● 產(chǎn)品名稱(chēng)：CuSn銅錫合金粉

       ● 牌號(hào)：CuSn10

       ● 用途：主要用于金剛石工具、地質(zhì)鉆頭、機(jī)床導(dǎo)軌軟帶、密封件、摩擦材料等。

       1、引言

       為了解決金剛石砂輪磨粒把持強(qiáng)度不高，磨削過(guò)程容易過(guò)早脫落而導(dǎo)致砂輪整體失效的問(wèn)題，日本學(xué)者Chattopadhyay等采用高溫釬焊技術(shù)開(kāi)發(fā)出了新型超硬磨粒單層釬焊砂輪,其鋒利的表面形貌和優(yōu)異的加工性能征服了磨削界，被業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱(chēng)為磨具行業(yè)一項(xiàng)具有革命意義的創(chuàng)造發(fā)明。

       該技術(shù)主要是通過(guò)在釬料中添加Ti、Cr、Mo等活性金屬元素，利用釬焊過(guò)程中活性元素向金剛石表面擴(kuò)散并在金剛石界面處生成碳化物而實(shí)現(xiàn)磨粒的化學(xué)冶金結(jié)合,大大提高了其把持強(qiáng)度和出刃高度,有效增大了金剛石的利用率和容屑空間。目前,國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)的徐鴻鈞團(tuán)隊(duì)、華僑大學(xué)的徐西鵬團(tuán)隊(duì)、廣東工業(yè)大學(xué)的王成勇團(tuán)隊(duì)等在金剛石釬焊工藝改進(jìn)、釬焊性能及釬焊機(jī)理研究等方面開(kāi)展了一系列卓有成效的工作。
       一般來(lái)說(shuō)，金剛石釬焊用的活性釬料主要是以氣霧化粉末和金屬箔片為主叫。如Liu等利用氣霧化76.5Cu-18.5Sn-5Ti釬料粉末開(kāi)展了金剛石/CBN磨粒的真空釬焊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銅基釬料中的活性Ti元素?fù)駜?yōu)向金剛石/CBN 界面處擴(kuò)散，并生成TiC、TiN、TiB等化合物，這能有效實(shí)現(xiàn)磨粒的潤(rùn)濕和有效釬焊；伍俏平等利用氣霧化Cu-10Sn-5Ti 釬料粉末開(kāi)展了不同釬焊氣氛下金剛石的釬焊性能研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在真空釬焊氣氛中，氣霧化銅基釬料對(duì)金剛石進(jìn)行了充分潤(rùn)濕和鋪展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石的高強(qiáng)度把持，金剛石利用率高；肖冰等利用添加有Cr的Ag-Cu金屬箔片開(kāi)展了金剛石的高頻感應(yīng)釬焊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定的釬焊溫度和時(shí)間下，可實(shí)現(xiàn)金剛石與基體之間的較高強(qiáng)度把持。這兩類(lèi)釬料比較而言，氣霧化粉末顆粒細(xì)小，為球形或近球形，具有較大的表面能和燒結(jié)活性，這有利于燒結(jié)致密化和縮短燒結(jié)時(shí)間。但氣霧化釬料粉末的制備成本較高，特別是細(xì)粒度活性釬料粉末市面上鮮有相關(guān)成品，通常需用企業(yè)或科研院所定制生產(chǎn)。而金屬箔片相對(duì)粉體釬料而言，在釬焊過(guò)程中的潤(rùn)濕性有限，影響了金剛石的釬焊強(qiáng)度，目前在金剛石的釬焊工藝中采用的越來(lái)越少。
       綜合考慮到釬焊性能和生產(chǎn)成本,本文利用機(jī)械球磨化工藝將低成本的Cu-Sn粉末與TiH粉末進(jìn)行合金化處理以制備出活性銅基釬料。機(jī)械球磨化是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈碰撞、擠壓和沖擊，使得粉末顆粒產(chǎn)生反復(fù)地的斷裂、冷焊和塑形變形，粉末組織結(jié)構(gòu)不斷的細(xì)化，并增大粉末顆粒中的原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術(shù)。其對(duì)設(shè)備的要求較低，生產(chǎn)成本不高，作為制備新材料的一種重要工藝受到了材料界的關(guān)注和運(yùn)用。本文利用機(jī)械球磨法制備出銅基釬料，并開(kāi)展其與金剛石的真空釬焊實(shí)驗(yàn)。利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了金剛石真空釬焊后的微觀形貌；利用X射線衍射儀分析了金剛石釬焊界面碳化物生成情況；利用激光拉曼光譜檢測(cè)了金剛石的石墨化程度；利用排水法和掃描電子顯微鏡檢測(cè)了釬料層的相對(duì)密度和組織形貌等，分析研究了機(jī)械球磨合金化Cu-10Sn/TiH2，料粉的釬焊性能。

       2、實(shí)驗(yàn)

       機(jī)械合金化的原材料粉末為Cu-10Sn粉末和TiH2的混合粉。其中, Cu-1OSn粉末粒度為-200目，散裝密度為4.5 g/cm3，純度>99.5%，為長(zhǎng)沙天久金屬材料有限公司提供，如圖1a所示；TiH2粉末粒度為-300目，散裝密度為1.86 g/cm3，純度>99.1%，為北京浩運(yùn)金能有限公司提供，如圖1b所示。實(shí)驗(yàn)將Cu-10Sn粉末和TiH2，粉末按摩爾比1:1在行星式球磨機(jī)QM-3SP4中進(jìn)行球磨，鋼球直徑為5 mm和 10 mm，球料比為20:1 ,轉(zhuǎn)速為200 轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間為12 h。機(jī)械球磨后對(duì)合金化粉末進(jìn)行了檢測(cè)，如圖2為機(jī)械球磨合金化粉體形貌和能譜分析。從中可看到，通過(guò)機(jī)械球磨處理后，粉體被充分破碎，粒徑細(xì)小，粉體粒徑分布的均勻性也得以改善，但由于球磨過(guò)程中粉體表面能的增加，存在少量團(tuán)聚現(xiàn)象。機(jī)械球磨合金化Cu-10Sn/TiH，料粉末真空釬焊金剛石實(shí)驗(yàn)是在CSL-1300 管式真空燒結(jié)爐中進(jìn)行，釬焊時(shí)爐內(nèi)真空度小于0.12 Pa。

       3、結(jié)果與討論

       3.1金剛石釬焊形貌及其碳化物生成情況

       實(shí)驗(yàn)分析了釬焊溫度880~960 ℃范圍內(nèi)機(jī)械球磨化Cu-0Sn/TiH,釬料粉末真空釬焊金剛石的微觀形貌，掃描電子顯微鏡圖片如圖3所示。

       當(dāng)釬焊溫度為880 ℃時(shí)，Cu-10Sn/TiH2，球磨化粉末有少部分顆粒沒(méi)有完全融化，在金剛石與釬料界面處存在由于沒(méi)有燒結(jié)致密引起的微觀孔隙，如圖3a所示；當(dāng)釬焊溫度提高到920 ℃時(shí)，Cu-10Sn/TiH2，釬料熔化鋪展充分，沿金剛石顆粒表面蔓延爬升，并將金剛石緊密包裹,且金剛石與釬料結(jié)合界面處燒結(jié)致密，這能有效增大金剛石的把持強(qiáng)度;釬焊過(guò)程中金剛石顆粒晶形完整，無(wú)明顯的熱刻蝕痕跡，如圖3c所示；但當(dāng)釬焊溫度為960 ℃時(shí)，金剛石表面出現(xiàn)了一定程度的褶狀熱刻蝕痕跡，如圖3d所示，這會(huì)金剛石的自身強(qiáng)度及其切削性能產(chǎn)生不利影響。

       利用稀硫酸對(duì)機(jī)械球磨合金化Cu-Sn/TiH2，粉末釬焊金剛石試件進(jìn)行選擇性腐蝕，銅基釬料被腐蝕去除，而金剛石及其表面碳化物難溶于酸得以保留，腐蝕后利用無(wú)水乙醇對(duì)釬焊金剛石進(jìn)行超聲波清洗，干燥后利用掃描電子顯微鏡對(duì)其表面碳化物生成情況進(jìn)行觀測(cè)分析。圖4為不同釬焊溫度下金剛石表面碳化物生成情況。從中可看出,當(dāng)釬焊溫度為880 ℃時(shí)，金剛石表面生成了一層較薄且不連續(xù)的碳化物層，如圖4a所示。這是由于當(dāng)釬焊溫度較低時(shí)，活性元素Ti的擴(kuò)散有限，其在金剛石界面處的富集、生成TiC層較薄且不充分。當(dāng)釬焊溫度為920 ℃時(shí)，金剛石表面生成了一層連續(xù)且致密的TiC層，如圖4c所示。這層碳化物層可有效促進(jìn)金剛石的化學(xué)冶金結(jié)合，大大提高其把持強(qiáng)度。當(dāng)釬焊溫度為960 ℃時(shí)，金剛石表面的碳化物增長(zhǎng)幅度有限，且生成的脆性碳化物過(guò)多時(shí)，會(huì)引起金剛石與釬料界面處的脆性斷裂，反而影響其釬焊性能。因此，機(jī)械球磨合金化Cu-10Sn/TiH2，釬料真空釬焊金剛石的釬焊溫度應(yīng)選920 ℃為宜。

       3.2釬焊試件相對(duì)密度及組織形貌分析

       實(shí)驗(yàn)利用排水法分析了釬焊溫度為920℃，不同釬焊時(shí)間(4 min，8 min，12 min，16 min)下，機(jī)械球磨化Cu-10Sn/TiH2，釬料粉末真空釬焊金剛石釬焊件相對(duì)密度。圖5為釬焊時(shí)間與釬焊件相對(duì)密度之間的關(guān)系曲線圖。從圖中可看出，當(dāng)釬焊時(shí)間為4 min 時(shí)，釬焊件殘留孔隙較多，致密性有限，相對(duì)密度僅為87.7%；隨著釬焊時(shí)間的延長(zhǎng)，元素之間的擴(kuò)散增強(qiáng)，液相量增多，在毛細(xì)管力的作用下，釬焊件的相對(duì)密度逐漸增大,當(dāng)釬焊溫度為8 min，12 min時(shí)，相對(duì)密度已分別達(dá)到了96.9%和97.6%；但當(dāng)進(jìn)一步增大釬焊時(shí)間時(shí)，相對(duì)密度增長(zhǎng)幅度不大(釬焊時(shí)間16 min的相對(duì)密度為98.0% )，這表明當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)釬焊時(shí)間，燒結(jié)密度的上升空間已經(jīng)很小，對(duì)提高致密化的意義不大，且由于釬焊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)對(duì)金剛石的熱損傷和石墨化產(chǎn)生不利影響。

       同時(shí)，利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了釬料層的組織形貌，如圖6所示。從中可看出，當(dāng)釬焊時(shí)間為4 min時(shí)，釬料層存在不少的微觀孔洞，致密化有限,如圖6a所示；當(dāng)釬焊時(shí)間為12 min 時(shí)，釬料層孔隙不斷減少，只存在少許的微細(xì)孔洞，致密化大大提高，如圖6c所示；但當(dāng)釬焊時(shí)間進(jìn)一步增大到16 min時(shí)，孔隙量的減少已不明顯，并存在晶粒增大的趨勢(shì)，這勢(shì)必影響其相關(guān)力學(xué)性能。因此，機(jī)械球磨化Cu-10Sn/TiH2釬料理想的釬焊時(shí)間為12 min。

       3.3金剛石的熱損傷及磨損形態(tài)分析

       實(shí)驗(yàn)采用IabRAM-910激光拉曼光譜儀分析了釬焊溫度為920 ℃,釬焊時(shí)間為12 min的金剛石的熱損傷情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。其中，在1331.13 cm-1處對(duì)應(yīng)的Raman峰為金剛石特征峰，在1585.05 cm-1處對(duì)應(yīng)的Raman峰為石墨特征峰。從圖7可見(jiàn)，金剛石的石墨化程度非常小，這主要由于在真空氣氛中，金剛石的石墨化轉(zhuǎn)變溫度較高；且釬焊過(guò)程中金剛石處于高溫下的時(shí)間較短，金剛石的熱損傷很小，金剛石仍保有良好的自身強(qiáng)度和切削性能。

       進(jìn)一步利用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)考察了機(jī)械球磨合金化Cu-10Sn/TiH2，釬料真空釬焊金剛石在切削過(guò)程中的主要破損形式，如圖8所示。

       金剛石在切削過(guò)程中主要經(jīng)歷了小塊破碎、大塊破碎以及磨平等正常磨損階段。這也很好論證了該機(jī)械球磨化銅基釬料能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的有效潤(rùn)濕和高強(qiáng)度把持。但當(dāng)金剛石磨損嚴(yán)重失去切削能力后，出現(xiàn)了少數(shù)金剛石磨粒脫落的情況，如圖9所示。但由于此時(shí)金剛石已磨損嚴(yán)重失去切削能力，其脫落不會(huì)對(duì)磨具的整體切削性能產(chǎn)生不利影響，且磨損嚴(yán)重的金剛石的及時(shí)脫落還會(huì)對(duì)砂輪磨粒的自銳性和保持良好的切削性能是有利的。

       4、結(jié)論

       (1)利用機(jī)械球磨化將低成本的CuSn粉末與TiH2粉末進(jìn)行了合金化處理，制備出了粒徑細(xì)小、元素分布均勻的活性銅基釬料以用于金剛石的釬焊工藝。

       (2)當(dāng)釬焊溫度為920℃，保溫時(shí)間為12 min時(shí)，機(jī)械合金化Cu-Sn/TiH2，釬料釬焊的金剛石把持強(qiáng)度高，相對(duì)密度可達(dá)到97.6%，且金剛石熱損傷很小，具有良好切削性能。

       (3)釬焊后的金剛石切削過(guò)程中主要存在小塊破碎、大塊破碎、磨平等正常磨損形式，很少出現(xiàn)整顆金剛石過(guò)早脫落的情況，金剛石利用率高。