● 產(chan)品(pin)名稱：CuSn銅(tong)錫(xi)合(he)金粉

       ● 牌號：CuSn10

       ● 用途：主要用于金剛石工具、地(di)質鉆頭(tou)、機床導軌軟帶、密(mi)封件、摩(mo)擦材料等(deng)。

       1、引言

       為了解決金剛石砂輪磨粒把持強度不高，磨削過程容易過早脫落而導致砂輪整體失效的問題，日本學者Chattopadhyay等采用高溫釬焊技術開發出了新型超硬磨粒單層釬焊砂輪,其鋒利的表面形貌和優異的加工性能征服了磨削界，被業內專家稱為磨具行業一項具有革(ge)命意義的創(chuang)造發(fa)明(ming)。

       該技術主要是通過在釬料中添加Ti、Cr、Mo等活性金屬元素，利用釬焊過程中活性元素向金剛石表面擴散并在金剛石界面處生成碳化物而實現磨粒的化學冶金結合,大大提高了其把持強度和出刃高度,有效增大了金剛石的利用率和容屑空間。目前,國內南京航空航天大學的徐鴻鈞團隊、華僑大學的徐西鵬團隊、廣東工業大學的王成勇團隊等在金剛石釬焊工藝改進、釬焊性能及釬焊機理研究等方面開展了一系列卓有成效的工作。
       一般來說，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釬料粉末開展了金剛石/CBN磨粒的真空釬焊實驗，實驗結果表明銅基釬料中的活性Ti元素擇優向金剛石/CBN 界面處擴散，并生成TiC、TiN、TiB等化合物，這能有效實現磨粒的潤濕和有效釬焊；伍俏平等利用氣霧化Cu-10Sn-5Ti 釬料粉末開展了不同釬焊氣氛下金剛石的釬焊性能研究，實驗結果表明：在真空釬焊氣氛中，氣霧化銅基釬料對金剛石進行了充分潤濕和鋪展，實現了對金剛石的高強度把持，金剛石利用率高；肖冰等利用添加有Cr的Ag-Cu金屬箔片開展了金剛石的高頻感應釬焊實驗，實驗發現在一定的釬焊溫度和時間下，可實現金剛石與基體之間的較高強度把持。這兩類釬料比較而言，氣霧化粉末顆粒細小，為球形或近球形，具有較大的表面能和燒結活性，這有利于燒結致密化和縮短燒結時間。但氣霧化釬料粉末的制備成本較高，特別是細粒度活性釬料粉末市面上鮮有相關成品，通常需用企業或科研院所定制生產。而金屬箔片相對粉體釬料而言，在釬焊過程中的潤濕性有限，影響了金剛石的釬焊強度，目前在金剛石的釬焊工藝中采用的越來越少。
       綜(zong)合(he)考慮到(dao)釬(han)(han)(han)焊(han)性(xing)能和(he)(he)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben),本(ben)文(wen)利(li)(li)用(yong)機(ji)械(xie)球(qiu)磨(mo)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)藝將(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)Cu-Sn粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)與TiH粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)進行(xing)合(he)金(jin)(jin)(jin)化(hua)(hua)(hua)處理以制備(bei)出活性(xing)銅基釬(han)(han)(han)料(liao)(liao)。機(ji)械(xie)球(qiu)磨(mo)化(hua)(hua)(hua)是指金(jin)(jin)(jin)屬(shu)或(huo)合(he)金(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)在高能球(qiu)磨(mo)機(ji)中(zhong)通過粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)與磨(mo)球(qiu)之間長時間激烈碰撞(zhuang)、擠壓和(he)(he)沖擊，使(shi)得粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)顆粒產(chan)生(sheng)反復地的(de)斷(duan)裂、冷(leng)焊(han)和(he)(he)塑形(xing)(xing)變形(xing)(xing)，粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)組織結(jie)構不斷(duan)的(de)細化(hua)(hua)(hua)，并(bing)增大粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)顆粒中(zhong)的(de)原子(zi)擴散，從(cong)而(er)獲得合(he)金(jin)(jin)(jin)化(hua)(hua)(hua)粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)一種粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)制備(bei)技術。其(qi)對(dui)設備(bei)的(de)要求較低(di)，生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)不高，作(zuo)為制備(bei)新材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)一種重要工(gong)(gong)藝受(shou)到(dao)了(le)材(cai)(cai)料(liao)(liao)界的(de)關(guan)注和(he)(he)運用(yong)。本(ben)文(wen)利(li)(li)用(yong)機(ji)械(xie)球(qiu)磨(mo)法制備(bei)出銅基釬(han)(han)(han)料(liao)(liao)，并(bing)開(kai)展其(qi)與金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)真空釬(han)(han)(han)焊(han)實(shi)驗。利(li)(li)用(yong)掃描電子(zi)顯微(wei)鏡觀測了(le)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)真空釬(han)(han)(han)焊(han)后的(de)微(wei)觀形(xing)(xing)貌；利(li)(li)用(yong)X射線衍射儀分(fen)析了(le)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)釬(han)(han)(han)焊(han)界面碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物生(sheng)成(cheng)情(qing)況(kuang)；利(li)(li)用(yong)激光拉曼光譜檢(jian)測了(le)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)石(shi)墨化(hua)(hua)(hua)程度；利(li)(li)用(yong)排水法和(he)(he)掃描電子(zi)顯微(wei)鏡檢(jian)測了(le)釬(han)(han)(han)料(liao)(liao)層的(de)相對(dui)密度和(he)(he)組織形(xing)(xing)貌等，分(fen)析研(yan)究了(le)機(ji)械(xie)球(qiu)磨(mo)合(he)金(jin)(jin)(jin)化(hua)(hua)(hua)Cu-10Sn/TiH2，料(liao)(liao)粉(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)釬(han)(han)(han)焊(han)性(xing)能。

       2、實驗

       機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%，為北京浩運金能有限公司提供，如圖1b所示。實驗將Cu-10Sn粉末和TiH2，粉末按摩爾比1:1在行星式球磨機QM-3SP4中進行球磨，鋼球直徑為5 mm和 10 mm，球料比為20:1 ,轉速為200 轉/分鐘，球磨時間為12 h。機械球磨后對合金化粉末進行了檢測，如圖2為機械球磨合金化粉體形貌和能譜分析。從中可看到，通過機械球磨處理后，粉體被充分破碎，粒徑細小，粉體粒徑分布的均勻性也得以改善，但由于球磨過程中粉體表面能的增加，存在少量團聚現象。機械球磨合金化Cu-10Sn/TiH，料粉末真空釬焊金剛石實驗是(shi)在CSL-1300 管(guan)式真(zhen)空燒結(jie)爐中進行，釬焊(han)時(shi)爐內真(zhen)空度小于0.12 Pa。

       3、結果與討論

       3.1金剛石釬焊形貌及其碳化物生成情況

       實驗分析了(le)釬焊(han)溫度880~960 ℃范圍內機(ji)械球磨化Cu-0Sn/TiH,釬料(liao)粉末真空(kong)釬焊(han)金(jin)剛石的微(wei)觀(guan)形貌(mao)，掃描電子顯微(wei)鏡圖片如(ru)圖3所示。

       當釬(han)(han)(han)焊(han)溫度(du)為880 ℃時(shi)(shi)，Cu-10Sn/TiH2，球磨化粉末有少部分顆粒(li)(li)沒(mei)有完(wan)全(quan)融(rong)化，在金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)與釬(han)(han)(han)料界(jie)面(mian)處存(cun)在由于(yu)沒(mei)有燒(shao)結(jie)致(zhi)密(mi)引(yin)起(qi)的(de)微觀孔隙(xi)，如(ru)圖3a所(suo)示(shi)；當釬(han)(han)(han)焊(han)溫度(du)提高到920 ℃時(shi)(shi)，Cu-10Sn/TiH2，釬(han)(han)(han)料熔化鋪展充(chong)分，沿金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)顆粒(li)(li)表面(mian)蔓延爬升，并將金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)緊密(mi)包(bao)裹,且金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)與釬(han)(han)(han)料結(jie)合界(jie)面(mian)處燒(shao)結(jie)致(zhi)密(mi)，這(zhe)能有效增大金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)的(de)把(ba)持強度(du);釬(han)(han)(han)焊(han)過程(cheng)中金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)顆粒(li)(li)晶形完(wan)整，無明顯的(de)熱(re)刻(ke)(ke)蝕(shi)痕(hen)跡，如(ru)圖3c所(suo)示(shi)；但當釬(han)(han)(han)焊(han)溫度(du)為960 ℃時(shi)(shi)，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)表面(mian)出現了一定程(cheng)度(du)的(de)褶狀熱(re)刻(ke)(ke)蝕(shi)痕(hen)跡，如(ru)圖3d所(suo)示(shi)，這(zhe)會(hui)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)的(de)自身強度(du)及其切削性(xing)能產生(sheng)不利影(ying)響(xiang)。

       利用(yong)(yong)稀硫酸對機械球(qiu)磨合金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)化Cu-Sn/TiH2，粉末(mo)釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)試件(jian)進(jin)(jin)(jin)行選擇性(xing)(xing)腐蝕，銅基釬(han)(han)(han)(han)料(liao)被腐蝕去(qu)除，而金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)及其(qi)(qi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)碳(tan)(tan)化物(wu)難溶于(yu)酸得以(yi)保留(liu)，腐蝕后(hou)利用(yong)(yong)無水(shui)乙醇對釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)進(jin)(jin)(jin)行超(chao)聲波清洗，干燥后(hou)利用(yong)(yong)掃描電子顯(xian)微鏡(jing)對其(qi)(qi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)碳(tan)(tan)化物(wu)生成情(qing)況(kuang)進(jin)(jin)(jin)行觀測分析。圖4為(wei)不同釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)下金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)碳(tan)(tan)化物(wu)生成情(qing)況(kuang)。從中(zhong)可看出,當釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)為(wei)880 ℃時(shi)(shi)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)生成了一層(ceng)較薄且(qie)不連續(xu)的(de)(de)碳(tan)(tan)化物(wu)層(ceng)，如(ru)圖4a所(suo)示。這是由于(yu)當釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)較低時(shi)(shi)，活性(xing)(xing)元素Ti的(de)(de)擴散有(you)限(xian)，其(qi)(qi)在金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)界面(mian)(mian)處的(de)(de)富集、生成TiC層(ceng)較薄且(qie)不充分。當釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)為(wei)920 ℃時(shi)(shi)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)生成了一層(ceng)連續(xu)且(qie)致(zhi)密(mi)的(de)(de)TiC層(ceng)，如(ru)圖4c所(suo)示。這層(ceng)碳(tan)(tan)化物(wu)層(ceng)可有(you)效促進(jin)(jin)(jin)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)化學冶金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)結合，大大提高其(qi)(qi)把持強度(du)(du)(du)。當釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)為(wei)960 ℃時(shi)(shi)，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)碳(tan)(tan)化物(wu)增長幅(fu)度(du)(du)(du)有(you)限(xian)，且(qie)生成的(de)(de)脆性(xing)(xing)碳(tan)(tan)化物(wu)過多時(shi)(shi)，會引起金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)與釬(han)(han)(han)(han)料(liao)界面(mian)(mian)處的(de)(de)脆性(xing)(xing)斷(duan)裂，反而影響其(qi)(qi)釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)性(xing)(xing)能。因此，機械球(qiu)磨合金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)化Cu-10Sn/TiH2，釬(han)(han)(han)(han)料(liao)真空釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)釬(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)溫度(du)(du)(du)應選920 ℃為(wei)宜(yi)。

       3.2釬焊試件相對密度及組織形貌分析

       實驗利(li)用(yong)(yong)排(pai)水法分析(xi)了(le)釬(han)焊(han)(han)(han)溫度(du)(du)為920℃，不同釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)(4 min，8 min，12 min，16 min)下(xia)，機械球磨(mo)化(hua)Cu-10Sn/TiH2，釬(han)料粉末真空釬(han)焊(han)(han)(han)金剛石(shi)釬(han)焊(han)(han)(han)件相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)。圖(tu)5為釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)與釬(han)焊(han)(han)(han)件相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)之間(jian)(jian)的關系曲線圖(tu)。從圖(tu)中可看(kan)出，當(dang)釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)為4 min 時(shi)(shi)(shi)，釬(han)焊(han)(han)(han)件殘留(liu)孔隙(xi)較多(duo)，致密(mi)性有限，相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)僅(jin)為87.7%；隨著釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)的延(yan)長，元(yuan)素之間(jian)(jian)的擴散增(zeng)(zeng)強，液相量增(zeng)(zeng)多(duo)，在毛細(xi)管(guan)力的作用(yong)(yong)下(xia)，釬(han)焊(han)(han)(han)件的相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)逐漸(jian)增(zeng)(zeng)大(da)(da),當(dang)釬(han)焊(han)(han)(han)溫度(du)(du)為8 min，12 min時(shi)(shi)(shi)，相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)已(yi)分別達(da)到(dao)了(le)96.9%和(he)97.6%；但(dan)當(dang)進(jin)一步增(zeng)(zeng)大(da)(da)釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)時(shi)(shi)(shi)，相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)長幅度(du)(du)不大(da)(da)(釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)16 min的相對(dui)(dui)(dui)(dui)密(mi)度(du)(du)為98.0% )，這表明當(dang)繼續延(yan)長釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)，燒結密(mi)度(du)(du)的上升空間(jian)(jian)已(yi)經很小，對(dui)(dui)(dui)(dui)提高致密(mi)化(hua)的意(yi)義(yi)不大(da)(da)，且由于釬(han)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)過長，會對(dui)(dui)(dui)(dui)金剛石(shi)的熱損(sun)傷和(he)石(shi)墨化(hua)產生不利(li)影響。

       同時，利用掃描電子顯微鏡觀測了釬料層的組織形貌，如圖6所示。從中可看出，當釬焊時間為4 min時，釬料層存在不少的微觀孔洞，致密化有限,如圖6a所示；當釬焊時間為12 min 時，釬料層孔隙不斷減少，只存在少許的微細孔洞，致密化大大提高，如圖6c所示；但當釬焊時間進一步增大到16 min時，孔隙量的減少已不明顯，并存在晶粒增大的趨勢，這勢必影響其相關力學性能。因此，機械球磨化Cu-10Sn/TiH2釬料理想的釬焊時間為12 min。

       3.3金剛石的熱損傷及磨損形態分析

       實驗采用IabRAM-910激光拉(la)曼光譜儀分析了釬(han)焊溫(wen)(wen)度為(wei)920 ℃,釬(han)焊時間為(wei)12 min的(de)(de)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)熱損傷情(qing)況，實驗結果如(ru)圖(tu)7所(suo)示。其中(zhong)，在1331.13 cm-1處對應的(de)(de)Raman峰為(wei)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)特(te)征(zheng)峰，在1585.05 cm-1處對應的(de)(de)Raman峰為(wei)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)特(te)征(zheng)峰。從圖(tu)7可見，金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化程度非常(chang)小，這主要由于(yu)在真空(kong)氣氛中(zhong)，金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化轉(zhuan)變溫(wen)(wen)度較(jiao)高；且釬(han)焊過程中(zhong)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)處于(yu)高溫(wen)(wen)下的(de)(de)時間較(jiao)短(duan)，金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)熱損傷很小，金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)仍保有良好的(de)(de)自身強(qiang)度和切削(xue)性能。

       進一步利用摩(mo)擦磨(mo)損實驗(yan)考察了(le)機(ji)械(xie)球磨(mo)合金(jin)化Cu-10Sn/TiH2，釬料真空(kong)釬焊金(jin)剛石(shi)在切削過程中的主(zhu)要破損形式，如圖8所示。

       金剛石在切削過程中主要經歷了小塊破碎、大塊破碎以及磨平等正常磨損階段。這也很好論證了該機械球磨化銅基釬料能有效實現對金剛石的有效潤濕和高強度把持。但當金剛石磨損嚴重失去切削能力后，出現了少數金剛石磨粒脫落的情況，如圖9所示。但由于此時金剛石已磨損嚴重失去切削能力，其脫落不會對磨具的整體切削性能產生不利影響，且磨損嚴重的金剛石的及時脫落還會對砂輪磨粒的自銳性和保持良好的切削性能是有利的。

       4、結論

       (1)利(li)用(yong)機械球(qiu)磨(mo)化(hua)將低成本的(de)CuSn粉(fen)末與(yu)TiH2粉(fen)末進行了(le)合金化(hua)處(chu)理，制備出了(le)粒徑細小、元素分布均勻的(de)活性銅基釬(han)料以用(yong)于(yu)金剛石(shi)的(de)釬(han)焊工(gong)藝。

       (2)當釬焊溫(wen)度(du)(du)為920℃，保溫(wen)時間(jian)為12 min時，機械合金化Cu-Sn/TiH2，釬料(liao)釬焊的金剛石把持強度(du)(du)高，相對密度(du)(du)可達到97.6%，且金剛石熱損傷很(hen)小，具有良好(hao)切(qie)削性能。

       (3)釬焊后的金(jin)剛石(shi)(shi)切削過(guo)程中主要存在小塊破碎、大塊破碎、磨平等正常磨損形式(shi)，很少(shao)出現整顆金(jin)剛石(shi)(shi)過(guo)早脫(tuo)落的情況，金(jin)剛石(shi)(shi)利用率高。