董洪峰，郭从盛



Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的界面性能

董洪峰，郭从盛

(陕西理工学院材料科学与工程学院，汉中 723003)

采用压制烧结技术制备一种新型Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片；分别用XRD、SEM、拉曼光谱测试分析锯片的断面物相、断口形貌、金刚石/胎体界面的元素分布和金刚石机械包镶力。结果表明：金刚石/胎体界面存在铁的碳化物；由金刚石静应力公式算得金刚石的机械包镶力为387 MPa，由于胎体冷却时发生塑性变形以及界面处金刚石/铁碳化物间存在晶格错配，释放热应力，使得包镶力绝对值远小于热残余应力(4.6 GPa)的绝 对值。

Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片；界面反应；机械包镶力；拉曼光谱

金属基金刚石复合材料超薄锯片具有自锐性、超硬、超薄、近净成形、尺寸精度高等特点而广泛应用于特种陶瓷、半导体、磁性材料、宝石等脆硬材料的精细加工[1−2]。根据Co元素百分含量不同，金刚石超薄锯片可分为低Co基(质量分数＜18%)和高Co基(质量分数＞18%)。李文生等[3]采用压制烧结技术成功制备节Co型(Co质量分数＜8%)Fe-Cu基金刚石超薄锯条，并研究了锯条组织和性能。

金属基金刚石超薄锯条与其它金属基金刚石复合材料相似，均由胎体、金刚石和界面构成。金刚石的共价键晶格结构使其具有高硬度、高强度和抗磨损等优良性能，主要用做金刚石工具的切削元件[4−5]。胎体对金刚石的机械包镶力和界面反应均制约着锯条的摩擦性能，机械包镶力大小影响锯条摩擦时金刚石的出露高度和金刚石使用率；适当的界面反应可提高界面结合性能，但若界面反应过度则会恶化界面结合或导致金刚石石墨化[6]。部分学者已采用抗弯强度分析法、弹性力学方程间接表征或计算机械包镶力，但计算值与真实值间误差较大[7−8]。

拉曼光谱分析技术已成功应用于计算钎焊[9]、电解[10]等工艺制备试样的界面静应力，拉曼活性材料的界面应力可由其与无应力试样的斯托克斯峰差值进行计算。由于被测试样较小且拉曼光谱的分辨率较高，使界面应力可以精确测量。

本研究采用拉曼光谱和其它显微测试技术研究压制烧结Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的机械包镶力和界面反应，并探讨机械包镶力的影响因素。

1 实验

1.1 试样制备

Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的组分和粉末性能参数如表1所列，图1所示为金刚石的SEM照片。

图1 金刚石的扫描SEM照片

表1 Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯条的组分和粉末性能参数

按表1成分称取粉末，用三维涡流混料机(TD-2)混合60 min，向金属混合粉中加入液体石蜡作为成形剂，重新混合30 min后装入冷压模具中，将混合粉末在压头表面均匀铺展，并在HT-1500KN压样机中单轴压制平均厚度为0.29 mm的压坯试样，冷压模具材料为Cr12钢，压头外径尺寸85 mm、内径20 mm。冷压加载速率0.15 mm/min，压制力187 MPa，保压时间2 min。冷压坯脱模后在200 ℃惰性气氛中恒温5 min，以去除残余成形剂。除气后压坯装入真空热压烧结机(RYJ-2000Z)烧结成形。热压烧结工艺参数：烧结温度 700 ℃、烧结压力18 MPa、保温时间 6 min。制备的Fe-Cu基金刚石锯条平均厚度为0.21 mm。

1.2 性能及结构分析

采用附带能谱仪(EDX)的JSM-6700F场发射扫描电子显微镜和Rigaku D/Max-2400 X射线衍射仪观察分析压制烧结锯条组织、断面形貌和物相组成。用Nivia Confocal 200型拉曼光谱仪分析金刚石表面静应力，以激光为光源，波长632.8 nm。

1.3 计算机械包镶力

用金刚石抛光剂对烧结试样进行打磨抛光，去除表面金属胎体，使表层金刚石出露。因试验所用MBD12金刚石为6~8面体形状，单面露出胎体对邻近面的受力状态影响很小(、均很小)，图2所示为6~8面体金刚石典型截面的受力示意图。图3为界面应力测量点示意图，测量点在金刚石(100)、(111)面邻近棱边约0.1~1 μm处(Nivia Confocal 200型拉曼光谱仪的横向、纵向分辨率分别为1 μm和2 μm，测量点应尽量靠近金刚石受静应力面)，测量方向与面垂直。机械包镶力可由方程(1)~(3)计算得到。

图2 6~8面体金刚石典型截面的受力示意图

图3 机械包镶力测量点示意图

根据文献[11−12]，金刚石表面静应力(hydrostatic)可由方程(1)算得：

式中：hydrostatic为静应力系数；为斯托克斯峰的波长变化。若金刚石在应力作用下的斯托克斯峰()大于无应力的(0)，则金刚石受压应力，反之金刚石受拉应力。根据文献[13]可得金刚石静应力系数平均值及标准偏差hydrostatic=(−0.347±0.017) GPa/cm−1。

由于被测金刚石的一个面裸露，因此可用垂直于拉曼激光的二维应力计算机械包镶力。则：11=0 MPa,22=33=biaxial，可得：

并且：

根据文献[14]，式中金刚石弹性柔度系数11= 1.01 TPa−1,12=−0.14 TPa−1,44= 1.83 TPa−1以及声子形变势=−2.82·0,=−1.78·02,=−1.89·02。

2 实验结果

2.1 碳化物形成元素的界面扩散

图4所示为Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的界面能谱线扫描分析结果，可知界面富集Fe元素。

图5所示为Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的XRD图谱，锯片组织以Fe、Cu为主相，同时存在Fe5C2，Fe3C，Fe2C、(Fe, Ni)23C6等物相衍射峰。

2.2 界面结合特性

图6所示为Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯条的断口SEM照片。金刚石表面凸凹不平，经EDS分析可知，凸出部分为Fe的碳化物。

图4 Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯条的界面Fe元素能谱线扫描分析结果

图5 Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯片的XRD图谱

图7所示为压制烧结前后金刚石的斯托克斯峰值变化Δ(0=1 327.8 cm−1，=1 328.7 cm−1)。由方程(1)~(3)计算得金刚石的机械包镶力达387 MPa，受压应力作用。

图6 锯片断口SEM照片

图7 压制烧结前后金刚石的斯托克斯峰

3 分析与讨论

根据热应力方程(4)可知，热应力由金刚石和胎体的热膨胀系数差异(Δ)、烧结温度与室温差(Δ)、金刚石弹性模量(diamond)共同决定。根据文献[8]，经 700 ℃烧结后，diamond=1 050 GPa, Δmatrix=−6.38×10−6K−1, Δ=680 K，计算得金刚石表面残余热应力为 4.6 GPa。

公式中th代表金刚石表面残余热应力。

经对比可知，金刚石机械包镶力的绝对值(|387| MPa)远远小于热应力绝对值(|4.6| GPa)，说明试样热应力经基体、界面传递到金刚石表面时发生了内应力释放。其主要原因为以下两个方面：首先，压制烧结试样的胎体/金刚石界面处生成了Fe碳化物相(如图5、图6所示)，Fe碳化物的弹性模量远小于金刚石，在机械包镶力作用下易产生弹性变形，释放应力[15]。并且Fe碳化物的生成，导致金刚石(100=0.356 6 nm)/Fe碳化物(e.g. Fe3C100=0.268 1 nm)界面产生晶格错配，出现晶界，部分能量在晶界处发生分散，亦造成应力释放[16]。

机械包镶力是胎体对金刚石施加的残余压应力。由文献[17]可知，机械包镶力的值介于胎体屈服强度(190 MPa)和拉伸强度(416 MPa)之间，说明在试样冷却过程中胎体发生了塑性变形，释放了金刚石表面的静应力。

因此，金刚石机械包镶力的产生原因主要是试样冷却时因金刚石/胎体的热膨胀系数差异而产生的热残余应力，而机械包镶力远小于热应力是由界面处金刚石与Fe碳化物间晶格错配和冷却时胎体的塑性变形所导致的。

4 结论

1) Fe-Cu基金刚石复合材料超薄锯条的界面富集Fe元素，存在Fe5C2, Fe3C, Fe2C, (Fe, Ni)23C6铁碳化 物相。

2) 断口处的金刚石表面凸凹不平，经检测可知，凸出部分为Fe的碳化物。

3) 由金刚石静应力计算公式计算得到金刚石的机械包镶力绝对值达|387| MPa，远小于理论热残余应力的绝对值约|4.6| GPa。其主要原因是：由于界面处金刚石与Fe碳化物间产生晶格错配及冷却时胎体发生塑性变形，释放了因金刚石/胎体的热膨胀系数差异而产生的热残余应力。

REFERENCES

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(编辑 高海燕)

Interfacial properties of Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade

DONG Hong-feng, GUO Cong-sheng

(Department of Materials Science and Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

An new Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade was prepared by conventional cold compaction sintering technology. The phase composition, morphology of fracture surface, elemental distribution near the diamond/matrix phase boundary, and mechanical retention force were investigated by X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM) in combination with energy dispersive spectrometry (EDS), and Raman spectroscopy, respectively. The results show that Fe carbides are found at the diamond/matrix phase boundary. The mechanical retention reaches 387 MPa, the absolute value of which is much lower than that of thermal residual stresses of about 4.6 GPa. It is resulted from relaxation stress by plastic deformation of matrixes during cooling and lattice distortions of diamond and Fe carbides at the diamond /matrix phase boundary.

Fe-Cu based diamond composite ultra thin saw blade; interfacial reaction; mechanical retention; Raman spectroscopy

TF125.13

A

1673-0224(2015)2-213-05

陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1146)；陕西理工学院校级人才启动项目(SLGQD13(2)-17)

2014-04-15；

2014-09-10

董洪峰，讲师，博士。电话：15129766410；E-mail: donghongfeng@163.com