燒結溫度對Cu-P金屬結合劑堆積磨料結構和性能的影響

萬隆 朱泳霖 劉小磐 李建偉 周仁宸

摘? ?要：在不同燒結溫度下，以Cu-P合金為結合劑制備金剛石堆積磨料. 利用差熱分析（DTA）和X射線衍射（XRD）測試Cu-P合金的熔化特性與物相組成，采用掃描電鏡（SEM）方法對堆積磨料的顯微結構、金剛石和結合劑界面潤濕性進行分析，并測試堆積磨料的單顆?？箟簭姸?、沖擊韌性、氣孔率、平均孔徑尺寸等物理性能. 對比了不同溫度下燒結制備的堆積磨料的磨削性能，并闡述磨料磨損機理. 結果表明，760 ℃燒結的堆積磨料，Cu-P結合劑對金剛石的包裹程度好，潤濕性好，金剛石出刃高度適宜，并具有優異的力學性能. 其單顆?？箟簭姸?、沖擊韌性、氣孔率、平均孔隙尺寸分別為23 N、78%、29.33%、18.53 μm. 760 ℃燒結的堆積磨料具有最優的磨削性能，磨削后砂輪中的堆積磨料處于半磨損狀態，當氧化鋯陶瓷的磨削比為24.8時，工件表面粗糙度為1.01 μm.

關鍵詞：堆積磨料;金剛石;Cu-P合金;砂輪

中圖分類號：TG733? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Effect of Sintering Temperature on Microstructures and Properties

of Agglomerated Grains Bonded with Cu-P Alloy Powder

WAN Long?，ZHU Yonglin，LIU Xiaopan，LI Jianwei，ZHOU Renchen

（College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：Agglomerated grains of diamond bonded with Cu-P alloy powder are prepared at various? sintered temperatures. Differential thermal analysis（DTA） and X-ray diffraction（XRD） are used to test the melting characteristics and phase composition of the Cu-P alloy. A scanning electron microscope（SEM） is used to analyze the microstructure of the agglomerated grains of diamond， the wettability of diamond and the bond interface. The physical properties such as single particle compressive strength， impact toughness（TI），porosity and average pore size of the agglomerated grains of diamond are tested. Meanwhile， the grinding performance of the agglomerated grains of diamond prepared at various? sintering temperatures is compared， and their grinding mechanism is explained. The results indicate that for agglomerated grains of the diamond sintered at 760 ℃，the diamond is well wrapped by Cu-P bond with a good wettability and an appropriate protrusion height. The agglomerated grains of diamond have excellent mechanical properties. Its single particle compressive strength，impact toughness， porosity and average pore size are 23 N，78%，29.33% and 18.53 μm，respectively. The agglomerated grains of the diamond sintered at 760 ℃ show the best grinding performance. After grinding， the agglomerated grains of diamond in the grinding wheel are in a semi-wear state. Moreover，the grinding ratio to zirconia ceramics is 24.8，and the surface roughness is 1.01 μm.

Key words：agglomerated grains;diamond;Cu-P alloy;grinding wheels

金剛石堆積磨料是通過結合劑將單顆粒金剛石磨料黏結起來，形成的具有一定形狀、尺寸和強度的新型團聚顆粒. 與金剛石單晶磨料的單刃磨削方式不同，堆積磨料在磨削過程中局部破碎，堆積磨料與工件之間形成面接觸，產生多點式磨削. 相比于金剛石單晶磨料，具有磨料利用率更高、磨削性能更穩定、磨料自銳性更好、使用壽命更長等優勢[1-3].

目前，國內外學者在開發堆積磨料方面進行一定的研究. 如Edward[4]利用樹脂、橡膠、多孔陶瓷作為結合劑，采用擠壓造粒、模壓造粒等方式制成各種形狀的堆積磨料應用于砂紙、砂帶等涂附磨具中，使堆積磨料的自銳性、磨削效率得到大幅度的提高. 王兆武[5]利用樹脂結合劑制成堆積磨料應用于砂布中，對TC4鈦合金進行磨削試驗，其使用壽命相比于普通磨料砂布提高2.35倍. Chen等[2]對陶瓷結合劑金剛石堆積磨料研磨藍寶石的磨削行為進行研究，發現堆積磨料在磨削中的表現主要為磨損和微斷裂，與單晶金剛石磨料相比，對工件表面的損害較小. 綜上所述，目前關于堆積磨料的研究主要集中在樹脂基和陶瓷基上. 其中樹脂結合劑堆積磨料因其耐熱性差、使用壽命短，只適用于涂覆磨具[6];陶瓷結合劑堆積磨料雖然比樹脂結合劑耐熱性更好，但是由于陶瓷結合劑硬而脆，在有一定沖擊和載荷的條件下容易崩塌，導致其使用領域受限[7-8]. 若采用金屬合金作為結合劑來制備堆積磨料，在實現結合劑對金剛石良好結合的基礎上，金屬結合劑堆積磨料不僅擁有較高的強度，而且還擁有良好的韌性，有望應用于高沖擊、重載荷磨具的制備.

銅及銅合金具有優異的韌性、耐磨性、成型性和抗腐蝕能力，是常用的金剛石工具結合劑，而P的添加不僅能降低銅基結合劑的燒結溫度，避免金剛石的熱損傷，還能增強結合劑對金剛石的潤濕性[9-12]. 因此，Cu-P合金可作為較為理想的金剛石堆積磨料結合劑. 根據相關文獻報道[10-13]，Cu-P合金作為結合劑制備金剛石工具時，在不同燒結溫度下其性能差異較大. 針對該情況，選擇Cu-P合金作為堆積磨料的結合劑，通過模壓破碎造粒法制備金剛石堆積磨料，對不同溫度燒結的堆積磨料的顯微結構進行分析，測定了不同燒結溫度的堆積磨料的力學性能，對比了不同溫度燒結的堆積磨料的磨削性能，為金屬結合劑制備堆積磨料奠定了理論基礎.

1? ?實? ?驗

1.1? ?堆積磨料的制備

堆積磨料的結合劑采用Cu-P合金，其化學組成為n（Cu） ∶ n（P） = 92 ∶ 8. 采用模壓破碎造粒法對金剛石堆積磨料造粒，按m（金剛石）：m（Cu-P合金） = 1 ∶ 4稱取相應的原材料（金剛石粒徑為74～88 μm，Cu-P合金粒徑為74 μm以細），將稱好的各種原料倒入球磨壇中，在球料比1 ∶ 1、轉速200 r/min的條件下球磨2 h. 將球磨好的原料裝入模具中，在100 MPa下定壓成型，保壓30 s，得到堆積磨料條狀試樣坯體. 將堆積磨料樣條置于管式燒結爐中，在N2保護氣氛下，以一定速率升至600 ℃，保溫50 min，使其獲得一定的強度，隨爐冷卻后破碎、過篩，選擇500 ～ 740 μm的顆粒做為預燒堆積磨料. 為了避免燒結過程中堆積磨料顆?；ハ囵そY，在管式爐中采用埋金剛石（粒徑為74～88 μm）的方式對堆積磨料顆粒進行煅燒，通入N2，升溫速率為5 ℃/min，燒結溫度分別為700、730、760、790、820 ℃，保溫1 h，爐冷、過篩，得到Cu-P結合劑金剛石堆積磨料.

1.2? ?金剛石堆積磨料砂輪的制備

為了對比不同燒結溫度的堆積磨料的磨削性能，采用NaO2-SiO2-B2O3系低溫陶瓷結合劑，通過冷壓成型、燒結的方法，分別將不同燒結溫度制備的堆積磨料制成規格為1A1455 × 27 × 202 × 5的砂輪（磨料質量分數為80%，低溫陶瓷結合劑質量分數為20%，在此基礎上，額外加臨時黏結劑，質量分數為5%，砂輪素坯成型密度為5.31 g/cm3，燒結溫度為680 ℃）.

1.3? ?性能測試與表征

通過熱重-差熱同步分析儀（STA7200）、X射線衍射儀（D/max-rA10）分別測定Cu-P合金的熔化特性與物相組成. 采用S4800型掃描電鏡（SEM）觀察不同燒結溫度的堆積磨料的顯微結構. 采用微濾膜孔徑分析儀（PSDA-20）測試堆積磨料的氣孔率和平均孔徑尺寸. 采用金剛石單顆?？箟簭姸葴y定儀（THY-I）對金剛石堆積磨料的單顆?？箟簭姸冗M行測定，樣本量為40粒，測試5組，取平均值. 采用CYCJ-04A型沖擊韌性測定儀對金剛石堆積磨料的抗沖擊強度進行測定. 采用接觸角測試儀（JY-82B Kruss DSA）測量Cu-P結合劑與金剛石薄膜之間的接觸角，將壓制成柱狀的Cu-P結合劑置于表面鍍覆有CVD多晶金剛石薄膜的單晶硅片上，在氮氣保護下進行熱處理，升溫速率5 ℃/min，測試5組數據，取平均值[14]. 在德國Walter400combi外圓磨床上對氧化鋯陶瓷棒進行磨削實驗，冷卻介質為油基冷卻液，砂輪工作速度設置為30 m·s-1，進刀量為10 mm·min-1. 根據砂輪磨損體積Vs和工件磨損體積Vw按公式（1）計算出磨耗比G.

G =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

采用手持式粗糙度測量儀（SRT-6200）對磨削后的氧化鋯陶瓷棒的表面粗糙度進行測定.

2? ?實驗結果與分析

2.1? ?不同燒結溫度下堆積磨料的顯微結構及結合劑

相組成

不同燒結溫度堆積磨料的顯微結構如圖1所示. [100 μm][10 μm]

圖1（a）為760 ℃燒結后堆積磨料單顆粒形貌. 由圖1（a）可知，堆積磨料經過篩后，呈現近球形的顆粒形貌，單顆粒粒徑為0.5 ～ 1.0 mm. 堆積磨料顆粒表面觀察到較多裸露的金剛石磨料，每顆金剛石之間有合適的結合劑橋和孔隙，這有利于堆積磨料在磨削中快速進入穩定狀態，形成多層切削刃參與磨削加工. 從圖1中金剛石與Cu-P結合劑的界面顯微結構可以看出，堆積磨料燒結溫度為700 ℃時（圖1（b）），結合劑與金剛石之間界面處存在一定的縫隙，結合劑對金剛石潤濕效果差. 隨著燒結溫度升高至760 ℃（圖1（c）），結合劑表面孔隙減少，且結合劑沿著金剛石界面逐漸攀升，金剛石的裸露高度下降，直到820 ℃時（圖1（d））結合劑將金剛石整個顆粒包裹在基體內，影響磨削過程中金剛石出刃.

Cu-P結合劑的差熱分析如圖2所示. 由圖2可知，曲線上出現兩個吸熱峰. 結合Cu-P合金相圖可知，它們分別為Cu3P溶解吸熱峰和合金熔化吸熱峰. Cu-P合金熔化所吸收的熱量比Cu3P受熱分解的熱量要高很多，所以其吸熱峰高于Cu3P受熱分解的吸熱峰[15]. 從差熱曲線中Cu-P合金熔化吸熱峰還可得出，其固相線為710 ℃、液相線為720 ℃，710～720 ℃為Cu-P合金的固液相共存區[16].

不同燒結溫度的Cu-P結合劑XRD分析如圖3所示. 由圖3可知，在燒結前后的Cu-P結合劑樣品中均檢測到α-Cu相的衍射峰和Cu3P相的衍射峰. 說明了在不同的燒結溫度下Cu-P結合劑較為穩定，未發生金屬間化合物之間的相轉變.

由以上分析結果可知，在700 ℃燒結時，溫度在合金固相線以下，結合劑中未產生液相，結合劑流動性差，原子擴散及遷移不充分，致密化程度不高，導致Cu-P結合劑對金剛石表面潤濕性差. 而隨著燒結溫度升高至合金液相線以上，Cu-P結合劑全部為液相，流動性提高，結合劑對金剛石顆粒的包裹能力提高. 當燒結溫度達到760 ℃時，液相結合劑覆蓋金剛石表面，這不僅提高了堆積磨料整體的強度還保證了金剛石顆粒的裸露. 在820 ℃時，Cu-P結合劑的黏度繼續下降，將金剛石完全覆蓋、掩埋.

為了定量表征Cu-P結合劑與金剛石的潤濕狀態，測量了不同燒結溫度下，Cu-P結合劑與金剛石薄膜之間的接觸角，其結果如圖4所示.

隨著燒結溫度的升高，Cu-P結合劑與金剛石薄膜之間的接觸角逐漸減小. 這是由于當溫度超過液相線所在溫度時，結合劑全部轉變為液相，而隨著燒結溫度的繼續升高，液相的黏度越低，有利于結合劑在金剛石表面的鋪展[17]. 故金剛石與Cu-P結合劑的接觸角緩慢減小. 當燒結溫度為760 ℃時，Cu-P結合劑與金剛石薄膜之間的接觸角為28°，繼續提高燒結溫度，Cu-P結合劑與金剛石薄膜之間的接觸角下降速率明顯變慢.

2.2? ?燒結溫度對堆積磨料的力學性能及氣孔率的影響

不同燒結溫度堆積磨料的力學性能、氣孔率分別如表1、圖5和圖6所示.

從圖5和表1中氣孔率和平均孔隙尺寸數據可知，隨著燒結溫度的升高，堆積磨料的氣孔率幾乎呈線性下降，由700 ℃時的36.98%下降至820 ℃時的25.07%. 堆積磨料的平均孔隙尺寸隨燒結溫度的變化趨勢和孔隙率相似，但隨著溫度升高堆積磨料的平均孔隙尺寸減小的速度變慢，由700 ℃時的46.03 μm減小至820 ℃時的13.11 μm. 這是由于隨著燒結溫度升高，Cu-P結合劑的黏度減小，結合劑收縮，其中的氣孔尺寸逐漸減小甚至消失，結合金剛石和結合劑的界面潤濕性分析可知，燒結溫度越高，結合劑對金剛石包裹越好，界面處縫隙也越少.

圖6為不同燒結溫度下堆積磨料的力學性能曲線. 從圖6和表1中力學性能數據可知，堆積磨料的單顆?？箟簭姸群蜎_擊韌性均隨著燒結溫度的升高而增加. 堆積磨料單顆?？箟簭姸群蜎_擊韌性分別由700 ℃的16 N和51%增加至820 ℃的25 N和85%. 其主要原因是隨著燒結溫度的升高，堆積磨料的氣孔率和孔隙尺寸逐漸減小，堆積磨料更加致密，使其力學性能明顯提高. 其次，由于燒結溫度的升高，結合劑對金剛石的界面潤濕性越好，結合越緊密，其力學性能越好.

2.3? ?磨削性能分析

堆積磨料磨削示意圖如圖7所示. 金剛石堆積磨料具有面接觸多點式磨削的特性，磨削后堆積磨料呈半磨損狀態，金剛石利用率高，可明顯提高加工效率和磨削質量.

圖8為堆積磨料在磨具中磨削前后的顯微形貌.從圖中磨削前的形貌可以看出（圖8（a）），在磨具中堆積磨料與陶瓷基體結合較為緊密，且堆積磨料的出刃高度合適，能形成穩定高效磨削. 磨削后，700 ℃燒結的堆積磨料顆粒大量破碎，碎磨料附著在磨具表面;760 ℃燒結的堆積磨料顆粒大部分為半磨損狀態，端面呈橢圓形，仍具有一定的出刃高度，個別堆積磨料整顆脫落，在陶瓷基體上留下凹坑;820 ℃燒結的堆積磨料整顆脫落的數量增加，在陶瓷基體上凹坑增多. 這是由于700 ℃燒結的堆積磨料強度較低，在磨削過程中大量的破碎，脫落，其中部分金剛石顆粒和Cu-P結合劑被擠壓進磨具表面的孔隙，繼續影響內部堆積磨料的出刃. 而760 ℃和820 ℃燒結的堆積磨料均具有較高強度，但前者金剛石在堆積磨料中的裸露高度要高于后者，在磨削中，堆積磨料利用裸露的金剛石犁耕被磨工件，受到的切削力小，堆積磨料中磨鈍的金剛石脫落，大部分堆積磨料呈現部分磨損狀態. 而820 ℃燒結的堆積磨料中金剛石被Cu-P結合劑完全包裹住，在磨削中，金剛石難以出刃，堆積磨料受到的切削力極大，易使整顆堆積磨料從陶瓷基體中脫落，留下較多凹坑.

不同溫度制備的堆積磨料磨削氧化鋯陶瓷棒的磨削比如圖9所示.

從圖9中可以看出，不同燒結溫度堆積磨料制備的磨具磨削氧化鋯陶瓷的磨削比分別為16.7、20.2、24.8、23.0和21.4. 隨著堆積磨料的燒結溫度增加，對應磨具的磨削比先升高后降低. 結合圖8分析可知，這是由于堆積磨料燒結溫度較低時，Cu-P結合劑對金剛石包裹程度不夠，堆積磨料強度低，在磨削過程中，大量的磨料破碎、脫落，其中部分金剛石顆粒和Cu-P結合劑被磨到磨具表面，繼續影響內部堆積磨料的出刃，降低了砂輪的磨削比. 而760 ℃燒結的堆積磨料，Cu-P結合劑對金剛石的把持能力大幅提高，且金剛石在堆積磨料中裸露高度合適，磨削更穩定，砂輪磨削比隨之提高. 當燒結溫度超過820 ℃時，結合圖1堆積磨料的SEM分析可知，結合劑將金剛石完全包裹，堆積磨料中金剛石出刃困難造成砂輪磨削比下降.

磨削實驗后5個氧化鋯陶瓷棒的表面粗糙度如圖10所示. 由圖10可知，760 ℃燒結的堆積磨料對應的磨具加工工件表面質量最好，其粗糙度為1.01 μm，這是由于堆積磨料中結合劑對金剛石把持力好，且金剛石裸露高度合適，磨削狀態更穩定. 但總體來說，隨著堆積磨料的燒結溫度變化，被磨工件表面粗糙度變化不大，這是由于用于制備堆積磨料的金剛石顆粒的粒徑一致，對工件的磨削深度差別較小，工件表面粗糙度變化不大.

3? ?結? ?論

1）實驗制備的堆積磨料經過篩后呈現近球形的顆粒形貌，粒徑為0.5 ～ 1.0 mm. 在最佳燒結溫度760 ℃燒結下，結合劑與金剛石的接觸角為28°，結合劑對金剛石包覆較好.

2）Cu-P結合劑金剛石堆積磨料在760 ℃下燒結后具有較好的力學性能、合適的孔隙率和孔隙尺寸. 其單顆?？箟簭姸?、沖擊韌性、氣孔率和平均孔隙尺寸分別為23 N、78%，29.33%和18.53 μm.

3）實驗條件下760 ℃燒結的堆積磨料制成的砂輪具有最好的磨削性能，磨削后堆積磨料處于半磨損狀態，對氧化鋯陶瓷的磨削比為24.8，磨削后工件表面粗糙度為1.01 μm.

參考文獻

[1]? ? 劉鵬展，鄒文俊，彭進. 堆積磨料制備技術及堆積磨料砂帶應用現狀[J]. 超硬材料工程，2017，29（3）：40—44.

LIU P Z，ZOU W J，PENG J. Bulk abrasive preparation technology and the application status of bulk abrasive belt[J]. Superhard Material Engineering，2017，29（3）：40—44. （In Chinese）

[2]? ? CHEN J P，ZHU N N，NIU F L，et al. Influence of agglomerated diamond abrasive wear on sapphire material removal behavior[J]. Diamond and Related Materials，2020，108：107965.

[3]? ? WANG Z K，NIU F L，ZHU Y W，et al. Comparison of lapping performance between fixed agglomerated diamond pad and fixed single crystal diamond pad[J]. Wear，2019，432/433：202963.

[4]? ?EDWARD H. Abrasive article and method of making the same：US3048482[P]. 1962-08-07.

[5]? ? 王兆武. 堆積磨料的制備與磨削鈦合金的研究[D]. 鄭州：河南工業大學，2016：2—6.

WANG Z W. The preparation of agglomerate of abrasive grains and research on the grinding of titanium alloys[D]. Zhengzhou：Henan University of Technology，2016：2—6. （In Chinese）

[6]? ? 王園園，彭進，郝富強，等. 低熔點合金/酚醛樹脂復合材料的制備與性能研究[J]. 山東化工，2016，45（17）：9—10.

WANG Y Y，PENG J，HAO F Q，et al. Preparation and performance of phenolic aldehyde resin/low melting point metal alloy composites[J]. Shandong Chemical Industry，2016，45（17）：9—10. （In Chinese）

[7]? ? BERNARDO E，SCARINCI G，MADDALENA A，et al. Development and mechanical properties of metal-particulate glass matrix composites from recycled glasses[J]. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2004，35（1）：17—22.

[8]? ? 宋英桃，侯永改，李文鳳，等. 鎳磷對陶瓷-金屬結合劑性能與結構的影響[J]. 人工晶體學報，2019，48（11）：2130—2134.

SONG Y T，HOU Y G，LI W F，et al. Effect of Ni-P on properties and structure of ceramic-metal bond[J]. Journal of Synthetic Crystals，2019，48（11）：2130-2134. （In Chinese）

[9]? ? OZTURK S. Grinding of flat glass with Fe- and Cu-based diamond tools[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2018，232（9）：1561—1568.

[10]? 于奇，馬佳，龍偉民，等. 銅磷預合金粉在金剛石工具中的應用[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2018，38（4）：36—40.

YU Q，MA J，LONG W M，et al. Application of Cu-P pre-alloyed powder in the carcass of diamond tools[J]. Diamond & Abrasives Engineering，2018，38（4）：36—40. （In Chinese）

[11]? 鄒文俊，陳倩，彭進，等. 磷對銅基金剛石工具胎體性能的影響[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2014，34（1）：39—42.

ZOU W J，CHEN Q，PENG J，et al. Influence of phosphorus on copper-based matrix of diamond tool[J]. Diamond & Abrasives Engineering，2014，34（1）：39—42. （In Chinese）

[12]? LU J B，QI W C，ZHANG W X，et al. Effect of Cu-P-Sn on brazing diamond with Ni-based filler alloy[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，90（1/2/3/4）：649—656.

[13]? 張培磊，丁敏，姚舜，等. 兩種銅磷釬料對紫銅釬焊的焊接性能和焊縫組織對比[J]. 機械工程材料，2009，33（2）：82—85.

ZHANG P L，DING M，YAO S，et al. Weldability and microstructure of copper joints welded by two kinds of phosphor-copper brazing filler metal[J]. Materials for Mechanical Engineering，2009，33（2）：82—85. （In Chinese）

[14]? ZHOU R C，LIU X P，WAN L，et al. Influence of TiO2 amount on the interfacial wettability and relevant properties of vitrified bond CBN composites[J]. Journal of the European Ceramic Society，2021，41（1）：300—309.

[15]? 方姣，劉琛仄，劉軍，等. 粉末冶金高溫合金差熱曲線的相變溫度分析方法[J]. 中國有色金屬學報，2015，25（12）：3352—3360.

FANG J，LIU C Z，LIU J，et al. Analysis methods of phase transformation temperature on differential thermal analysis curves of powder metallurgy superalloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，25（12）：3352—3360. （In Chinese）

[16]? 王磊. Cu-P基非晶釬料性能及釬焊機理的研究[D]. 鎮江：江蘇科技大學，2010：7—9.

WANG L. Study on properties and brazing mechanism of Cu-P based amorphous solder[D]. Zhenjiang：Jiangsu University of Science and Technology，2010：7—9. （In Chinese）

[17]? CHEN S P，LIU X P，WAN L，et al. Effect of V2O5 addition on the wettability of vitrified bond to diamond abrasive and grinding performance of diamond wheels[J]. Diamond and Related Materials，2020，102：107672.