不同Zn—Sn含量的铁基结合剂的耐磨性研究

    肖长江+朱玲艳+张恒涛+栗正新

    摘 要：本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%；采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    关键词： 铁基结合剂；Zn-Sn；热压烧结；耐磨性

    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，金属结合剂工具采用青铜、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，耐用[1，2]。在金属结合剂中，铁基结合剂因具有生产工艺简单、价格低廉；与金刚石具有较好的润湿性和较大的附着功；有较好的可成形性和可烧结性；有较适宜的力学性能等优点而被广泛应用。但由于Fe粉很容易氧化，降低了粉末表面活性，从而影响烧结过程的进行，使实际烧结过程难以达到理想的烧结程度。此外，Fe粉在高温下会对金刚石产生较严重的化学侵蚀作用，严重影响结合剂对金刚石的有效把持，导致Fe基金刚石圆锯片在锯切过程中金刚石容易脱落，锯片寿命短，从而阻碍了Fe基金刚石圆锯片的广泛使用，所以在铁基结合剂中还常常掺入加Sn、Zn、Co 和WC等成分来改善铁基结合剂的性能。

    本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%，采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。

    2 实验内容

    本文采用的原材料为300目的Fe粉，还原Ni粉以及WC粉，200目的Cu粉、Sn粉和Zn粉，其具体的配方如表1 所示。在配方中，Fe 、Ni、Cu粉和WC粉含量保持不变，改变Zn和Sn的含量，但它们总的含量保持为10%，共5个配方。按照配方称好各种金属粉末，在球磨机中混合均匀，然后装入石墨模具中，试样的尺寸为Φ7 mm ×10 mm。采用热压烧结的方法来烧结样品，具体烧结工艺参数为烧结温度为760℃，压力为20MPa，保温时间10min。[3]

    采用阿基米德法来测试样品的密度；硬度测试在HR- 50A 型洛氏硬度计上进行；耐磨性的测试采用NMW-1立式万能摩擦磨损试验机，磨损对象为白刚玉砂轮。实验前后试样质量变化即为磨损量。

    3 结果与讨论

    对于相同成分的材料来说，一般情况下，样品的密度越高，样品的耐磨性越好，所以先测量样品的密度。不同配方的铁基结合剂采用热压烧结后得到的密度如图1所示。

    由图1 中可以看出，在铁基结合剂中加入不同的Zn和Sn含量，随着铁基结合剂中Sn含量的增大，样品的密度在一定范围内先增大，然后有降低的趋势；当含Sn量为2.5%左右，含Zn量为7.5%时，铁基结合剂样品的密度最高，具体密度值的变化从7.78 g/cm3升高到最大值8.07 g/cm3然后再降低到7.76 g/cm3。

    不同的Zn和Sn含量的铁基结合剂样品的硬度变化如图2所示。

    由图2可知，随着Sn含量的增加和Zn含量减少，样品的硬度没有明显的变化规律，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时达到最大，具体的数据为100、97、105、103和100。

    金刚石工具在切削过程中，除了受力复杂，切削速度高之外 ，同时还有大量岩粉，碎屑冲刷和研磨样品，因此要求胎体具有足够的硬度以增加其抗磨损能力。从物理特性来讲，虽然硬度和耐磨性是两个概念，但对于粉末冶金材料来讲，硬度和耐磨性成正比关系，也就是说硬度越高，其耐磨性相对就越好。不同配方样品在相同的条件下磨损量如表2所示。

    由表2可以看出，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，磨损量最少。从密度和硬度的数据中可以知道，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，样品的密度和硬度最高，所以磨损量最少其耐磨性相对较好。

    4 结论

    本文研究了在铁基结合剂中加入不同含量的Zn和Sn对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性的影响。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    参考文献

    [1] 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.

    [2] 王双喜，刘雪敬，耿彪，耿林.金属结合剂金刚石磨具的研究进

    展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006，154 （4） ： 71.

    [3] 肖长江， 赵延军，尚秋元.烧结工艺对铁基结合剂金刚石样品力

    学性能的影响[J].硅酸盐通报，2011，30（5） ： 1068.

    摘 要：本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%；采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    关键词： 铁基结合剂；Zn-Sn；热压烧结；耐磨性

    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，金属结合剂工具采用青铜、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，耐用[1，2]。在金属结合剂中，铁基结合剂因具有生产工艺简单、价格低廉；与金刚石具有较好的润湿性和较大的附着功；有较好的可成形性和可烧结性；有较适宜的力学性能等优点而被广泛应用。但由于Fe粉很容易氧化，降低了粉末表面活性，从而影响烧结过程的进行，使实际烧结过程难以达到理想的烧结程度。此外，Fe粉在高温下会对金刚石产生较严重的化学侵蚀作用，严重影响结合剂对金刚石的有效把持，导致Fe基金刚石圆锯片在锯切过程中金刚石容易脱落，锯片寿命短，从而阻碍了Fe基金刚石圆锯片的广泛使用，所以在铁基结合剂中还常常掺入加Sn、Zn、Co 和WC等成分来改善铁基结合剂的性能。

    本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%，采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。

    2 实验内容

    本文采用的原材料为300目的Fe粉，还原Ni粉以及WC粉，200目的Cu粉、Sn粉和Zn粉，其具体的配方如表1 所示。在配方中，Fe 、Ni、Cu粉和WC粉含量保持不变，改变Zn和Sn的含量，但它们总的含量保持为10%，共5个配方。按照配方称好各种金属粉末，在球磨机中混合均匀，然后装入石墨模具中，试样的尺寸为Φ7 mm ×10 mm。采用热压烧结的方法来烧结样品，具体烧结工艺参数为烧结温度为760℃，压力为20MPa，保温时间10min。[3]

    采用阿基米德法来测试样品的密度；硬度测试在HR- 50A 型洛氏硬度计上进行；耐磨性的测试采用NMW-1立式万能摩擦磨损试验机，磨损对象为白刚玉砂轮。实验前后试样质量变化即为磨损量。

    3 结果与讨论

    对于相同成分的材料来说，一般情况下，样品的密度越高，样品的耐磨性越好，所以先测量样品的密度。不同配方的铁基结合剂采用热压烧结后得到的密度如图1所示。

    由图1 中可以看出，在铁基结合剂中加入不同的Zn和Sn含量，随着铁基结合剂中Sn含量的增大，样品的密度在一定范围内先增大，然后有降低的趋势；当含Sn量为2.5%左右，含Zn量为7.5%时，铁基结合剂样品的密度最高，具体密度值的变化从7.78 g/cm3升高到最大值8.07 g/cm3然后再降低到7.76 g/cm3。

    不同的Zn和Sn含量的铁基结合剂样品的硬度变化如图2所示。

    由图2可知，随着Sn含量的增加和Zn含量减少，样品的硬度没有明显的变化规律，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时达到最大，具体的数据为100、97、105、103和100。

    金刚石工具在切削过程中，除了受力复杂，切削速度高之外 ，同时还有大量岩粉，碎屑冲刷和研磨样品，因此要求胎体具有足够的硬度以增加其抗磨损能力。从物理特性来讲，虽然硬度和耐磨性是两个概念，但对于粉末冶金材料来讲，硬度和耐磨性成正比关系，也就是说硬度越高，其耐磨性相对就越好。不同配方样品在相同的条件下磨损量如表2所示。

    由表2可以看出，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，磨损量最少。从密度和硬度的数据中可以知道，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，样品的密度和硬度最高，所以磨损量最少其耐磨性相对较好。

    4 结论

    本文研究了在铁基结合剂中加入不同含量的Zn和Sn对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性的影响。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    参考文献

    [1] 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.

    [2] 王双喜，刘雪敬，耿彪，耿林.金属结合剂金刚石磨具的研究进

    展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006，154 （4） ： 71.

    [3] 肖长江， 赵延军，尚秋元.烧结工艺对铁基结合剂金刚石样品力

    学性能的影响[J].硅酸盐通报，2011，30（5） ： 1068.

    摘 要：本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%；采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    关键词： 铁基结合剂；Zn-Sn；热压烧结；耐磨性

    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，金属结合剂工具采用青铜、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，耐用[1，2]。在金属结合剂中，铁基结合剂因具有生产工艺简单、价格低廉；与金刚石具有较好的润湿性和较大的附着功；有较好的可成形性和可烧结性；有较适宜的力学性能等优点而被广泛应用。但由于Fe粉很容易氧化，降低了粉末表面活性，从而影响烧结过程的进行，使实际烧结过程难以达到理想的烧结程度。此外，Fe粉在高温下会对金刚石产生较严重的化学侵蚀作用，严重影响结合剂对金刚石的有效把持，导致Fe基金刚石圆锯片在锯切过程中金刚石容易脱落，锯片寿命短，从而阻碍了Fe基金刚石圆锯片的广泛使用，所以在铁基结合剂中还常常掺入加Sn、Zn、Co 和WC等成分来改善铁基结合剂的性能。

    本文在铁基结合剂中加入Zn和Sn含量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、7.5%、5%、2.5%、0%，采用热压烧结制备出不同Zn和Sn含量的铁基结合剂样品，并对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性进行了测试。

    2 实验内容

    本文采用的原材料为300目的Fe粉，还原Ni粉以及WC粉，200目的Cu粉、Sn粉和Zn粉，其具体的配方如表1 所示。在配方中，Fe 、Ni、Cu粉和WC粉含量保持不变，改变Zn和Sn的含量，但它们总的含量保持为10%，共5个配方。按照配方称好各种金属粉末，在球磨机中混合均匀，然后装入石墨模具中，试样的尺寸为Φ7 mm ×10 mm。采用热压烧结的方法来烧结样品，具体烧结工艺参数为烧结温度为760℃，压力为20MPa，保温时间10min。[3]

    采用阿基米德法来测试样品的密度；硬度测试在HR- 50A 型洛氏硬度计上进行；耐磨性的测试采用NMW-1立式万能摩擦磨损试验机，磨损对象为白刚玉砂轮。实验前后试样质量变化即为磨损量。

    3 结果与讨论

    对于相同成分的材料来说，一般情况下，样品的密度越高，样品的耐磨性越好，所以先测量样品的密度。不同配方的铁基结合剂采用热压烧结后得到的密度如图1所示。

    由图1 中可以看出，在铁基结合剂中加入不同的Zn和Sn含量，随着铁基结合剂中Sn含量的增大，样品的密度在一定范围内先增大，然后有降低的趋势；当含Sn量为2.5%左右，含Zn量为7.5%时，铁基结合剂样品的密度最高，具体密度值的变化从7.78 g/cm3升高到最大值8.07 g/cm3然后再降低到7.76 g/cm3。

    不同的Zn和Sn含量的铁基结合剂样品的硬度变化如图2所示。

    由图2可知，随着Sn含量的增加和Zn含量减少，样品的硬度没有明显的变化规律，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时达到最大，具体的数据为100、97、105、103和100。

    金刚石工具在切削过程中，除了受力复杂，切削速度高之外 ，同时还有大量岩粉，碎屑冲刷和研磨样品，因此要求胎体具有足够的硬度以增加其抗磨损能力。从物理特性来讲，虽然硬度和耐磨性是两个概念，但对于粉末冶金材料来讲，硬度和耐磨性成正比关系，也就是说硬度越高，其耐磨性相对就越好。不同配方样品在相同的条件下磨损量如表2所示。

    由表2可以看出，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，磨损量最少。从密度和硬度的数据中可以知道，在Sn含量和Zn含量分别为2.5%和7.5%时，样品的密度和硬度最高，所以磨损量最少其耐磨性相对较好。

    4 结论

    本文研究了在铁基结合剂中加入不同含量的Zn和Sn对铁基结合剂样品的密度、硬度和耐磨性的影响。实验数据表明：铁基结合剂中加入Sn含量在2.5%左右，Zn含量在7.5%左右时，铁基结合剂的硬度最高，耐磨性最好。

    参考文献

    [1] 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.

    [2] 王双喜，刘雪敬，耿彪，耿林.金属结合剂金刚石磨具的研究进

    展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006，154 （4） ： 71.

    [3] 肖长江， 赵延军，尚秋元.烧结工艺对铁基结合剂金刚石样品力

    学性能的影响[J].硅酸盐通报，2011，30（5） ： 1068.