制备工艺对金属结合剂胎体抗弯强度的影响

    肖长江等

    摘 要：本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化。实验结果表明：球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基和铜基结合剂，当球磨时间为30 h时、烧结温度分别为760 ℃和720 ℃时，样品的最大抗弯强度值分别为457 MPa和644 MPa。

    关键词：铁基结合剂；铜基结合剂；球磨时间；烧结温度；抗弯强度

    1 前言

    金属结合剂金刚石工具是目前应用最广泛的一种金刚石磨具，金属结合剂工具以青铜、铁、钴、镍合金为主要结合材料，磨料把持强度相对较高，耐温导热性能好[1，2]。近年来，由于家居装饰的快速发展，加工石材用金刚石圆锯片产量不断增加，为了提高金刚石圆锯片的寿命，降低成本，要求金属结合剂有很好的力学性能。在金属结合剂中，广泛使用的金属基体主要有铁基和铜基结合剂。为了使铁基和铜基结合剂胎体有优良的力学性能，人们采用了很多措施。例如，加入稀土元素和强碳化物等元素[3]。同样，在铁基和铜基结合剂金刚石工具的烧结中，制备工艺对结合剂的性能影响较大。

    本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化，找出铁基和铜基结合剂各自合适的烧结温度和球磨时间。

    2 实验内容

    本实验所采用的金属粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都为200目。具体的铁基结合剂和铜基结合剂的配方如表1所示。

    首先将各种金属粉准备好之后，按照配方将他们精确称量后加入 1.5 mL无水乙醇作为过程控制剂；然后将混合粉末放入混料罐中，加入钢球，抽真空5 min，球料质量比为3：1，行星式四头混料机转速为175 r/min。对于铁基结合剂，球磨时间分别为20 h、30 h、40 h；对于铜基结合剂，球磨时间分别为20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨过程中，为了消除不同批次样品之间的相互影响，保证每次实验结果的可比性，每次实验后都要将钢球和球磨罐洗净。

    然后将混合好的金属粉末装入石墨模具中，在RYZ2000Z真空烧结压机上进行烧结，烧结压力为25 MPa，保温时间为5 min。对于铁基结合剂，烧结温度分别为730 ℃、760 ℃、790 ℃；对于铜基结合剂，烧结温度分别为660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。试样尺寸为32 mm×4.5 mm×3 mm。其具体烧结工艺如图1所示。

    3 结果与讨论

    不同球磨时间和烧结温度下，铁基结合剂胎体的抗弯强度如图2所示。

    从图2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下烧结，球磨时间为20 h和40 h 时，两种配方的胎体有基本上相同的抗弯强度值，而球磨时间为30 h时，抗弯强度都远高于20 h和40 h的样品，其最高抗弯强度值为457 MPa。同时，从图中我们也可以看出：烧结温度对球磨时间为20 h和40 h样品的抗弯强度影响不大，而对球磨时间为30 h样品的抗弯强度影响较大，在烧结温度为760 ℃时，抗弯强度有最大值为457 MPa，在790 ℃时有最小值，为368 MPa。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度对铁基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    对于铜基结合剂来说，不同球磨时间和烧结温度下胎体的抗弯强度如图3所示。

    和铁基结合剂一样，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响，但与铁基结合剂不同的是，并不是有最高抗弯强度值的球磨时间在所有的烧结温度下都有较大的抗弯强度值。从图3中可以看出，所有的样品在烧结温度为720 ℃时有最大的抗弯强度。但在不同的球磨时间下，铜基结合剂胎体的抗弯强度值不同。当球磨时间为30 h、烧结温度为720 ℃时，铜基结合剂胎体有最大的抗弯强度值为644 MPa。而在其他的球磨时间和烧结温度下，胎体有不同的抗弯强度值。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    在球磨机上对金属粉末进行长时间的球磨时，随着球磨时间的延长，磨球通过碰撞、挤压传递给粉末的机械能不断增加。同时，粉末在球磨介质的多次大能量的冲击下，经过剪切、摩擦和压缩等多种力的作用，通过反复的挤压、冷焊合及粉碎，在粉末界面间相互扩散或进行固态反应形成弥散分布的超细粒子合金粉末。在这一过程中，通过大量的塑性变形、破碎、焊合将机械能转换为各种不平衡条件储存，如：颗粒度细化的表面能、晶粒度细化的界面能、位错等缺陷大量增殖产生的位能、点阵常数变大原子偏离平衡点产生的位能，从而促进烧结，以及提高抗弯强度。一般情况下，混料时间越长，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差别，混料过程由粉末混合和偏聚组成，当粉末混合和偏聚达到“平衡”后，继续延长混料时间，混合粉末的均匀度并不会继续提高[4]。

    4 结论

    综上所述，球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基结合剂，当球磨时间为30 h、烧结温度为760 ℃时，铁基胎体具有较高的抗弯强度值为457 MPa；对于铜基结合剂，当球磨时间为30 h，烧结温度为720 ℃时，铜基胎体具有较高的抗弯强度值为644 MPa。

    参考文献

    [1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

    [2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

    [3] 戴秋莲，徐西鹏，王永初.金属结合剂对金刚石把持力的增强措施及增强机制评述[J].材料科学与工程，2002，20（3）： 465.

    [4] 李晓普.机械合金化对Fe-Cu复合粉末固相烧结及性能的影响[D].燕山大学，2006.

    摘 要：本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化。实验结果表明：球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基和铜基结合剂，当球磨时间为30 h时、烧结温度分别为760 ℃和720 ℃时，样品的最大抗弯强度值分别为457 MPa和644 MPa。

    关键词：铁基结合剂；铜基结合剂；球磨时间；烧结温度；抗弯强度

    1 前言

    金属结合剂金刚石工具是目前应用最广泛的一种金刚石磨具，金属结合剂工具以青铜、铁、钴、镍合金为主要结合材料，磨料把持强度相对较高，耐温导热性能好[1，2]。近年来，由于家居装饰的快速发展，加工石材用金刚石圆锯片产量不断增加，为了提高金刚石圆锯片的寿命，降低成本，要求金属结合剂有很好的力学性能。在金属结合剂中，广泛使用的金属基体主要有铁基和铜基结合剂。为了使铁基和铜基结合剂胎体有优良的力学性能，人们采用了很多措施。例如，加入稀土元素和强碳化物等元素[3]。同样，在铁基和铜基结合剂金刚石工具的烧结中，制备工艺对结合剂的性能影响较大。

    本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化，找出铁基和铜基结合剂各自合适的烧结温度和球磨时间。

    2 实验内容

    本实验所采用的金属粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都为200目。具体的铁基结合剂和铜基结合剂的配方如表1所示。

    首先将各种金属粉准备好之后，按照配方将他们精确称量后加入 1.5 mL无水乙醇作为过程控制剂；然后将混合粉末放入混料罐中，加入钢球，抽真空5 min，球料质量比为3：1，行星式四头混料机转速为175 r/min。对于铁基结合剂，球磨时间分别为20 h、30 h、40 h；对于铜基结合剂，球磨时间分别为20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨过程中，为了消除不同批次样品之间的相互影响，保证每次实验结果的可比性，每次实验后都要将钢球和球磨罐洗净。

    然后将混合好的金属粉末装入石墨模具中，在RYZ2000Z真空烧结压机上进行烧结，烧结压力为25 MPa，保温时间为5 min。对于铁基结合剂，烧结温度分别为730 ℃、760 ℃、790 ℃；对于铜基结合剂，烧结温度分别为660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。试样尺寸为32 mm×4.5 mm×3 mm。其具体烧结工艺如图1所示。

    3 结果与讨论

    不同球磨时间和烧结温度下，铁基结合剂胎体的抗弯强度如图2所示。

    从图2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下烧结，球磨时间为20 h和40 h 时，两种配方的胎体有基本上相同的抗弯强度值，而球磨时间为30 h时，抗弯强度都远高于20 h和40 h的样品，其最高抗弯强度值为457 MPa。同时，从图中我们也可以看出：烧结温度对球磨时间为20 h和40 h样品的抗弯强度影响不大，而对球磨时间为30 h样品的抗弯强度影响较大，在烧结温度为760 ℃时，抗弯强度有最大值为457 MPa，在790 ℃时有最小值，为368 MPa。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度对铁基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    对于铜基结合剂来说，不同球磨时间和烧结温度下胎体的抗弯强度如图3所示。

    和铁基结合剂一样，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响，但与铁基结合剂不同的是，并不是有最高抗弯强度值的球磨时间在所有的烧结温度下都有较大的抗弯强度值。从图3中可以看出，所有的样品在烧结温度为720 ℃时有最大的抗弯强度。但在不同的球磨时间下，铜基结合剂胎体的抗弯强度值不同。当球磨时间为30 h、烧结温度为720 ℃时，铜基结合剂胎体有最大的抗弯强度值为644 MPa。而在其他的球磨时间和烧结温度下，胎体有不同的抗弯强度值。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    在球磨机上对金属粉末进行长时间的球磨时，随着球磨时间的延长，磨球通过碰撞、挤压传递给粉末的机械能不断增加。同时，粉末在球磨介质的多次大能量的冲击下，经过剪切、摩擦和压缩等多种力的作用，通过反复的挤压、冷焊合及粉碎，在粉末界面间相互扩散或进行固态反应形成弥散分布的超细粒子合金粉末。在这一过程中，通过大量的塑性变形、破碎、焊合将机械能转换为各种不平衡条件储存，如：颗粒度细化的表面能、晶粒度细化的界面能、位错等缺陷大量增殖产生的位能、点阵常数变大原子偏离平衡点产生的位能，从而促进烧结，以及提高抗弯强度。一般情况下，混料时间越长，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差别，混料过程由粉末混合和偏聚组成，当粉末混合和偏聚达到“平衡”后，继续延长混料时间，混合粉末的均匀度并不会继续提高[4]。

    4 结论

    综上所述，球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基结合剂，当球磨时间为30 h、烧结温度为760 ℃时，铁基胎体具有较高的抗弯强度值为457 MPa；对于铜基结合剂，当球磨时间为30 h，烧结温度为720 ℃时，铜基胎体具有较高的抗弯强度值为644 MPa。

    参考文献

    [1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

    [2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

    [3] 戴秋莲，徐西鹏，王永初.金属结合剂对金刚石把持力的增强措施及增强机制评述[J].材料科学与工程，2002，20（3）： 465.

    [4] 李晓普.机械合金化对Fe-Cu复合粉末固相烧结及性能的影响[D].燕山大学，2006.

    摘 要：本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化。实验结果表明：球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基和铜基结合剂，当球磨时间为30 h时、烧结温度分别为760 ℃和720 ℃时，样品的最大抗弯强度值分别为457 MPa和644 MPa。

    关键词：铁基结合剂；铜基结合剂；球磨时间；烧结温度；抗弯强度

    1 前言

    金属结合剂金刚石工具是目前应用最广泛的一种金刚石磨具，金属结合剂工具以青铜、铁、钴、镍合金为主要结合材料，磨料把持强度相对较高，耐温导热性能好[1，2]。近年来，由于家居装饰的快速发展，加工石材用金刚石圆锯片产量不断增加，为了提高金刚石圆锯片的寿命，降低成本，要求金属结合剂有很好的力学性能。在金属结合剂中，广泛使用的金属基体主要有铁基和铜基结合剂。为了使铁基和铜基结合剂胎体有优良的力学性能，人们采用了很多措施。例如，加入稀土元素和强碳化物等元素[3]。同样，在铁基和铜基结合剂金刚石工具的烧结中，制备工艺对结合剂的性能影响较大。

    本文以铁基和铜基结合剂为原材料，研究其在不同的球磨时间和烧结温度下抗弯强度的变化，找出铁基和铜基结合剂各自合适的烧结温度和球磨时间。

    2 实验内容

    本实验所采用的金属粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都为200目。具体的铁基结合剂和铜基结合剂的配方如表1所示。

    首先将各种金属粉准备好之后，按照配方将他们精确称量后加入 1.5 mL无水乙醇作为过程控制剂；然后将混合粉末放入混料罐中，加入钢球，抽真空5 min，球料质量比为3：1，行星式四头混料机转速为175 r/min。对于铁基结合剂，球磨时间分别为20 h、30 h、40 h；对于铜基结合剂，球磨时间分别为20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨过程中，为了消除不同批次样品之间的相互影响，保证每次实验结果的可比性，每次实验后都要将钢球和球磨罐洗净。

    然后将混合好的金属粉末装入石墨模具中，在RYZ2000Z真空烧结压机上进行烧结，烧结压力为25 MPa，保温时间为5 min。对于铁基结合剂，烧结温度分别为730 ℃、760 ℃、790 ℃；对于铜基结合剂，烧结温度分别为660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。试样尺寸为32 mm×4.5 mm×3 mm。其具体烧结工艺如图1所示。

    3 结果与讨论

    不同球磨时间和烧结温度下，铁基结合剂胎体的抗弯强度如图2所示。

    从图2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下烧结，球磨时间为20 h和40 h 时，两种配方的胎体有基本上相同的抗弯强度值，而球磨时间为30 h时，抗弯强度都远高于20 h和40 h的样品，其最高抗弯强度值为457 MPa。同时，从图中我们也可以看出：烧结温度对球磨时间为20 h和40 h样品的抗弯强度影响不大，而对球磨时间为30 h样品的抗弯强度影响较大，在烧结温度为760 ℃时，抗弯强度有最大值为457 MPa，在790 ℃时有最小值，为368 MPa。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度对铁基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    对于铜基结合剂来说，不同球磨时间和烧结温度下胎体的抗弯强度如图3所示。

    和铁基结合剂一样，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响，但与铁基结合剂不同的是，并不是有最高抗弯强度值的球磨时间在所有的烧结温度下都有较大的抗弯强度值。从图3中可以看出，所有的样品在烧结温度为720 ℃时有最大的抗弯强度。但在不同的球磨时间下，铜基结合剂胎体的抗弯强度值不同。当球磨时间为30 h、烧结温度为720 ℃时，铜基结合剂胎体有最大的抗弯强度值为644 MPa。而在其他的球磨时间和烧结温度下，胎体有不同的抗弯强度值。从上面的分析可以看出，球磨时间和烧结温度同样对铜基结合剂的抗弯强度有很大的影响。

    在球磨机上对金属粉末进行长时间的球磨时，随着球磨时间的延长，磨球通过碰撞、挤压传递给粉末的机械能不断增加。同时，粉末在球磨介质的多次大能量的冲击下，经过剪切、摩擦和压缩等多种力的作用，通过反复的挤压、冷焊合及粉碎，在粉末界面间相互扩散或进行固态反应形成弥散分布的超细粒子合金粉末。在这一过程中，通过大量的塑性变形、破碎、焊合将机械能转换为各种不平衡条件储存，如：颗粒度细化的表面能、晶粒度细化的界面能、位错等缺陷大量增殖产生的位能、点阵常数变大原子偏离平衡点产生的位能，从而促进烧结，以及提高抗弯强度。一般情况下，混料时间越长，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差别，混料过程由粉末混合和偏聚组成，当粉末混合和偏聚达到“平衡”后，继续延长混料时间，混合粉末的均匀度并不会继续提高[4]。

    4 结论

    综上所述，球磨时间和烧结温度对铁基和铜基结合剂胎体的抗弯强度有很大的影响。对于铁基结合剂，当球磨时间为30 h、烧结温度为760 ℃时，铁基胎体具有较高的抗弯强度值为457 MPa；对于铜基结合剂，当球磨时间为30 h，烧结温度为720 ℃时，铜基胎体具有较高的抗弯强度值为644 MPa。

    参考文献

    [1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

    [2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

    [3] 戴秋莲，徐西鹏，王永初.金属结合剂对金刚石把持力的增强措施及增强机制评述[J].材料科学与工程，2002，20（3）： 465.

    [4] 李晓普.机械合金化对Fe-Cu复合粉末固相烧结及性能的影响[D].燕山大学，2006.