吴益雄，陈欣宏，彭家万，刘嘉盟，刘 伟，张凤林

(1.广州晶体科技有限公司，广州 510520;2.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006)

1 引言

金属结合剂金刚石工具广泛应用于石材、玻璃、混凝土、建筑陶瓷、沥青路面的切割、钻孔、成型加工等[1]。其常用的制备方法是采用粉末冶金将金刚石磨粒与Cu、Sn、Co、Ni、Zn、Fe、W、Cr等金属单质或合金粉末进行热压烧结，其中的重金属元素较高[2- 3]。这些重金属元素价格高昂，而且在制造以及应用等过程中都有可能会造成一定程度的环境污染。此外，重金属可以通过大气、土壤及水等进入生态系统或食物链，从而对人体的健康产生极大危害。

Fe和Al在地壳中含量丰富，属于非重金属元素，其消耗后在自然环境中氧化或分解都不会造成重金属污染。并且成本低廉，经济性好。Fe和Al在经过一定的材料设计后，可以合成力学性能优异的各种结构材料，例如Fe3Al，其密度小(6.72 g/cm3)，比强度大，在高温下的抗氧化、抗腐蚀以及摩擦磨损性能优异[4-5]。并具备反常屈服效应，即随着温度的提高，Fe3A1金属间化合物的屈服强度先升高后降低，在550 °C左右达到最大值[6]。

为了获得一种环境友好型高性能的金刚石工具，本文提出基于Fe-Al自蔓延反应的金属结合剂金刚石工具制备，研究Fe3Al结合剂的自蔓延反应热压烧结机理，并制备了金刚石工具，测试了工具的加工性能。

2 实验方法

本研究所使用原材料的主要参数及来源见表1所示，在Ar气氛保护下，将Fe和Al粉按摩尔比3∶1进行配比密封于尼龙球磨罐中，球料比为6∶1，以250 r/min的转速行星球磨5小时。对于含金刚石的样品，将金刚石颗粒(35/40目，25 vol.%)与球磨粉体混合均匀。使用Φ30 mm的钢质模具，在200 MPa的单向压力下将粉体冷压成型。压制得到压坯在30 MPa的压力下，使用石墨模具在真空热压炉中进行热压烧结，加热过程中炉内真空度不小于10-2Pa。

表1 原材料的主要参数及来源

差示扫描量热分析(DSC)使用德国 NETZSCH公司生产的 STA449F5型热重及同步分析仪，保护气氛为Ar2，升温速率为10 ℃/min。烧结后样品用金刚石磨盘去除表面渗碳层，使用以Cu Kα射线为靶材的X射线衍射仪(Philip X-pert)对样品进行物相分析。采用HR-150DT型电动洛氏硬度计检测样品的硬度(HRB)，设定载荷为1000 N。并使用万能材料试验机(QT-1166)测试样品抗弯强度(三点抗弯)，样品尺寸为(2 × 1.5 × 25)mm，跨距为20 mm，加载速度为0.5 mm/min。

优化结合剂烧结工艺后，制备金刚石工具并验证其加工性能。金刚石工具结构示意图和实物图见图1所示，金刚石磨头通过高频感应加热焊接到钢制刀柄上。湿磨条件下，使用加工中心(Brother S500Z1)对建筑陶瓷进行端面磨削加工(图2)，并测试磨削过程中的磨削力。加工参数中主轴转速、进给速度和磨削深度分别为4000 r/min、95 mm/min和0.1 mm。建筑陶瓷(426 HV0.5)其成分及微观形貌见图3所示。通过扫描电子显微镜(SEM，Nova NanoSEM430)观察磨削后工具及工件磨损形貌。被加工材料磨削后表面粗糙度使用V2.0型袖珍式表面粗糙度仪进行测量。

图1 (a)金刚石工具结构示意图；(b)金刚石工具实物图

图2 金刚石工具磨削加工示意图

图3 被加工材料建筑陶瓷的实物图(a)和表面形貌的SEM图(b)

3 结果分析与讨论

3.1 Fe3Al结合剂的制备及性能研究

将球磨冷压后的Fe和Al粉进行DSC热分析，见图4所示，在640.9 ℃有一个明显的放热峰。当温度升高至Al的熔点附近，Al转变为液相并包覆在Fe颗粒表面，引发Fe-Al自蔓延反应，导致大量的热量释放[7]。因此，制备Fe3Al的烧结温度应大于640.9 ℃。然而，如图5所示，当烧结温度为700和800 ℃时，样品的XRD图谱中物相组成为Fe、FeAl和Al86Fe14，并未检测出Fe3Al的衍射峰。直至烧结温度提升到1090 ℃后，才检测出Fe3Al的衍射峰，表明 Fe-Al自蔓延反应后中间产物会进一步完全转变为Fe3Al。因此，文中选取1090℃～1250℃的温度范围来研究烧结温度对Fe3Al性能的影响。

图4 球磨后粉体的DSC曲线

图5 不同烧结温度下Fe-Al样品的XRD图谱

图6显示了不同烧结温度对Fe3Al结合剂硬度和抗弯强度的影响，可以看出所有样品硬度均在95 HRB以上，并在1170 ℃时硬度最高，为103 HRB。随着热压烧结温度的提高，样品的抗弯强度逐渐增大。烧结温度为1090 ℃时，Fe3Al的抗弯强度为955 MPa，当烧结温度升高至1250 °C时，其抗弯强度提高至1255 MPa。烧结温度的增加有利于样品的致密化和Fe3Al的DO3有序结构转变[8]，微孔隙和裂纹缩小，所以其硬度和抗弯强度增大。

图6 不同烧结温度下Fe3Al结合剂的硬度和抗弯强度

3.2 Fe3Al结合剂金刚石工具的制备及性能研究

根据3.1中的工艺和优化的成分，采用未镀W和镀W金刚石制备了两种金刚石工具，并测试其对建筑陶瓷的加工性能。图7显示了Fe3Al基金刚石工具加工建筑陶瓷的磨削力，可以看出添加镀W金刚石的工具小于无镀层金刚石的工具，这表明镀W金刚石工具的锋利度高于无镀层金刚石的工具。如图8所示，镀W金刚石的工具磨削比为23，高于无镀层金刚石的工具(18)。在较高的烧结温度下，无镀层金刚石表面可能发生石墨化[9]，金刚石强度和硬度下降，耐磨性降低，在加工过程中易发生破碎脱落。而镀W金刚石却能保持其高硬度和锋利度，工具磨损量更小。

图7 金刚石工具磨削建筑陶瓷的磨削力

图8 金刚石工具磨削建筑陶瓷的磨削比

图9显示了Fe3Al结合剂金刚石工具磨削建筑陶瓷后，添加镀W金刚石的工具和无镀层金刚石的工具金刚石颗粒周围结合剂均出现了一些裂纹和破碎，这可能是由于在磨削力和热应力的作用下，Fe3Al金属间化合物结合剂因其脆性较大发生微破碎所造成的。

图9 磨削后金刚石工具的微观形貌图

图10显示了建筑陶瓷被磨削后的表面SEM图，可以观察到表面存在较多的凹坑，表明其去除方式主要为脆性去除。图11显示了无镀层金刚石的工具磨削后陶瓷表面粗糙度Ra为3.40μm，镀W金刚石的工具磨削后陶瓷表面粗糙度Ra为3.51μm。

图10 磨削后建筑陶瓷的微观形貌图

图11 磨削后建筑陶瓷的表面粗糙度

4 总结

为了获得一种环境友好型高性能的金刚石工具，本文提出基于Fe-Al自蔓延反应热压烧结制备Fe3Al结合剂金刚石工具。研究了Fe3Al结合剂的热压烧结机理，并制备了金刚石工具，测试了工具的加工性能，主要结论如下：

(1)Fe-Al自蔓延反应温度为640.9 ℃，当热压烧结温度提升至1090 ℃时，可以合成Fe3Al单相。

(2)Fe3Al结合剂的抗弯强度随热压烧结温度的提高而增大，在烧结温度为1250 ℃时，抗弯强度为1255 MPa。

(3)Fe3Al结合剂金刚石工具可以对建筑陶瓷进行磨削加工，镀W金刚石的工具相比于无镀层金刚石的工具有更高的磨削比和更小的磨削力。