肖長江等

摘 要：本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化。實驗結果表明：球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基和銅基結合劑，當球磨時間為30 h時、燒結溫度分別為760 ℃和720 ℃時，樣品的最大抗彎強度值分別為457 MPa和644 MPa。

關鍵詞：鐵基結合劑；銅基結合劑；球磨時間；燒結溫度；抗彎強度

1 前言

金屬結合劑金剛石工具是目前應用最廣泛的一種金剛石磨具，金屬結合劑工具以青銅、鐵、鈷、鎳合金為主要結合材料，磨料把持強度相對較高，耐溫導熱性能好[1，2]。近年來，由于家居裝飾的快速發(fā)展，加工石材用金剛石圓鋸片產量不斷增加，為了提高金剛石圓鋸片的壽命，降低成本，要求金屬結合劑有很好的力學性能。在金屬結合劑中，廣泛使用的金屬基體主要有鐵基和銅基結合劑。為了使鐵基和銅基結合劑胎體有優(yōu)良的力學性能，人們采用了很多措施。例如，加入稀土元素和強碳化物等元素[3]。同樣，在鐵基和銅基結合劑金剛石工具的燒結中，制備工藝對結合劑的性能影響較大。

本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化，找出鐵基和銅基結合劑各自合適的燒結溫度和球磨時間。

2 實驗內容

本實驗所采用的金屬粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都為200目。具體的鐵基結合劑和銅基結合劑的配方如表1所示。

首先將各種金屬粉準備好之后，按照配方將他們精確稱量后加入 1.5 mL無水乙醇作為過程控制劑；然后將混合粉末放入混料罐中，加入鋼球，抽真空5 min，球料質量比為3：1，行星式四頭混料機轉速為175 r/min。對于鐵基結合劑，球磨時間分別為20 h、30 h、40 h；對于銅基結合劑，球磨時間分別為20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨過程中，為了消除不同批次樣品之間的相互影響，保證每次實驗結果的可比性，每次實驗后都要將鋼球和球磨罐洗凈。

然后將混合好的金屬粉末裝入石墨模具中，在RYZ2000Z真空燒結壓機上進行燒結，燒結壓力為25 MPa，保溫時間為5 min。對于鐵基結合劑，燒結溫度分別為730 ℃、760 ℃、790 ℃；對于銅基結合劑，燒結溫度分別為660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。試樣尺寸為32 mm×4.5 mm×3 mm。其具體燒結工藝如圖1所示。

3 結果與討論

不同球磨時間和燒結溫度下，鐵基結合劑胎體的抗彎強度如圖2所示。

從圖2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下燒結，球磨時間為20 h和40 h 時，兩種配方的胎體有基本上相同的抗彎強度值，而球磨時間為30 h時，抗彎強度都遠高于20 h和40 h的樣品，其最高抗彎強度值為457 MPa。同時，從圖中我們也可以看出：燒結溫度對球磨時間為20 h和40 h樣品的抗彎強度影響不大，而對球磨時間為30 h樣品的抗彎強度影響較大，在燒結溫度為760 ℃時，抗彎強度有最大值為457 MPa，在790 ℃時有最小值，為368 MPa。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度對鐵基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

對于銅基結合劑來說，不同球磨時間和燒結溫度下胎體的抗彎強度如圖3所示。

和鐵基結合劑一樣，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響，但與鐵基結合劑不同的是，并不是有最高抗彎強度值的球磨時間在所有的燒結溫度下都有較大的抗彎強度值。從圖3中可以看出，所有的樣品在燒結溫度為720 ℃時有最大的抗彎強度。但在不同的球磨時間下，銅基結合劑胎體的抗彎強度值不同。當球磨時間為30 h、燒結溫度為720 ℃時，銅基結合劑胎體有最大的抗彎強度值為644 MPa。而在其他的球磨時間和燒結溫度下，胎體有不同的抗彎強度值。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

在球磨機上對金屬粉末進行長時間的球磨時，隨著球磨時間的延長，磨球通過碰撞、擠壓傳遞給粉末的機械能不斷增加。同時，粉末在球磨介質的多次大能量的沖擊下，經過剪切、摩擦和壓縮等多種力的作用，通過反復的擠壓、冷焊合及粉碎，在粉末界面間相互擴散或進行固態(tài)反應形成彌散分布的超細粒子合金粉末。在這一過程中，通過大量的塑性變形、破碎、焊合將機械能轉換為各種不平衡條件儲存，如：顆粒度細化的表面能、晶粒度細化的界面能、位錯等缺陷大量增殖產生的位能、點陣常數變大原子偏離平衡點產生的位能，從而促進燒結，以及提高抗彎強度。一般情況下，混料時間越長，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差別，混料過程由粉末混合和偏聚組成，當粉末混合和偏聚達到“平衡”后，繼續(xù)延長混料時間，混合粉末的均勻度并不會繼續(xù)提高[4]。

4 結論

綜上所述，球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基結合劑，當球磨時間為30 h、燒結溫度為760 ℃時，鐵基胎體具有較高的抗彎強度值為457 MPa；對于銅基結合劑，當球磨時間為30 h，燒結溫度為720 ℃時，銅基胎體具有較高的抗彎強度值為644 MPa。

參考文獻

[1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

[2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

[3] 戴秋蓮，徐西鵬，王永初.金屬結合劑對金剛石把持力的增強措施及增強機制評述[J].材料科學與工程，2002，20（3）： 465.

[4] 李曉普.機械合金化對Fe-Cu復合粉末固相燒結及性能的影響[D].燕山大學，2006.endprint

摘 要：本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化。實驗結果表明：球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基和銅基結合劑，當球磨時間為30 h時、燒結溫度分別為760 ℃和720 ℃時，樣品的最大抗彎強度值分別為457 MPa和644 MPa。

關鍵詞：鐵基結合劑；銅基結合劑；球磨時間；燒結溫度；抗彎強度

1 前言

金屬結合劑金剛石工具是目前應用最廣泛的一種金剛石磨具，金屬結合劑工具以青銅、鐵、鈷、鎳合金為主要結合材料，磨料把持強度相對較高，耐溫導熱性能好[1，2]。近年來，由于家居裝飾的快速發(fā)展，加工石材用金剛石圓鋸片產量不斷增加，為了提高金剛石圓鋸片的壽命，降低成本，要求金屬結合劑有很好的力學性能。在金屬結合劑中，廣泛使用的金屬基體主要有鐵基和銅基結合劑。為了使鐵基和銅基結合劑胎體有優(yōu)良的力學性能，人們采用了很多措施。例如，加入稀土元素和強碳化物等元素[3]。同樣，在鐵基和銅基結合劑金剛石工具的燒結中，制備工藝對結合劑的性能影響較大。

本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化，找出鐵基和銅基結合劑各自合適的燒結溫度和球磨時間。

2 實驗內容

本實驗所采用的金屬粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都為200目。具體的鐵基結合劑和銅基結合劑的配方如表1所示。

首先將各種金屬粉準備好之后，按照配方將他們精確稱量后加入 1.5 mL無水乙醇作為過程控制劑；然后將混合粉末放入混料罐中，加入鋼球，抽真空5 min，球料質量比為3：1，行星式四頭混料機轉速為175 r/min。對于鐵基結合劑，球磨時間分別為20 h、30 h、40 h；對于銅基結合劑，球磨時間分別為20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨過程中，為了消除不同批次樣品之間的相互影響，保證每次實驗結果的可比性，每次實驗后都要將鋼球和球磨罐洗凈。

然后將混合好的金屬粉末裝入石墨模具中，在RYZ2000Z真空燒結壓機上進行燒結，燒結壓力為25 MPa，保溫時間為5 min。對于鐵基結合劑，燒結溫度分別為730 ℃、760 ℃、790 ℃；對于銅基結合劑，燒結溫度分別為660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。試樣尺寸為32 mm×4.5 mm×3 mm。其具體燒結工藝如圖1所示。

3 結果與討論

不同球磨時間和燒結溫度下，鐵基結合劑胎體的抗彎強度如圖2所示。

從圖2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下燒結，球磨時間為20 h和40 h 時，兩種配方的胎體有基本上相同的抗彎強度值，而球磨時間為30 h時，抗彎強度都遠高于20 h和40 h的樣品，其最高抗彎強度值為457 MPa。同時，從圖中我們也可以看出：燒結溫度對球磨時間為20 h和40 h樣品的抗彎強度影響不大，而對球磨時間為30 h樣品的抗彎強度影響較大，在燒結溫度為760 ℃時，抗彎強度有最大值為457 MPa，在790 ℃時有最小值，為368 MPa。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度對鐵基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

對于銅基結合劑來說，不同球磨時間和燒結溫度下胎體的抗彎強度如圖3所示。

和鐵基結合劑一樣，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響，但與鐵基結合劑不同的是，并不是有最高抗彎強度值的球磨時間在所有的燒結溫度下都有較大的抗彎強度值。從圖3中可以看出，所有的樣品在燒結溫度為720 ℃時有最大的抗彎強度。但在不同的球磨時間下，銅基結合劑胎體的抗彎強度值不同。當球磨時間為30 h、燒結溫度為720 ℃時，銅基結合劑胎體有最大的抗彎強度值為644 MPa。而在其他的球磨時間和燒結溫度下，胎體有不同的抗彎強度值。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

在球磨機上對金屬粉末進行長時間的球磨時，隨著球磨時間的延長，磨球通過碰撞、擠壓傳遞給粉末的機械能不斷增加。同時，粉末在球磨介質的多次大能量的沖擊下，經過剪切、摩擦和壓縮等多種力的作用，通過反復的擠壓、冷焊合及粉碎，在粉末界面間相互擴散或進行固態(tài)反應形成彌散分布的超細粒子合金粉末。在這一過程中，通過大量的塑性變形、破碎、焊合將機械能轉換為各種不平衡條件儲存，如：顆粒度細化的表面能、晶粒度細化的界面能、位錯等缺陷大量增殖產生的位能、點陣常數變大原子偏離平衡點產生的位能，從而促進燒結，以及提高抗彎強度。一般情況下，混料時間越長，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差別，混料過程由粉末混合和偏聚組成，當粉末混合和偏聚達到“平衡”后，繼續(xù)延長混料時間，混合粉末的均勻度并不會繼續(xù)提高[4]。

4 結論

綜上所述，球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基結合劑，當球磨時間為30 h、燒結溫度為760 ℃時，鐵基胎體具有較高的抗彎強度值為457 MPa；對于銅基結合劑，當球磨時間為30 h，燒結溫度為720 ℃時，銅基胎體具有較高的抗彎強度值為644 MPa。

參考文獻

[1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

[2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

[3] 戴秋蓮，徐西鵬，王永初.金屬結合劑對金剛石把持力的增強措施及增強機制評述[J].材料科學與工程，2002，20（3）： 465.

[4] 李曉普.機械合金化對Fe-Cu復合粉末固相燒結及性能的影響[D].燕山大學，2006.endprint

摘 要：本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化。實驗結果表明：球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基和銅基結合劑，當球磨時間為30 h時、燒結溫度分別為760 ℃和720 ℃時，樣品的最大抗彎強度值分別為457 MPa和644 MPa。

關鍵詞：鐵基結合劑；銅基結合劑；球磨時間；燒結溫度；抗彎強度

1 前言

金屬結合劑金剛石工具是目前應用最廣泛的一種金剛石磨具，金屬結合劑工具以青銅、鐵、鈷、鎳合金為主要結合材料，磨料把持強度相對較高，耐溫導熱性能好[1，2]。近年來，由于家居裝飾的快速發(fā)展，加工石材用金剛石圓鋸片產量不斷增加，為了提高金剛石圓鋸片的壽命，降低成本，要求金屬結合劑有很好的力學性能。在金屬結合劑中，廣泛使用的金屬基體主要有鐵基和銅基結合劑。為了使鐵基和銅基結合劑胎體有優(yōu)良的力學性能，人們采用了很多措施。例如，加入稀土元素和強碳化物等元素[3]。同樣，在鐵基和銅基結合劑金剛石工具的燒結中，制備工藝對結合劑的性能影響較大。

本文以鐵基和銅基結合劑為原材料，研究其在不同的球磨時間和燒結溫度下抗彎強度的變化，找出鐵基和銅基結合劑各自合適的燒結溫度和球磨時間。

2 實驗內容

本實驗所采用的金屬粉末有Cu、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Ni、WC，粒度都為200目。具體的鐵基結合劑和銅基結合劑的配方如表1所示。

首先將各種金屬粉準備好之后，按照配方將他們精確稱量后加入 1.5 mL無水乙醇作為過程控制劑；然后將混合粉末放入混料罐中，加入鋼球，抽真空5 min，球料質量比為3：1，行星式四頭混料機轉速為175 r/min。對于鐵基結合劑，球磨時間分別為20 h、30 h、40 h；對于銅基結合劑，球磨時間分別為20 h、25 h、30 h、35 h。在球磨過程中，為了消除不同批次樣品之間的相互影響，保證每次實驗結果的可比性，每次實驗后都要將鋼球和球磨罐洗凈。

然后將混合好的金屬粉末裝入石墨模具中，在RYZ2000Z真空燒結壓機上進行燒結，燒結壓力為25 MPa，保溫時間為5 min。對于鐵基結合劑，燒結溫度分別為730 ℃、760 ℃、790 ℃；對于銅基結合劑，燒結溫度分別為660 ℃、690 ℃、720 ℃、750 ℃、780 ℃。試樣尺寸為32 mm×4.5 mm×3 mm。其具體燒結工藝如圖1所示。

3 結果與討論

不同球磨時間和燒結溫度下，鐵基結合劑胎體的抗彎強度如圖2所示。

從圖2中可以看出：在730 ℃、760 ℃、790 ℃下燒結，球磨時間為20 h和40 h 時，兩種配方的胎體有基本上相同的抗彎強度值，而球磨時間為30 h時，抗彎強度都遠高于20 h和40 h的樣品，其最高抗彎強度值為457 MPa。同時，從圖中我們也可以看出：燒結溫度對球磨時間為20 h和40 h樣品的抗彎強度影響不大，而對球磨時間為30 h樣品的抗彎強度影響較大，在燒結溫度為760 ℃時，抗彎強度有最大值為457 MPa，在790 ℃時有最小值，為368 MPa。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度對鐵基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

對于銅基結合劑來說，不同球磨時間和燒結溫度下胎體的抗彎強度如圖3所示。

和鐵基結合劑一樣，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響，但與鐵基結合劑不同的是，并不是有最高抗彎強度值的球磨時間在所有的燒結溫度下都有較大的抗彎強度值。從圖3中可以看出，所有的樣品在燒結溫度為720 ℃時有最大的抗彎強度。但在不同的球磨時間下，銅基結合劑胎體的抗彎強度值不同。當球磨時間為30 h、燒結溫度為720 ℃時，銅基結合劑胎體有最大的抗彎強度值為644 MPa。而在其他的球磨時間和燒結溫度下，胎體有不同的抗彎強度值。從上面的分析可以看出，球磨時間和燒結溫度同樣對銅基結合劑的抗彎強度有很大的影響。

在球磨機上對金屬粉末進行長時間的球磨時，隨著球磨時間的延長，磨球通過碰撞、擠壓傳遞給粉末的機械能不斷增加。同時，粉末在球磨介質的多次大能量的沖擊下，經過剪切、摩擦和壓縮等多種力的作用，通過反復的擠壓、冷焊合及粉碎，在粉末界面間相互擴散或進行固態(tài)反應形成彌散分布的超細粒子合金粉末。在這一過程中，通過大量的塑性變形、破碎、焊合將機械能轉換為各種不平衡條件儲存，如：顆粒度細化的表面能、晶粒度細化的界面能、位錯等缺陷大量增殖產生的位能、點陣常數變大原子偏離平衡點產生的位能，從而促進燒結，以及提高抗彎強度。一般情況下，混料時間越長，混料效果越好。但由于粉末在粒度、密度等方面存在差別，混料過程由粉末混合和偏聚組成，當粉末混合和偏聚達到“平衡”后，繼續(xù)延長混料時間，混合粉末的均勻度并不會繼續(xù)提高[4]。

4 結論

綜上所述，球磨時間和燒結溫度對鐵基和銅基結合劑胎體的抗彎強度有很大的影響。對于鐵基結合劑，當球磨時間為30 h、燒結溫度為760 ℃時，鐵基胎體具有較高的抗彎強度值為457 MPa；對于銅基結合劑，當球磨時間為30 h，燒結溫度為720 ℃時，銅基胎體具有較高的抗彎強度值為644 MPa。

參考文獻

[1] Rosa G L. Evaluation of Diamond tool behavior for cutting stone materials [J]. Ind Diamond Rev 2004，1： 45–50.

[2] Luciano J， Guerold S B， Marcello F. Processing and characterization of impregnated diamond cutting tools using a ferrous metal matrix [J]， Int. J. Refract. Met. H.， 2007， 25： 328–335.

[3] 戴秋蓮，徐西鵬，王永初.金屬結合劑對金剛石把持力的增強措施及增強機制評述[J].材料科學與工程，2002，20（3）： 465.

[4] 李曉普.機械合金化對Fe-Cu復合粉末固相燒結及性能的影響[D].燕山大學，2006.endprint