂后对金刚石磨具磨削硬质合金性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

主要原料：氢化钛(工业级，上海三联粉末冶金有限公司)，Cu60Zn40合金粉(工业级，漯河市华通冶金粉末有限责任公司)，金刚石(工业级，黄河旋风股份有限公司)。

1.2 主要仪器及设备

真空烧结热压机：RY-200Z型，郑州磨料磨具磨削研究所有限公司生产；洛氏硬度计：HR-150A型，莱州市蔚仪试验器械制造有限公司生产；电子式万能试验机：WDW-50型，济南永科试验仪器有限公司生产；冲击强度试验机：TY-4021A型，江苏天源试验设备有限公司生产；扫描电子显微镜：Inspect F50型，美国FEI公司生产；金相显微镜：AXIOSKOP40型，德国蔡司公司生产；高精度多功能密度测试仪(阿基米德原理测定表面气孔率)：ET-01BE型，北京仪特诺电子科技有限公司生产；立式万能摩擦磨损试验机：MMW-1型，济南普业机电技术有限公司生产。

1.3 金属结合剂样品的制备

将TiH2和Cu60Zn40合金粉置于三维混料机中混合均匀，投料，置于石墨模具中热压烧结(TiH2的体积分数为0、5%、10%、15%、20%，余量为合金粉)。在不同烧结温度(520、560、600、640、680 ℃)下制备出10 mm×10 mm×50 mm的结合剂样条。

1.4 性能测试

用HR-150A型洛氏硬度计测试样品的硬度；用电子万能试验机测定其抗弯强度；用摆锤冲击试验机测定其冲击强度；用立式万能摩擦磨损试验机测量其摩擦系数；用金相显微镜和扫描电子显微镜观察试样的物相分析；用高精度多功能密度测试仪(北京仪特诺电子科技有限公司)测量样品的气孔率。

1.5 硬质合金磨削测试

制备不同体积分数TiH2的Cu60Zn40结合剂金刚石磨具，金刚石颗粒基本磨粒尺寸为150 μm，体积分数为20%，烧结温度为680 ℃。在MMW-1型摩擦磨损试验机上进行试验，磨削材质为硬质合金Y316。试验过程加载的试验力为400 N，转速为300 r/min，加载速度为2 N/s，磨耗时间为800 s。

2 结果与讨论

2.1 烧结温度和TiH2体积分数对抗弯曲强度的影响

图1所示为不同烧结温度和TiH2体积分数下，结合剂抗弯曲强度的变化规律。由图1可知：在520～680 ℃，样品抗弯强度随着烧结温度的升高而增大；随着TiH2体积分数增大，样品抗弯曲强度先增大后缓慢减小，在TiH2体积分数为10%时，抗弯曲强度达到最大值。当烧结温度为680 ℃，不添加TiH2时，结合剂抗弯强度为225 MPa；TiH2的体积分数10%时，抗弯曲强度最大值为445 MPa，提高97.8%；当TiH2的体积分数20%时，抗弯曲强度为415 MPa，比最大值低6.7%。

图1 烧结温度和TiH2体积分数对抗弯曲强度的影响Fig. 1 Effects of sintering temperature and TiH2 volume fraction on flexual strength

2.2 烧结温度和TiH2体积分数对抗冲击强度的影响

图2所示为不同烧结温度和TiH2体积分数下，结合剂抗冲击强度的变化规律。由图2可知：在520～680 ℃，结合剂的抗冲击强度随着温度的升高而增大；随着TiH2体积分数增大，结合剂的抗冲击强度先增大后减小；当TiH2的体积分数为10%时，结合剂的抗冲击强度达到最大值。当烧结温度为680 ℃时，不添加TiH2结合剂的抗冲击强度为28.3 kJ/m2，TiH2体积分数为10%时，结合剂的抗冲击强度达到最大值，为54.3 kJ/m2，增加了91.9%。

图2 烧结温度和TiH2体积分数对抗冲击强度的影响

2.3 烧结温度和TiH2体积分数对硬度的影响

图3所示为不同烧结温度和TiH2体积分数下，结合剂硬度的变化规律。由图3可知：随着TiH2体积分数增大，结合剂的硬度先增大后减小；在TiH2体积分数为5%时，硬度达到最大值。以烧结温度为560 ℃制备的结合剂为例，未加入TiH2时，结合剂的硬度为46 HRB；当TiH2体积分数为5%时，结合剂的硬度增大为88 HRB；当TiH2体积分数为15%时，结合剂的硬度减小；当TiH2体积分数为20%时，结合剂的硬度为76 HRB。

图3 烧结温度和TiH2体积分数对硬度的影响

2.4 烧结温度和TiH2体积分数对表面气孔率的影响

图4所示为不同烧结温度和TiH2体积分数下，结合剂表面气孔率的变化规律。由图4可知：在520～680 ℃，结合剂的表面气孔率受温度的影响较小；结合剂的表面气孔率随着TiH2体积分数的增大而增大；当烧结温度为680 ℃，TiH2体积分数为20%时，结合剂的表面气孔率达到最大值，为6.2%。

图4 温度和TiH2体积分数对表面气孔率的影响

2.5 TiH2体积分数对微观结构的影响

图5是添加不同体积分数TiH2的结合剂在烧结温度为680 ℃时的金相照片。黄色为Cu60Zn40相，灰白色为Ti[6]。在TiH2体积分数较低时，黄色物相较多，随着TiH2体积分数增大，灰白色物相增多。在Ti周围的黑点和黑色线条状图形为TiH2分解后产生的气孔。随着TiH2体积分数不断增大，灰白色Ti在Cu60Zn40相中分布面积变大，同时产生的黑色点状和条形状气孔增多，这些气孔不是均匀分布在结合剂之中。添加TiH2具有活化烧结作用，Cu60Zn40结合剂的力学性能会因此提高；但是TiH2体积分数增大，结合剂的气孔体积分数也随之增大，会导致结合剂的力学性能下降。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%(e)20%图5 不同体积分数的TiH2下的Cu60Zn40金相照片 Fig. 5 Metallography of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

图6是不同体积分数的TiH2下的金属结合剂断口形貌。从图6可以看出：断口表面有大块的层状区域和分散的粒状区域，断口形貌说明结合剂均为脆性断裂。

(a)5%(b)20%图6 不同体积分数的TiH2下的Cu60Zn40断口形貌 Fig. 6 Fracture morphologies of Cu60Zn40 with different TiH2 volume fractions

随着TiH2体积分数的增大，断面处颗粒区域不断增多，断裂面的微孔数目也相应增加，这些微孔的形状多以无规则形状被结合剂包裹存在于晶界处。其原因是：在真空热压烧结过程中，TiH2分解产生氢气，增大金属结合剂的气孔率，同时TiH2的加入能起到活化烧结作用，但过量TiH2的分解，气孔率增多，导致合金力学性能下降。

2.6 TiH2体积分数对结合剂磨具微观结构的影响

图7是添加不同体积分数的TiH2所制成的金刚石磨具断面，烧结温度为680 ℃。从图7可以看出：当TiH2体积分数为5%时，金属结合剂对金刚石包裹性好，结合剂与金刚石镶嵌紧密，金刚石周围没有观察到明显缝隙。

(a)0(b)5%(c)10%(d)15%图7 不同体积分数的TiH2下的Cu60Zn40磨具断口扫描电镜图 Fig. 7 SEM fracture morphologies of Cu60Zn40 abrasives with different TiH2 volume fractions

图8a为图7b中直线处EDS能谱，图8b为图7d中直线处EDS能谱。从图8可以看出：在结合剂与金刚石界面处Cu、Zn等2种元素扩散较少。观察图8a中60 μm和220 μm附近和图8b中50 μm和200 μm附近，可以看出：Ti元素主要富集在结合剂与金刚石界面位置。

(a)图7b线扫描EDS能谱EDS spectrum of line scanning in Fig. 7b(b)图7d线扫描EDS能谱EDS spectrum of line scanning in Fig. 7d图8 线扫描EDS能谱 Fig. 8 EDS spectrum of line scanning

2.7 TiH2体积分数对磨削性能的影响

表1是Cu60Zn40结合剂金刚石磨具磨削试验数据。不添加TiH2时，磨耗比为28.50；添加TiH2后，磨具的磨削比均有提高。当TiH2的体积分数为10%时，磨耗比达到最大值61.67。这说明TiH2增强了结合剂的自锐性和把持力，提高了Cu60Zn40结合剂金刚石磨具的磨削性能。

表 1 磨削试验数据

图9为添加不同体积分数的TiH2时磨具磨削硬质合金后工件表面形貌。由图9a可以看出：不添加TiH2时，工件表面有明显的烧伤划痕，并且局部烧伤严重，工件表面被烧伤为黑紫色。由图9b可以看出：TiH2的体积分数为10%时，磨具磨削硬质合金表面烧伤情况减少。未添加TiH2时，金属结合剂磨具表面气孔率低，容屑和冷却效果差，导致磨削温度高，烧伤工件。添加TiH2后，金属结合剂磨具表面气孔率高，容屑和冷却效果较好，工件没有烧伤现象。

(a)0(b)10%图9 不同体积分数的TiH2金刚石磨具磨削工件表面形貌 Fig. 9 Surface topographies of workpiece after grinding diamond wheel with different TiH2 volume fractions

3 结论

(1)TiH2对Cu60Zn40结合剂有增韧强化作用。当烧结温度为680 ℃，TiH2体积分数从0增大到10%时，抗弯曲强度从225 MPa提高到445 MPa，抗冲击强度从28.3 kJ/m2提高到54.3 kJ/m2。当烧结温度为560 ℃，体积分数从0增大到5%时，硬度由46 HRB提高到88 HRB。表面气孔率随着TiH2体积分数的增大而增大，TiH2体积分数为20%时，表面气孔率为6.2%。

(2)TiH2起到活化烧结作用，提高了Cu60Zn40的力学性能。

(3)TiH2提高了Cu60Zn40结合剂金刚石磨具磨削性能，TiH2体积分数从0增大到10%时，磨耗比由28.50提高到61.67，同时减少了工件表面烧伤。