于 奇，馬 佳，龍偉民，鐘素娟，潘建軍，于新泉，丁天然

(鄭州機械研究所有限公司新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州 450001)

金剛石超硬工具在石材加工中占有重要地位，其中鋸切類工具年產值約占超硬制品總產值的60%～70%，其性能質量直接影響石材加工的質量、成本和石材荒料的利用率[1-2]。根據(jù)加工石材的對象不同，鋸切類工具主要分為花崗巖鋸片和大理石鋸片，其中大理石色澤美麗，紋理細膩，近十幾年來在建筑裝飾行業(yè)受到熱捧[3]，在國內的市場需求量巨大。在福建水頭、廣東云浮等地形成了歐洲大理石荒料加工產業(yè)聚集區(qū)，每年需消耗大量的大理石鋸片。為了提高大理石荒料的成品率，對大理石鋸切工具要求鋸縫寬度小、鋒利度高、自銳性好，良好的鋸切質量可降低加工余量、減少損耗，最終提高出材率[4]。大理石鋸片在鋸切過程中承受巨大的沖擊載荷，金剛石顆粒、胎體與大理石相互之間強烈磨損[5]，現(xiàn)階段我國的大理石鋸片普遍存在鋒利度差、胎體強度低、耐用度差等問題。研究胎體穩(wěn)定可靠性、同步磨損性以及對金剛石良好的把持，對于大理石鋸片的性能提高具有實際的意義。

大理石鋸片胎體通常使用銅錫配方體系，胎體結合力強、耐磨性好、燒結溫度低[6]，并廣泛使用CuSn10、CuSn15、CuSn20等銅錫預合金粉末。銅錫預合金粉末在燒結過程中生成α固溶體和(α+δ)共析體[7]，胎體硬脆而不黏，對胎體自銳性有一定的提升。高錫預合金粉末在燒結過程中更容易實現(xiàn)液相燒結，并可生成δ、ε脆性相，甚至當錫質量分數(shù)含量超過40%時，胎體生成η硬脆相，可提高金剛石工具胎體同步或超前磨損的性能，對鋒利度提升作用顯著[8]。

目前，國內對于高錫預合金粉末研究較少，尤其對于元素增強銅錫預合金粉末研究更少。在銅錫合金中添加少量的銀元素易于調整合金液固相線，提高力學性能和穩(wěn)定可靠性[9]。本文通過氣水緊耦合霧化法制備了一種銀基高錫預合金粉末，并通過在配方中添加合金粉替代原配方中的單質錫粉，并相應的核減銅粉，最終用于改善大理石鋸片的胎體性能，并對比了與單質配方燒結刀頭的力學性能及微觀組織差異，希望在行業(yè)內有一定借鑒意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗用到的原材料粉末名稱及規(guī)格見表1。

表1 試驗原材料

銀基高錫預合金粉末A采用鄭州機械研究所有限公司氣水緊耦合霧化設備生產，預合金粉末A顯微形貌見圖1。

圖1 預合金粉A顯微照片F(xiàn)ig.1 The micrograph of pre-alloy powder A

1.2 試驗方法及工藝

(1)預合金粉末A燒結體制備

根據(jù)預合金粉末A的理論密度，單個石墨模具中投料8.90g，粉末裝料刮平后在熱壓燒結機(金海威SMVB60)中熱壓燒結成3.5mm×8mm×35mm的燒結體，其中熱壓溫度530℃，壓力20MPa，保溫30s。每次裝模4個，重復試驗5次。

(2)大理石鋸片胎體制備

表2 大理石鋸片胎體配方

圖2 熱壓燒結工藝曲線Fig.2 The curve of hot pressing sintering process

(3)大理石鋸片刀頭制備

在混合粉末中添加少量液體石蠟，并根據(jù)模具體積計算添加濃度30%的30/40金剛石，在三維混料機中混合120min，以保證金剛石與粉料混合均勻，裝模后根據(jù)圖2工藝曲線熱壓燒結制備大理石鋸片刀頭。

1.3 檢測方法及設備

(1)預合金粉末A的性能檢測

使用綜合粉體特性測試儀(百特BT-1000)測試預合金粉A的松裝密度；差式熱分析儀(耐馳STA-449F3)測試預合金粉末熔點；洛氏硬度計(華銀HR-150A)測試燒結體硬度；萬能力學試驗機(美特斯C45.105)測試燒結體三點抗彎強度；臺式電子顯微鏡(飛納Phenom XL)分析胎體微觀組織。

(2)大理石鋸片胎體性能檢測

利用阿基米德排水法測燒結胎體的真實密度ρ真實，致密度η=ρ真實/ρ理論。使用洛氏硬度計對比測試燒結體硬度并取平均值，使用萬能力學試驗機對比測試燒結體三點抗彎強度并取平均值，使用臺式電子顯微鏡對比分析胎體微觀組織。

(3)大理石鋸片刀頭性能檢測

2 試驗結果與分析

2.1 預合金粉末A性能

預合金粉A的基本性能結果見表3，燒結體硬度較高，抗彎過程表現(xiàn)為脆性斷裂。對燒結體進行微觀組織分析見圖3，圖中可觀察到燒結體組織致密，存在明顯的兩相組織，灰色相以及存在彌散分布其中的亮色針狀相。銅錫預合金粉末燒結過程中容易產生較多孔隙，銅錫合金的液固相線垂直距離比較大，凝固時不形成集中縮孔，只形成分散縮孔，致密性較差。當錫含量升高，分散縮孔呈增大趨勢，致密度呈現(xiàn)下降趨勢[10]。高錫合金中添加銀元素可降低合金熔點，縮小液固相線溫差，提高合金流動性[11]，在燒結過程中燒結體致密度顯著提高。對燒結體中針狀亮色相1點進行SEM能譜分析，其成分為高銀銅基固溶體，根據(jù)三元相圖確定為銅基固溶體中存在β相Cu5Sn金屬間化合物，該成分范圍下液相線605℃～650℃；2點成分為低銀銅基固溶體，該成分下液相線溫度750℃～800℃[12]。在熱壓燒結過程中，常用的銅錫20預合金粉末極容易反偏析，在粉末顆粒外部形成高錫低熔點的(α+δ)共析體相[13]，在粉末顆粒之間形成液相，大量液相促進燒結體致密化，并由于銅錫合金液固相線垂直距離大，體積收縮較小，在較寬的溫度范圍內存在固、液兩相，冷卻過程中極易形成封閉孔隙。銀基高錫預合金粉末A燒結體中錫含量相對均勻，亮色相的錫含量稍高于灰色相。經試驗分析證明預合金粉A在燒結過程中錫元素反偏析趨勢較弱，燒結體組織均勻，在銅基固溶體中存在大量β相的銅錫硬脆金屬間化合物，合金胎體硬度和脆性較高。

表3 預合金粉A基本性能

圖3 預合金粉A燒結體背散射電子圖像及能譜分析結果Fig.3 The back scattered electron image and EDX of the pre-alloy powder sintering body

2.2 大理石鋸片胎體性能對比

將大理石鋸片胎體致密度η、抗彎強度σ、硬度值數(shù)據(jù)進行對比總結，分析見表4。

表4 大理石鋸片燒結胎體性能對比

添加預合金粉A后胎體致密度提高，抗彎強度提高約9%，硬度降低約14%。在三點抗彎試驗中，配方一表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂，燒結胎體基本無塑性變形；添加預合金粉A的配方二燒結胎體塑性變形能力明顯增強，經過較長時間變形后出現(xiàn)斷裂。配方二胎體斷裂前形變位移約是配方一的3.2倍，兩種配方燒結胎體的三點抗彎對比曲線見圖4。

圖4 胎體抗彎曲線對比圖Fig.4 Comparison diagram of bending curves of carcass

為進一步對比分析胎體力學性能差異，將燒結體置于電子顯微鏡下分析其胎體微觀組織及成分。圖5為配方一燒結胎體背散射電子顯微照片，圖中可觀測到塊狀和網狀亮白色相及灰色相，在亮色相中塊狀相較多。對塊狀亮色相(No.1)進行成分分析，相中錫、鎳含量較高，在燒結過程中錫元素最先生成液相，高錫元素易偏析與銅生成硬脆的η相(Cu6Sn5基金屬間化合物)和ε相(Cu3Sn基金屬間化合物)[14]，與鎳生成硬脆的Ni3Sn4和Ni3Sn2金屬化合物[15]，在亮色塊狀區(qū)域高錫硬脆金屬間化合物的生成顯著提高了燒結胎體硬度，同時極大影響了胎體力學性能和塑性變形能力。網狀亮色相(No.2)經對比分析，銅含量相對升高，錫、鎳元素含量降低，根據(jù)相圖生成了銅鎳固溶體，高錫元素容易生成(α+δ)共析體相，網狀亮色相生成硬脆相數(shù)量相對降低?；疑?No.3)經成分分析確定為銅基固溶體，主要成分為錫黃銅組織，該成分下鋅含量在復雜黃銅中計算為α相[16]，形成成分均勻的固溶體組織，該成分下的合金塑性高、強度高、硬度較低。通過對配方一胎體中三個相組織成分的對比分析，配方一胎體中錫元素極易產生偏析，高錫成分與鎳和銅形成塊狀硬脆相，損害胎體的力學性能，導致胎體穩(wěn)定可靠性差；而大量錫黃銅組織硬度較低，對金剛石把持作用弱，在工作過程中容易造成金剛石脫落，影響使用壽命。

配方二燒結胎體顯微照片見圖6，胎體中亮色相明顯多于配方一，大部分以網狀彌散分布在灰色基體中。對網狀亮色相(No.1)進行成分分析，成分介于配方一塊狀亮色相和網狀亮色相成分之間，生成的金屬間化合物數(shù)量也介于兩者之間。在燒結過程中，高錫的預合金粉末A錫元素偏析趨勢被添加的銀元素減弱，增加了合金的流動性，降低了塊狀偏析的趨勢，形成大量網格狀硬脆組織。對灰色相(No.2)進行分析，相對配方一的灰色相，錫元素含量提高，鋅含量穩(wěn)定，胎體硬度和脆性提高。對比兩個配方胎體組織，添加銀基高錫預合金粉末的A胎體組織均勻，錫元素偏析趨勢弱，生成網格狀的硬脆相可彌散增強胎體，增加了胎體可靠性?；疑嘀绣a元素的提高可增加胎體硬度和脆性，提高了胎體對金剛石的機械把持力。

圖5 配方一燒結胎體背散射電子圖像及能譜分析結果Fig.5 The back scattered electron image and EDX results of Sintered matrix applied with formula

2.3 大理石鋸片刀頭性能對比

制備的大理石刀頭經過磨損試驗，配方一的大理石失重率為8%，配方二的大理石失重率為12%，驗證了添加預合金粉末A的配方鋒利度明顯提升。磨削試驗后對刀頭胎體進行微觀組織觀察，見圖7。圖7a為配方一胎體照片，在金剛石周邊可觀察到明顯的裂紋，胎體中有塊狀基體剝落。配方一胎體對金剛石把持力較弱，磨削過程中胎體與金剛石產生裂紋，導致金剛石提前脫落，影響刀頭的壽命和穩(wěn)定性；胎體中高錫偏析導致胎體中各相的磨損匹配性差，磨削過程中塊狀硬脆相提前剝落，影響胎體整體磨損匹配性。圖7b為配方二胎體照片，胎體致密度高，網狀亮色相清晰，胎體各相磨損匹配較好，未出現(xiàn)胎體提前剝落現(xiàn)象，胎體與金剛石結合界面良好。

圖7 磨削試驗后胎體微觀照片F(xiàn)ig.8 Microscopic photographs of carcass after the grinding test

3 結論

(1)銀基高錫預合金粉末A燒結體組織致密，添加銀元素降低了高錫預合金粉末燒結過程中反偏析的趨勢，解決了高錫預合金粉末燒結致密度差、分散縮孔的問題。

(2)通過添加50ωt.%的預合金粉A替代大理石鋸片配方中的單質錫粉，制備的大理石鋸片燒結胎體相對單質粉末體系，胎體強度提高約9%，硬度下降約14%，塑性變形能力明顯增強。

(3)單質錫粉在胎體中極易偏析生成塊狀脆性金屬間化合物，影響胎體強度和塑性；添加預合金粉A制備的胎體組織均勻，存在的網狀亮色高錫硬脆相可彌散增強胎體強度。

(4)添加預合金粉末A的大理石刀頭鋒利度提升，胎體磨損匹配性好，與金剛石結合界面良好。

(5)通過以上試驗驗證，銀基高錫預合金粉末A可有效改善大理石鋸片胎體力學性能，提高鋒利度和對金剛石的把持力。