預合金粉與單質混合粉銅鋅燒結體組織與性能研究

翟德銘，劉曉燕

(濮陽石油化工職業技術學院，河南 濮陽 457001)

0 引言

金剛石鋸片具有優良的切割性能和抗磨損性能，在玻璃、石材等行業應用廣泛[1]。金剛石鋸片由刀頭和鋼基體組成，其中刀頭是影響鋸片鋸切性能的關鍵因素[2]。金剛石刀頭由起切削作用的金剛石、起支撐作用的骨架材料和起粘結金剛石與骨架材料作用的粘結劑組成。粘結劑粘結作用的好壞對金剛石刀頭切削性能的優劣影響重大，銅鋅粘結劑是金剛石工具中常用的粘結劑。銅鋅粘結劑可以以預合金粉和單質混合粉兩種方式加入。

由文獻[3-4]可知，在性能方面，大部分預合金粉要優于單質混合粉，Cu-Zn是銅基預合金粉的重要體系之一[5]。本文以銅鋅預合金粉和銅鋅單質機械混合粉熱壓燒結的燒結體為研究對象，借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、萬能試驗機、硬度計等設備工具，研究相同工藝條件下兩種粉燒結體的顯微組織、硬度、抗彎強度等方面的差異，探究引起兩者性能差異的具體原因，為銅鋅預合金粉的推廣應用提供理論和技術上的依據。

1 燒結體的制備及組織與性能分析方法

按照銅元素與鋅元素質量比為ωCu∶ωZn=60∶40的比例用霧化法制取銅鋅預合金粉，然后對制得的預合金粉進行球磨和干燥，并篩分出直徑75 μm以下的預合金粉。用直徑75 μm以下的銅單質粉和鋅單質粉，按照ωCu∶ωZn=60∶40配制銅鋅單質混合粉，在JSS48A-2Z型三維混料機上混料3 h。銅鋅預合金粉與銅鋅單質混合粉的SEM照片如圖1所示，由圖1可知，銅鋅預合金粉呈不規則形狀，銅鋅單質混合粉中銅呈樹枝狀，鋅呈圓球狀。

(a)銅鋅預合金粉

把所制得的銅鋅預合金粉與單質混合粉在SMVB60型熱壓燒結機上進行熱壓燒結，燒結溫度分別為580℃、620℃、660℃、700℃，燒結壓力均為25 kN，保溫時間均為3 min，然后隨爐冷卻。熱壓石墨模具模腔尺寸為40 mm×8 mm×3.5 mm。

利用JSM-7500F型掃描電子顯微鏡觀察燒結體組織，借助能譜儀分析其組織成份；運用Bruker D8 FOCUS 型X射線衍射儀分析燒結體的物相組成；通過HR-150A型洛氏硬度計測量燒結體的硬度；利用C45.105型萬能實驗機測燒結體抗彎強度；采用排水法測量燒結體致密度。

2 實驗結果與分析

分別對預合金粉和單質混合粉熱壓燒結所得的燒結體進行顯微組織、物相和物理性能分析。

2.1 顯微組織分析

圖2為銅鋅預合金粉和銅鋅單質混合粉燒結體在700℃燒結后掃描電鏡圖，對圖2a、2b中的A、B、C、D、E、F點分別進行能譜分析，所得結果如表1、表2所示。

(a)銅鋅預合金粉

表1 銅鋅預合金粉燒結體EDS分析結果(wt.%)

表2 銅鋅單質混合粉燒結體EDS分析結果(wt.%)

由圖2a可以看出，銅鋅預合金粉燒結體呈灰色(A處)、淺灰色(B處)和黑色(C處)三種顏色，且灰色相居多；由圖2b可以看出銅鋅單質混合粉燒結體也出現灰色(F處)、淺灰色(D處)和黑色(E處)，淺灰色居多，圖3是黑色部位G處的放大圖，由圖3可以看出，單質混合粉燒結體中的黑色部位比較疏松，有金屬粉的存在，沒有燒結完全，沒有形成新的相，所以銅鋅單質混合粉燒結體中只存在淺灰色和灰色兩種相。同樣在700℃的條件下，銅鋅預合金粉燒結體的燒結過程已經基本完成，而銅鋅單質混合粉卻仍有部分金屬顆粒沒有完成燒結，說明單質混合粉比預合金粉燒結更難于完成。

圖3 銅鋅單質混合粉燒結體中黑色區域SEM照片

銅與鋅質量比ωCu∶ωZn=60∶40時，在580℃～700℃熱壓燒結生成以銅為基的固溶體α相和以電子化合物CuZn為基的固溶體β相[6]。根據表1和表2的能譜分析結果可推測A、F區域為α相，B、D區域處為β相，C處黑色部分則為在處理試樣時殘留在晶界處的拋光膏或砂紙上的微小沙粒，這也從側面反映出在700℃時，銅鋅預合金粉燒結體中鋅揮發嚴重，鋅的揮發導致燒結體內殘留大量微小孔洞，以至于在打磨和拋光試樣的過程中，細小的沙粒和拋光膏很容易進入燒結體中的微小孔洞內。

銅鋅預合金粉燒結體與銅鋅單質混合粉燒結體的X射線衍射分析結果如圖4所示。

(a)銅鋅預合金粉

對比銅鋅預合金粉與銅鋅單質混合粉燒結體的X射線衍射分析結果可知，銅鋅預合金粉燒結體中一共生成了ZnO、Cu21Zn19、CuZn、Cu5Zn8四種相，銅鋅單質混合粉燒結體中則生成ZnO、Cu21Zn19、Cu16Zn9、CuZn四種相。銅鋅預合金粉燒結體中特有的相是Cu5Zn8，銅鋅單質混合粉燒結體中特有的相是Cu16Zn9。

2.2 硬度分析

銅鋅預合金粉與銅鋅單質混合粉燒結體脫模后，用砂紙打磨光亮平整，之后測量洛氏硬度，銅鋅預合金粉燒結體與銅鋅單質混合粉燒結體洛氏硬度對比結果如圖5所示。

圖5 洛氏硬度對比

由圖5可知，銅鋅預合金粉燒結體隨著燒結溫度580℃升高到620℃的過程中，硬度基本維持恒定，而在620℃之后，其硬度出現明顯下降，這一方面是由于620℃之后鋅的揮發較為嚴重，并且隨著溫度的升高，揮發的越來越多，燒結體中的微小孔洞也越來越多，導致硬度下降；另一方面是因為隨著溫度的升高，晶粒變的越來越粗大，單位面積內的晶界越來越少，晶界對位錯的釘扎作用也就越來越小，因而其硬度下降。

銅鋅單質混合粉燒結體從580℃升高到700℃的過程中，其硬度仍然受到燒結完成程度和晶粒長大以及鋅的揮發三重影響。在620℃之前，燒結完成程度占主要因素，溫度越高燒結越充分，硬度也就高，但在620℃之后，晶粒長大以及鋅揮發對硬度的兩個不利影響因素占主導，硬度開始隨溫度的升高而下降。

2.3 抗彎強度分析

對銅鋅預合金粉燒結體與銅鋅單質混合粉燒結體分別進行抗彎強度的測試，測試結果如圖6所示

圖6 抗彎強度對比

由圖6可知，銅鋅預合金粉燒結體抗彎強度明顯高于銅鋅單質粉燒結體的抗彎強度，銅鋅預合金粉燒結體抗彎強度隨著溫度的升高先增大后減小，并且在660℃時達到最大，銅鋅預合金粉中的原子隨著溫度的升高，其擴散、流動等物質遷移能力提高，儲存在晶粒內的高能量也更容易釋放，達到熱力學上的自由能低的穩定狀態[7]，另一方面，隨著溫度的升高，生成的α相越來越多，α相具有很好的強度與塑性，所以導致抗彎強度隨溫度升高而升高。到660℃以后，隨著溫度的升高，晶粒變得越來越粗大，晶界的強化作用下降，同時α相中固溶在Cu中的Zn揮發的越來越多[8-9]，尺寸也發生了變化[10]，在晶界、位錯和間隙等處富集，Zn的分布越來越不均勻，固溶強化效果下降[11]，所以在660℃以后，銅鋅預合金粉的抗彎強度降低。對銅鋅單質混合粉燒結體而言，隨著燒結溫度的升高，自由能降低對其抗彎強度的有利影響和晶粒長大對抗彎強度的不利影響相互抵消，故隨著溫度的升高，其抗彎強度變化并不明顯。

2.4 致密度分析

根據阿基米德原理，利用排水法計算出所得燒結體的實際密度ρ實，實際密度與理論密度ρ理之比A即為燒結體的致密度，如式(1)所示。

A=ρ實/ρ理×100%

(1)

銅鋅預合金粉與單質混合粉燒結體致密度對比如圖7所示。

圖7 致密度對比

由圖7可知，銅鋅預合金粉燒結體的致密度明顯高于銅鋅單質混合粉燒結體的致密度。銅鋅預合金粉燒結體從580℃升高到620℃的過程中，致密度沒有明顯變化，但在620℃以后，隨著鋅揮發的增多，致密度呈下降趨勢。銅鋅單質混合粉燒結體從580℃升高到620℃的過程中，由于燒結變得更加充分，所以致密度提高，但在620℃后，銅鋅單質混合粉燒結體仍然出現鋅揮發嚴重現象，導致致密度下降。

3 結論

(1)銅鋅預合金粉在熱壓燒結過程中生成了ZnO、Cu21Zn19、CuZn、Cu5Zn8三種相，銅鋅單質混合粉生成了ZnO、Cu21Zn19、Cu16Zn9、CuZn四種相，熱壓燒結后，銅鋅預合金粉燒結體的組織比銅鋅單質混合粉燒結體的組織均勻致密，且燒結溫度更低。

(2)無論是銅鋅預合金粉燒結體還是銅鋅單質混合粉燒結體的硬度均先隨著溫度的升高而升高，然后隨著溫度的降低而降低，并在620℃時達到最大。銅鋅預合金粉燒結體抗彎強度先隨著溫度的升高而升高，在660℃時抗彎強度達到最大，之后隨著溫度的升高而降低，而銅鋅單質混合粉的抗彎強度受溫度的影響較小。

(3)銅鋅預合金粉燒結體無論是組織、硬度還是抗彎強度均明顯好于銅鋅單質混合粉燒結體，更適合用于金剛石工具的生產制造。