不同烧结温度下铁基胎体的组织及性能

孙为云

（郑州职业技术学院，河南 郑州 450121）

随着我国经济建设的稳步发展，金刚石工具的应用领域逐步扩大，如地质勘测、机械加工、石油等的钻探，石材玉石加工、其他加工行业等，其消耗量也越来越大。金刚石工具中加工陶瓷抛光砖棱边的一类重要工具—金刚石磨边轮，因其加工对象种类繁杂，硬度高耐磨性好、薄脆、比较难磨削等特点，所以对金刚石磨边轮的加工性能提出了比较高的要求。金刚石磨边轮胎体的硬度、抗弯强度等性能及其对金刚石的固结能力直接影响着其使用寿命和加工效率。而且对胎体性能的研究又是后序生产制备金刚石磨边轮的前提，所以深入研究金刚石磨边轮胎体的相关力学性能至关重要。铜基、铝基和铁基等金属结合剂是金刚石磨边轮常用的胎体材料，通常情况下，铁基胎体中Fe的添加量一般不超过60%，再辅以其他元素以改善结合剂的综合力学性能，如添加熔点较低的Sn、Zn、磷铁等组元来降低胎体烧结温度，从而降低生产成本；通过加入适量细粒度的Ni粉以促进粉末在烧结时发生位移，从而提高胎体的性能。

铁基胎体在进行热压烧结时，升温速率、烧结温度、保温时间等烧结参数会直接影响其性能，其中烧结温度的作用比较明显，因此本文以常用的铁基胎体为研究对象，分析不同烧结温度下铁基胎体的组织和性能，找到适宜该铁基胎体配方的烧结温度范围，以期获得较佳性能的磨边轮胎体并应用于实际生产中。

一、试验方法及过程

（一）试验用原材料及胎体配方

根据生产实际情况，采用自制的铁基胎体配方，其中Fe粉占20%（质量分数，下同），FeCu30预合金粉占30%，Cu粉占29%，粒度200目以细，Ni粉占10%，Sn粉占5.2%、Zn粉占2.8%、磷铁粉占3%。其中镍粉粒度是400目（37 μm）以细，磷铁粉是300（48 μm）目以细，其余粉末是粒度200目（74 μm）以细。

（一）试验工艺及试样制备和性能检测

1.试验工艺：根据铁基胎体配方先进行配混料，在三维混料机中混料3h，然后放入石墨模具中热压烧结，烧结温度分别是730℃、740℃、750℃、760℃、770℃，保温时间和烧结压力分别为3min和20kN，制得烧结块体积为40.0 mm（长）×8.0 mm（宽）×4.6 mm（高）。

2.金相试样制备：烧结块经过镶样、打磨、抛光、侵蚀等制得金相试样，所用侵蚀剂为FeCl3盐酸水溶液。

3.性能检测：利用台式扫描电子显微镜观察试样的显微组织，并借助其能谱仪分析样品成分；采用X射线衍射仪分析其物相组成；利用排水法测得试样的实际密度并根据其理论密度计算出致密度；采用洛氏硬度计测量样品的硬度；利用万能力学试验机测量烧结样品的弯曲强度。

二、试验结果与讨论

（一）烧结温度对胎体组织的影响

从图1中可以看出，烧结温度不同时，铁基胎体中主要存在亮灰色、灰色和深灰色三种颜色的组织，图中的黑点为孔洞或杂质。随着烧结温度的升高，亮灰色组织减少，灰色组织增多，部分深灰色组织被亮灰色和灰色相分散，即这二者扩散进入深灰色组织中。750℃和760℃烧结体的组织较730℃和770℃烧结时的更均匀，当温度升高至760℃和770℃时已基本观察不到亮灰色组织。但当温度升至770℃时，烧结时出现了流料现象。为进一步确定胎体中不同颜色组织的成分，对750℃烧结的试样进行能谱分析结果如图2所示。

根据图2中结果可知：1点成分主要为Cu、Ni、Sn，由铜锡二元合金相图可知，当Sn含量较低时，Cu和Sn可以反应生成有限溶解固溶体和一系列中间相，主要有α相、δ 相（以Cu31Sn8化合物为基的固溶体，室温下的硬脆相）。Cu与Sn还可以形成以δ 相为基的固溶体即Cu41Sn11，也是室温下的硬脆相。同样，由铜镍二元合金相图可知，Cu与Ni可以形成无限固溶体，在烧结过程中Ni元素可以通过与铜反应形成固溶体，从而提高胎体的抗弯强度和硬度；同时，本配方中添加的Ni粉粒度细小，在合金中还可起到细化晶粒的作用，此外，Ni的加入还可以使得Sn、Zn的流动性得到有效改善，可促进烧结的致密化进程，从而提高胎体的综合性能。

2点检测到主要成分为Cu元素，3点检测到主要成分为Fe元素，还检测到少量的Cu和Ni，根据何娟等人的研究结果，在烧结进程中Fe元素易发生自扩散过程，使得胎体粉末中Fe元素会形成连续相。4点是夹杂在深灰色组织中的亮灰色组织，其主要成分是Cu、Fe，同时还检测到含有少量的Sn、Zn和Ni元素，推测是热压烧结过程它们扩散进入了FeCu30预合金粉中。5点的Fe、Ni、P含量较高，推测是由于Ni扩散进入磷铁粉形成的组织，由铁镍相图分析可知，Ni含量较低时，Fe与Ni可形成以铁为基的固溶体，P的存在是由于配方中加入了FeP粉，但由于磷铁粉的添加量较少，组织中其数量也不多。

为了弄清楚铁基胎体中的物相，借助X射线衍射仪分析了750℃烧结时的胎体的物相组成，结果见图3。

由图3可知，胎体中的物相主要包括γ-Fe，铁基、铜基固溶体以及Ni4Sn和Fe4Cu3、Cu0.61Zn0.39等金属间化合物。

（二）烧结温度对胎体性能的影响

表1为铁基胎体烧结温度与性能之间的关系图。从表1中可以看出，胎体的致密度和洛氏硬度随烧结温度的升高而增大，抗弯强度呈先增大后减小的趋势。烧结时随着温度的上升，低熔点的Sn、Zn熔化并填充到其他粉末空隙间，与Cu、Ni等形成固溶体和金属间化合物等低熔点相。温度进一步升高，生成的低熔点相增多。同时，在压力的辅助作用下，胎体的致密度迅速增大，合金化程度随之增加，胎体硬度、抗弯强度也随之增大。胎体致密度在750℃和760℃时接近，分别为98.7%和98.8%，硬度分别为97.7HRB和104.2HRB，抗弯强度分别为987.5MPa和988.7MPa，相差不大。但抗弯强度在770℃烧结时出现下降，原因是此时烧结温度偏高，起粘结剂作用的液相量过多而出现少量流料，因此导致强度稍有下降，此时强度为967.1MPa。肖俊玲[5]等人的研究结果表明对于铁基胎体制造的陶瓷砖磨边轮刀口磨削锋利、使用效果较好时，胎体的硬度约为96 HRB，抗弯强度约为970 MPa。对于金刚石工具用结合剂硬度过高致使胎体非常耐磨，使其在使用时金刚石不容易出露，会导致工具的锋利度下降，加工效率降低。

表1 铁基胎体烧结温度与性能之间的关系

综合以上分析，在本试验研究的范围内，该铁基胎体较适宜的烧结温度为750℃～760℃，因温度越高，生产成本就越高且会出现流料现象造成材料的浪费，所以在满足使用性能要求的前提下，烧结温度应尽可能的低些。

三、结论

（一）铁基胎体中主要由亮灰色，灰色和深灰色三种颜色组织组成，随着烧结温度的升高，亮灰色组织逐渐减少，灰色组织增多。

（二）铁基胎体的主要物相组成是γ-Fe，铁基、铜基固溶体以及一些金属间化合物。

（三）铁基胎体的致密度、硬度均随烧结温度的上升而提高，抗弯强度呈先增大后减小的趋势。

（四）该铁基胎体配方的较适宜烧结温度为750℃-760℃。