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摘要: 为了研究钛对铝基结合剂金刚石节块把持力的影响，在铝基结合剂中添加不同质量分数的钛，用热压法烧结得到不含和含金刚石的铝基结合剂节块，测试添加不同质量分数钛时，金刚石节块的抗弯强度，计算铝基结合剂对金刚石的把持力系数，并用扫描电子显微镜和能谱分析仪对铝基结合剂金刚石节块的断口微观形貌和成分进行分析。结果表明：随着钛质量分数的增加，不含和含金刚石的铝基结合剂节块的抗弯强度和把持力系数有相同的变化趋势，都是先增大再减小。在添加质量分数3%钛时，铝基结合剂金刚石节块的抗弯强度最大，其值为145 MPa，相应的把持力系数为82.5%，此时铝基结合剂与金刚石间结合最好。Abstract: To study the effect of Ti on the holding force of Al-based bonded diamond bits, Ti powders in different mass fractions were added in the Al-based bonded, the Al-based bonded bits without and with diamond were fabricated by hot pressing method. The flexural strength of bits with different Ti contents by mass were tested, and the holding force coefficient between Al-based bonded and diamond were calculated. Moreover, the fracture surface morphology and composition of the Al-based bonded diamond bits were characterized by scanning electron microscope and energy dispersive X-ray micro-analyzer. The results show that, with the increasing of Ti content by mass, the flexural strength and holding force coefficient of the bits are enhanced firstly and then decreased. When the adding content of Ti powder is 3% by mass, the maximum values of flexural strength and holding force coefficient are 145 MPa and 82.5 %, respectively; furthermore, the combining state between Al-based bonded and diamond is the best.
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Keywords:
- Al-based bonded /
- Ti /
- diamond bits /
- holding force
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金属结合剂金刚石磨具因具有成型性能好、结合强度高、使用寿命长的优点，能够满足高速磨削和超精密磨削的技术要求，成为材料磨削的重要加工工具。近年来，随着超精密和高速磨削技术的迅速发展，各个行业对金刚石工具的需求越来越大，对金刚石工具提出了更为严格的要求，广大研究者也一直都在探索怎样才能提升金刚石磨具的磨削性能，也就是提高金属结合剂对金刚石的把持力。由于金刚石属于立方晶体结构，每个原子与相邻的4个原子呈正四面体排列且化学键均属于共价键，普通的金属结合剂与金刚石之间要想形成化学结合是不太可能的，因而导致金属结合剂对金刚石的把持不够牢固，既影响磨削加工效率，又影响磨具的使用寿命。研究发现：在金属结合剂中加入强碳化物形成元素[1-3]、稀土元素[4-5]，在金刚石表面镀覆金属镀层[6-10]或用预合金粉来代替单质粉[11-13]都能提高金属结合剂对金刚石的把持力。在金属结合剂中，广泛应用的是铁基和铜基，铝基结合剂金刚石工具比较少见，研究也正处于起步阶段。铝基合金作为结合剂也有它自身的优点，比如，铝对金刚石有很好的润湿性、铝基结合剂烧成温度低等。用铝基结合剂做成的金刚石磨轮与树脂基磨轮生产成本基本相当，但使用寿命比树脂金刚石磨轮提高2倍以上[14]。在铝基结合剂中加入Ti和Cr，同样能提高铝基结合剂的力学性能[3-7]。
本文以Al–Cu–Fe–Sn–Ni为基体，加入质量分数为1%、3%、5%、7%和10%的Ti，然后再加入金刚石，用热压烧结法得到不含和含金刚石的铝基结合剂节块，测试了添加不同质量分数Ti的铝基结合剂节块抗弯强度，计算了铝基结合剂胎体对金刚石的把持力系数，并用扫描电镜和能谱分析仪对铝基结合剂金刚石节块的断口形貌和成分进行了分析。
1. 实验材料及方法
1.1 实验材料
铝基结合剂的组分为Al–Cu–Fe–Sn–Ni，它们均以单质金属粉末形状加入，纯度均≥99.7%，平均粒度皆约为75 μm。Ti作为微量添加元素来改善铝基结合剂的性能，添加质量分数为1%、3%、5%、7%和10%。实验选用的金刚石为SCD30系列40/50，加入的体积分数为40%。
1.2 铝基结合剂金刚石节块的烧结
按配方用天平称取铝基结合剂中的各种组分，按照固定的比例将金刚石与金属结合剂粉末充分混合2 h。混好料后，将混合料取出并置于真空干燥箱中干燥，再过筛，然后装入高纯石墨模具中，在RYJ-2000K型真空烧结机上进行热压烧结，烧结压力为3 MPa，温度为480 ℃，保温时间为3 min。
1.3 性能测试与表征
不含和含金刚石的铝基结合剂节块的抗弯强度测试在INSTRON-5569型万能材料试验机上完成，根据抗弯强度的结果来计算铝基结合剂基体对金刚石的把持力系数；测试后保护好断裂试样的断面，然后用扫描电子显微镜（scanning electronmicroscope，SEM）观察其断面形貌，用扫描电子显微镜附带的能谱分析仪（energy dispersive X-raymicro-analyzer，EDX）来测试断面的成分。洛氏硬度测试在HR-150型洛氏硬度计上完成。
2. 结果与讨论
2.1 Ti含量对基体和金刚石节块抗弯强度的影响
添加不同质量分数Ti的铝基结合剂节块抗弯强度如图 1所示。从图 1中可以看出，在添加不同质量分数Ti条件下，不含和含金刚石的铝基结合剂节块抗弯强度有相同的变化趋势，都是先增加，在Ti质量分数为3%时达到最大值，然后再减小。不添加金刚石时，铝基结合剂基体的抗弯强度从98 MPa（Ti质量分数为0）增加到145 MPa（Ti质量分数为3%），然后再减小到103 MPa（Ti质量分数为10%）。加入金刚石后，与基体节块相比，金刚石节块的抗弯强度下降。铝作为韧性材料，而金刚石是脆性材料，加入金刚石后，在受到外部的压应力后，会导致结合剂受力不集中，裂纹会在金刚石和结合剂表面裂开而导致抗弯强度下降。铝基结合剂金刚石节块的抗弯强度从74 MPa（Ti质量分数为0）增加到120 MPa（Ti质量分数为3%），然后再减小到77 MPa（Ti质量分数为10%）。此外，还可以看出，在所加的Ti含量范围内，加入了Ti的样品的抗弯强度值都高于未加的。
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图 1 Ti含量对铝基结合剂节块抗弯强度的影响Figure 1. Effect of Ti content by mass on the flexural strength of Al-based bonded bits2.2 Ti含量对基体和金刚石间把持力的影响
金属基体对金刚石的把持力可以用把持力系数（F）来衡量，把持力系数的结果可以根据节块添加金刚石前后节块抗弯强度的值来计算[15]，如式（1）和式（2）所示。
$$ q = \frac{{{\delta _{\rm{B}}} - {\delta _{\rm{D}}}}}{{{\delta _{\rm{B}}}}} \times {\rm{100\% }} $$ (1) $$ F = {\rm{100\% }} - q $$ (2) 式中：σB为不含金刚石时结合剂胎体的抗弯强度，MPa；σD为含金刚石时金属结合剂节块的抗弯强度，MPa；q为胎体中加入金刚石后抗弯强度下降的相对百分数，该值越小，F值越大，表明胎体对金刚石的把持越牢固。
添加不同质量分数Ti对铝基结合剂和金刚石把持力系数的影响如图 2所示。从图 2中可以看出，随着Ti的加入，把持力系数的变化趋势与抗弯强度的变化相同，都是先增加再减小，在Ti质量分数为3%时，达到最大值。具体的数据为：把持力系数从73.9%（Ti质量分数为0）增加到82.5%（Ti质量分数为3%），然后再减小到74.2%（Ti质量分数为10%）。
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图 2 Ti含量对铝基结合剂与金刚石把持力系数的影响Figure 2. Effect of Ti content by mass on holding force coefficient between Al-based bonded and diamond2.3 Ti含量对基体和金刚石节块硬度的影响
添加不同质量分数Ti对铝基结合剂金刚石节块硬度的影响如图 3所示。从图 3中可以看出：在不同Ti含量下，不含和含金刚石的铝基结合剂节块抗弯强度有相同的变化趋势：随着Ti质量分数的增加，铝基结合剂节块的洛氏硬度（HRB）呈现逐渐增大的变化趋势，当Ti质量分数大于5%时，硬度几乎不增大了。此外，还可以看出，在所加的Ti含量范围内，金刚石的加入使节块的硬度降低。Ti的加入使铝基结合剂的硬度提高的原因主要是因为Ti的离子电荷较多，而且从核间距越短，对结合剂的相对密度和硬度都有提高的作用[2]。
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图 3 添加不同质量分数Ti对铝基结合剂金刚石节块硬度的影响Figure 3. Effect of Ti content by mass on the hardness of Al-based bonded bits2.4 铝基结合剂与金刚石间的界面结合分析
图 4（a）、（b）、（c）和（d）分别给出了添加质量分数为0、1%、3%和5%Ti的铝基结合剂金刚石节块的断口形貌。当Ti的质量分数为0时，金刚石的表面比较光滑平整，金刚石只是镶嵌在金属基体内，金属结合剂和金刚石的表面结合程度比较低，金刚石与基体之间的结合只是机械镶嵌，此时基体对金刚石的把持力很低。当Ti的质量分数为1%时，金刚石的表面略微有点粗糙有点被侵蚀的状态，金属基体与金刚石界面的结合状态比不加Ti的要好，结合状态有所提高；当Ti的质量分数为3%时，金刚石表面被包裹的状态非常好，金刚石和金属基体界面明显黏有结合剂，表面非常粗糙且被侵蚀的程度比较大，此时结合程度也是最好的；当Ti的质量分数为5%时，金刚石表面被包裹的状态也比较好，金刚石与金属基体界面黏有结合剂，结合程度非常好。所以，Ti的质量分数为3%时，不含和含金刚石的铝基结合剂节块的抗弯强度最高。此外，从扫描电子显微照片中，还可以看出，Ti的加入可以防止裂纹粗化，强度提高[2]。
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图 4 添加不同质量分数Ti的铝基结合剂金刚石节块的断口形貌：（a）0；（b）1%；（c）3%；（d）5%Figure 4. Fracture morphology of Al-based bonded diamond bits with different Ti contents by mass: (a) 0; (b) 1%; (c) 3%; (d) 5%图 5为不加Ti和添加质量分数3%Ti的铝基结合剂金刚石断面界面的线扫描能谱分析结果。图 5中上图表示扫描线上的元素分布，线上的每个点代表这个点上元素能量的多少，下图表示在扫面电子显微照片中线扫描的位置。当添加0%Ti时，从能谱分析结果分析可以看出，金刚石的表面基本上只有C元素，基体中基本上是铝基结合剂中的元素；当添加质量分数3%Ti时，因为Ti质量分数较低，所以在能谱分析中没有出现，但在金刚石表面有较多的Al元素，也有少量的铝基结合剂中的其他元素。组织形貌观察和能谱分析表明，在添加质量分数3%的钛以后，铝基结合剂中的元素与金刚石界面上相互渗透，金刚石与铝基体结合程度更好，把持力增强。
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图 5 添加不同质量分数Ti的铝基结合剂金刚石节块断口能谱分析：（a）0% Ti；（b）3% TiFigure 5. EDX analysis of fracture interface in Al-based bonded diamond bits with different Ti contents by mass: (a) 0% Ti; (b) 3% Ti3. 结论
在Al–Cu–Fe–Sn–Ni合金中加入Ti对铝基结合剂金刚石的把持力有很大的影响，随Ti质量分数的增加，Al–Cu–Fe–Sn–Ni合金的不含和含金刚石的铝基结合剂节块的抗弯强度和把持力系数有相同的变化趋势为先增大再减小，当Ti质量分数为3%时，抗弯强度和把持力系数达到最大值，分别为145 MPa和82.5%，把持力提高的原因是由于Ti质量分数为3%时，金刚石与铝基结合剂的结合最好。
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图 1 Ti含量对铝基结合剂节块抗弯强度的影响
Figure 1. Effect of Ti content by mass on the flexural strength of Al-based bonded bits
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图 2 Ti含量对铝基结合剂与金刚石把持力系数的影响
Figure 2. Effect of Ti content by mass on holding force coefficient between Al-based bonded and diamond
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图 3 添加不同质量分数Ti对铝基结合剂金刚石节块硬度的影响
Figure 3. Effect of Ti content by mass on the hardness of Al-based bonded bits
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图 4 添加不同质量分数Ti的铝基结合剂金刚石节块的断口形貌：（a）0；（b）1%；（c）3%；（d）5%
Figure 4. Fracture morphology of Al-based bonded diamond bits with different Ti contents by mass: (a) 0; (b) 1%; (c) 3%; (d) 5%
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