近年来，随着材料科学的快速发展，磨料磨具也得到了迅速发展，并广泛应用于机床、汽车制造、航空航天工业等领域。同时对磨具的加工精度和效率也提出了更高的要求^[1]。金属结合剂具有强度高、耐磨性好、耐温导热性能好、使用寿命长和形状保持性好等优点^[2−3]，可以满足于各种形状复杂产品的需求，因此在磨削加工工具中有着很广泛的应用。但是金属结合剂自锐性差、气孔率低、易堵塞、修整困难，容易对产品造成烧伤，限制了磨削加工效率的提高^[4−5]。研究发现，含Al的金属间化合物^[6−7]多孔材料^[8−10]可以应用于金属结合剂上，而且合金元素Cr^[11]对金属结合剂的微观结构和力学性能有一定影响。因此，在这种背景下，通过添加一定量的Cr，改善金属结合剂的性能和微观结构，从而解决其不足之处。

目前，已有一些学者对多孔金属结合剂的性能进行了研究。NiAl金属间化合物^[12−14]由于其典型的晶体结构（体心立方晶格），同时具有金属材料的韧性和陶瓷材料的耐高温特性，在宏观上表现为硬脆性，所以反应后的NiAl可以作为耐磨材料应用于多孔金属结合剂磨具上^[15]。梁述举^[16]以Kirkendall效应、粉末颗粒间隙及反应造孔三种造孔机制，通过放电等离子定容烧结出气孔率可控的Fe−Al、Ni−Al、Ti−Al多孔金属结合剂。结果表明：当气孔率相同时，等摩尔比FeAl的抗折强度要比NiAl和TiAl高，而样品的气孔率和孔径大小是影响抗折强度的关键因素。余诺婷等^[17]研究了Cr含量对陶瓷结合剂及其抗弯强度的影响，结果表明：随着Cr含量增加，结合剂的相对密度和抗折强度呈现先增大后减小的规律。当Cr质量分数为30%时，样品的抗弯强度达到最优。同时，加入Cr可以在其表面形成CrO，更好得与陶瓷界面结合。谢育波等^[18]以陶瓷金属复合结合剂为基体，在其基础上引入碳化物形成元素Cr，探究了金刚石与结合剂之间的界面结合状况，以提高金属部分对金刚石的粘结性。结果表明：当Cr质量分数为4%时，样品的抗折强度达到了最大值182 MPa。说明适当的添加量可以改善样品的力学性能，还有助于提高复合结合剂中的金属部分对金刚石的结合强度。

本实验以Ni、Al金属粉末的混合粉末作为原料，添加摩尔分数0～15%的Cr粉，利用真空热压烧结法制备镍铝基多孔金属结合剂，研究了Cr添加量和烧结温度对镍铝基金属结合剂物相组成和力学性能的影响，并探讨了其对镍铝基金属结合剂微观结构的影响规律。

1.   实验材料及方法

1.1   主要原料及设备

原料粉末为镍粉（300目，99.9%，北京有色金属研究总院）、铝粉（300目，99.9%，上海三联粉末冶金有限公司）、铬粉（300目，99.9%，北京有色金属研究总院）。

实验主要设备和仪器包括真空热压烧结炉（RYZ-2000Z，郑州磨料磨具磨削研究所有限公司）、X射线晶体衍射仪（D8 Advance，德国Bruker AXS公司，X-ray diffraction，XRD）、热重分析仪（STA409C，德国Netzsch公司，differential scanning calorimeter，DSC）、万能材料试验机（WDW-50，济南永科试验仪器有限公司）、洛氏硬度计（HR-150，莱州市蔚仪试验器械有限公司）、电子密度测试仪（ET-320，北京仪特诺电子科技有限公司）、金相显微镜（Axioskop-40，德国蔡司公司）和扫描电子显微镜（Inspect F50，德国FEI公司，scanning electron microscope，SEM）。

1.2   样品制备及测试

将Ni粉和Al粉末按摩尔比1:1在混料机中混合均匀，添加摩尔分数0%、3%、6%、9%、12%、15%的Cr粉并混合。然后将混合好的金属粉末投入石墨模具中，投料时用刮板将金属粉末逐层铺平，直至将金属粉末投完。烧结温度为700、800、900 ℃，烧结压力为3 MPa，保温时间为5 min，样品尺寸为30 mm×6 mm×6 mm。

在氩气气氛、升温速率10 ℃/min条件下进行混合金属粉末的差示扫描量热分析。对样品物相组成进行X射线衍射分析，扫描范围为20°～90°，扫描速度为10°/min。按照GB/T 9341-2008，采用三点弯曲法测试样品抗折强度，样品尺寸为30 mm×6 mm×6 mm，跨度为20 mm，试验速度为1 mm/min，测试五组样品取平均值。测试洛氏硬度五次，取平均值，样品尺寸为30 mm×6 mm×6 mm。利用阿基米德排水法原理测样品气孔率，样品尺寸为30 mm×6 mm×6 mm，测试五组样品取平均值。

用金相显微镜观察样品的孔洞形貌特征，先选用W28（400目）砂纸消除样品表面粘附的石墨，再依次用W20（500目）、W14（600目）、W10（800目）、W7（1000目）、W5（1200目）砂纸对样品处理，然后在抛光机上加入适量的抛光液进行抛光，最后用浸蚀剂对样品进行浸蚀。基于金相图片，采用图像定量分析软件Image-J分析样品的孔径分布。

2.   结果与讨论

2.1   热性能分析

镍铝基金属结合剂（Ni:Al=1:1体系，摩尔比）差示扫描量热曲线如图1所示。由图可知，曲线存在一个放热峰和一个吸热峰，在663 ℃时，明显出现了一个吸热峰，此时达到Al的熔融温度，金属Al由固体变为熔体；在707 ℃时，出现了一个放热峰，对应着Ni−Al开始反应的温度。所以可以认为Ni−Al之间的反应起始于Al的熔融，当体系温度高于Al熔点（660 ℃）时，Al以液相扩散，随后Ni扩散到液相Al中，Al和Ni反应形成NiAl后放出大量的热。结合差示扫描量热曲线，试验温度选取700、800、900 ℃三个温度点。

图  1  镍铝基金属结合剂差示扫描量热分析

Figure  1.  DSC of the nickel aluminum metal bond

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2.2   不同烧结温度的结合剂物相分析

图2是烧结温度为700、800、900 ℃条件下，等摩尔比Ni−Al反应产物的X射线衍射图谱。由图可知，当烧结温度为700 ℃时，反应产物中出现了Ni₂Al₃、NiAl和Ni₃Al三种组分的衍射峰，未发现未反应的Al相和Ni相，说明Al和Ni已经完全参加反应。当烧结温度继续升高到800 ℃时，NiAl相的衍射峰强度增加，而Ni₂Al₃和Ni₃Al的衍射峰强度逐渐减弱，说明随着烧结温度的升高，Ni₂Al₃和Ni₃Al含量在逐渐减少，体系中放热反应逐渐完成，这与初始等摩尔比的原料配比吻合。经过900 ℃烧结后，Ni₃Al的衍射峰已经完全消失，而Ni₂Al₃的衍射峰几乎完全消失，得到了较为单一的NiAl相，说明Ni−Al反应在该烧结温度下趋于完全。综上所述，Ni−Al反应过程中可能发生了如式（1）～式（4）反应。

图  2  不同烧结温度下等摩尔比NiAl产物X射线衍射图谱

Figure  2.  XRD patterns of the NiAl products with equal molar ratios at different sintering temperatures

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对于Ni:Al=1:1体系，在相同烧结温度下，NiAl的吉布斯自由能是NiAl、Ni₂Al₃、Ni₃Al中最小的，根据热力学分析，NiAl是最容易形成的。再从不同烧结温度下NiAl产物的物相分析可知，随着烧结温度的升高，固相扩散速率和液相含量大量增加，在高温固相扩散和液相流动两者共同作用下，原子的扩散速率增加，使得反应更加充分。此时Al以液相扩散，Ni扩散到液相Al中，形成了中间相Ni₂Al₃，直至Al消失，中间相Ni₂Al₃以液相进一步与剩余的Ni反应，最终生成NiAl相。

2.3   Cr摩尔分数对结合剂物相的影响

图3是烧结温度为800 ℃时，添加不同摩尔分数Cr粉末的反应产物X射线衍射图谱。从图中可以看出，反应产物主要为NiAl相，同时还存在AlCr₂和Ni₃Al两种组分的衍射峰。说明在等摩尔比的条件反应下最终产物大多数为NiAl，而添加一定含量的Cr会在NiAl中发生固溶，从而存在一定量的AlCr₂相。

图  3  添加不同摩尔分数Cr粉的反应产物X射线衍射图谱

Figure  3.  XRD patterns of the reaction products doped by Cr powders in different molar fraction

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2.4   烧结温度对样品抗折强度和硬度的影响

图4是不同烧结温度对镍铝基金属结合剂抗折强度的影响，由图可知，在3个不同烧结温度下，保温时间均为5 min时，抗折强度随着烧结温度的升高而逐渐增加。当烧结温度为700 ℃时，平均抗折强度达到了110 MPa；在900 ℃烧结温度下，抗折强度达到了最高148 MPa，比烧结温度为700 ℃时的多孔结合剂抗折强度提高了34.5%。在烧结过程中，随着烧结温度的升高，液相量增多，扩散系数增大，促进了物质的迁移流动和颗粒塑性的提高。这些都可以使颗粒间接触增加，原子活性提高，促进了金属粉末的合金化，从而有利于粉末的烧结。此外，反应烧结温度高于金属Al的熔点，熔化后的Al呈液相，液相Al在毛细血管的作用下，填充到金属粉末的孔隙中，包裹着固相Ni粉末；升高温度能降低液相和固相之间的润湿角，提高了烧结速率和固相金属颗粒的溶解，有利于固相骨架的形成和烧结相对密度的提高。

图  4  烧结温度对金属结合剂抗折强度的影响

Figure  4.  Effect of sintering temperature on the flexural strength of metal bond

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图5是不同烧结温度对镍铝基金属结合剂硬度的影响，由图可知，在3个不同烧结温度下，保温时间均为5 min时，硬度随着烧结温度的升高而逐渐增加。当烧结温度为700 ℃时平均硬度达到了HRB 95；在900 ℃烧结温度下，硬度达到了最高HRB 101.8，比烧结温度为700 ℃时的多孔结合剂硬度提高了7.2%。这是因为在较低的烧结温度下，金属粉末之间反应不够充分，金属粉末颗粒处于不完全烧结状态，使金属粉末颗粒之间相对松散。随着烧结温度的逐渐升高，液相量增多，扩散系数增大，原子的活动能力增强，低熔点的金属Al在熔化后填充到孔隙中，同时固相Ni粉末被更加充分的包裹，使样品的烧结组织更加致密。其次，液相Al的流动可以促进金属粉末颗粒之间的相互溶解，增加颗粒之间的接触面积，并逐渐形成金属结合剂的骨架，有利于金属结合剂烧结反应的进行。

图  5  烧结温度对金属结合剂硬度的影响

Figure  5.  Effect of sintering temperature on the hardness of metal bond

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2.5   烧结温度对样品气孔率的影响

图6是不同烧结温度对镍铝基金属结合剂气孔率的影响，由图可知，在3个不同烧结温度下，保温时间均为5 min时，气孔率随着烧结温度的升高而逐渐减小。当烧结温度为700 ℃时，平均气孔率达到了14.4%；在900 ℃烧结温度下，气孔率达到了最低12.6%，比烧结温度为700 ℃时的多孔结合剂气孔率降低了12.5%。这是因为样品在700 ℃时处于欠烧状态，烧结温度较低，使得金属粉末之间反应不够充分。随着烧结温度的升高，金属粉末之间反应更加完全，从而减小了孔径和气孔率。利用Image J对镍铝基金属结合剂金相组织进行粒径分析，得到不同烧结温度下样品的孔径大小。在700 ℃时，样品的最大孔径为54.1 μm，平均孔径为20.5 μm。随着烧结温度的升高，样品的最大孔径和平均孔径也随之减小，在900 ℃时，最大孔径和平均孔径分别为31.9 μm和10.9 μm。结合图4抗折强度可知，随着样品气孔率和孔径的增大，抗折强度逐渐降低。因为金刚石金属结合剂的烧结温度过高，会容易造成金刚石严重石墨化^[19]，降低金刚石的强度，所以后续选取800 ℃为烧结温度。

图  6  烧结温度对金属结合剂气孔率的影响

Figure  6.  Effect of sintering temperature on the porosity of metal bond

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2.6   Cr摩尔分数对样品抗折强度和硬度的影响

图7是烧结温度为800 ℃时，添加不同摩尔分数Cr粉对镍铝基金属结合剂抗折强度的影响。由图可知，不添加Cr粉的金属结合剂的抗折强度较低，平均抗折强度只有130 MPa。随着Cr含量的增加，样品的抗折强度出现了先增加后减小的变化规律，当Cr摩尔分数为12%时，抗折强度达到了最大值，其值为178 MPa，比不添加Cr粉的多孔结合剂抗折强度提高了36.9%。随着Cr含量进一步增加，当Cr含量从12%增加到15%时，样品的抗折强度较大幅度降低，降至141 MPa。这是由于Cr在烧结过程中可以促进样品的烧结致密化，改善了烧结组织晶粒，对样品的力学性能起到增强作用。但是过多的Cr会弥散分布于金属粉末，使金属粉末颗粒间的界面结合强度降低，导致样品的抗折强度大幅度降低。因此，添加适量的Cr有助于提高样品的抗折强度。

图  7  Cr含量对金属结合剂抗折强度的影响

Figure  7.  Effect of Cr content on the flexural strength of metal bond

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图8是烧结温度为800 ℃时，添加不同摩尔分数Cr粉对镍铝基金属结合剂硬度的影响。由图可知，不添加Cr粉的多孔结合剂的硬度较低，平均硬度只有HRB 97.6。随着Cr含量的增加，样品的硬度出现了整体增加的变化规律，当Cr含量为15%时，硬度达到了最大值，其值为HRB 106.5，比不添加Cr粉的多孔结合剂硬度提高了9.1%。这是由于在烧结过程中Cr的熔点高（1907 ℃），使其与其他粘结金属之间发生反应，导致粘结相中液相的流动性降低，甚至液相完全消失。结合图3可知，添加Cr后会存在AlCr₂相，随着Cr含量的增加，AlCr₂相和Ni₃Al相在结合剂中的分布面积都逐渐增多，从而提升了材料的硬度。

图  8  Cr含量对金属结合剂硬度的影响

Figure  8.  Effect of Cr content on the hardness of metal bond

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2.7   Cr摩尔分数对样品气孔率的影响

图9是烧结温度为800 ℃时，添加不同摩尔分数Cr粉对镍铝基金属结合剂气孔率的影响。由图可知，不添加Cr粉的多孔结合剂的气孔率较高，平均气孔率达到了13.6%。随着Cr含量的增加，样品的气孔率出现了先减小后增加的变化规律，当Cr含量为12%时，气孔率达到了最小值，其值为10.2%，比不添加Cr粉的多孔结合剂气孔率降低了25%。利用Image J对含Cr镍铝基金属结合剂金相组织进行粒径分析，在Cr摩尔分数为12%时，最大孔径和平均孔径均达到了最小值，分别为25.8 μm和9.1 μm。结合图7分析可知，样品抗折强度的变化规律也与气孔率变化规律相对应，所以适量Cr促进样品的烧结致密化，降低了气孔率，从而提高了样品的抗折强度。

图  9  Cr含量对金属结合剂气孔率的影响

Figure  9.  Effect of Cr content on the porosity of metal bond

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2.8   不同烧结温度的结合剂金相分析

图10是镍铝基金属结合剂在不同烧结温度（700、800、900 ℃）下金相显微形貌，其中黑色部分为样品表面的孔隙，金黄色部分为Ni₃Al相。当烧结温度较低时，金黄色Ni₃Al总体上占有较大的区域，而且单个区域面积也比较大。随着烧结温度的不断升高，金黄色Ni₃Al在镍铝基金属结合剂相中的分布面积逐渐减小，分布也较为分散。这是因为加入的是等摩尔比的镍粉和铝粉，随着烧结温度的升高，金属粉末的粘度降低，原子的扩散速率增加，金属Al以液相扩散，更加充分的包裹着Ni，增加了金属粉末之间的接触面积，使反应更加完全。同时，升高烧结温度可以提高烧结速率，这也有利于金属粉末的烧结。

图  10  不同烧结温度金属结合剂金相显微形貌：（a）700 ℃；（b）800 ℃；（c）900 ℃

Figure  10.  Metallography of the metal bond at different sintering temperatures: (a) 700 ℃; (b) 800 ℃; (c) 900 ℃

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2.9   添加不同摩尔分数Cr的结合剂金相分析

图11是烧结温度为800 ℃时，添加不同摩尔分数Cr金相显微形貌，其中黑色部分为样品表面的孔隙形貌，金黄色部分为Ni₃Al相，白色部分为AlCr₂相。随着Cr含量的不断增加，白色AlCr₂在镍铝基金属结合剂相中的分布面积逐渐增多，分布也较为分散。虽然Cr的加入具有固溶强化的作用，但从图11（e）可以看出，当添加量为15%时，AlCr₂出现富集，部分区域相连在一起，在结合剂表面的接触面积增大，富集的AlCr₂会以杂质的形式存在于镍铝相中，降低金属之间的界面结合强度，导致样品力学性能降低，这也与图5中样品的抗折强度降低相一致。

图  11  添加不同摩尔分数Cr的金属结合剂金相形貌：（a）3%；（b）6%；（c）9%；（d）12%；（e）15%

Figure  11.  Metallography of the metal bond doped by Cr powders in different molar fraction: (a) 3%; (b) 6%; (c) 9%; (d) 12%; (e) 15%

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2.10   金属结合剂金刚石样品断面形貌分析

图12是NiAl−12%Cr结合剂的金刚石样品断面形貌。由图12（a）可知，样品内部存在细小的气孔，金刚石包镶在结合剂之中。金刚石的表面有明显的棱角，颗粒的形态完整，有少量破碎现象发生。由图12（b）可以看出，金刚石与基体之间没有观察到明显的孔隙，说明这部分金刚石与基体结合状况良好，而金刚石右侧区域的金属结合剂在金刚石上出现了一定程度的冶金结合，使金刚石与结合剂之间的结合较为紧密。

图  12  添加摩尔分数12%Cr的金刚石样品断面形貌

Figure  12.  Fracture morphologies of the diamond nodules doped by 12%Cr

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3.   结论

（1）Cr粉的加入使金属结合剂的力学性能整体提高，当Cr摩尔分数为12%时，金属结合剂的抗折强度和洛氏硬度可以达到178 MPa、HRB 104.2，分别较纯镍铝基金属结合剂提高了36.9%和6.8%。

（2）添加一定摩尔分数的Cr会降低样品的气孔率，气孔率的变化趋势与抗折强度相对应。当Cr摩尔分数为12%时，样品的最大孔径和平均孔径均达到了最小值，其值分别为25.8 μm和9.1 μm。

（3）Cr粉较为均匀的分散在结合剂中分布，能够以AlCr₂的形式存在。它与主相NiAl的结合情况良好，但过多的AlCr₂连成一起也会降低样品的抗折强度。