刘一波，曹彩婷，杨志威，徐 良

(1. 钢铁研究总院，北京　100081;2. 北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，北京　102200)



石墨材料对铜锡胎体性能影响的实验研究

刘一波1,2，曹彩婷1，杨志威2，徐 良2

(1. 钢铁研究总院，北京100081;2. 北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，北京102200)

为了研究不同形状和表面处理工艺的石墨材料对Cu-Sn预合金粉胎体性能的影响，文章选择了普通片状石墨、球形石墨和表面镀覆金属的石墨等原材料，并设计不同石墨含量的对比试验，借助SEM形貌、力学性能测试等方法分析胎体性能的变化情况。实验结果表明：在铜锡胎体中，等量添加形状规则的球形石墨与形状不规则的片状石墨相比，试样硬度、抗弯强度值变化不大，试样密度略有提高；与普通石墨相比，加入等量镀覆石墨能提高胎体硬度和抗弯强度，且随表面镀覆金属含量增多，硬度和抗弯强度提高越多，密度也随之提高；随着石墨加入量增多，胎体硬度、抗弯强度和耐磨性均会降低。

石墨形态;石墨含量;Cu-Sn胎体;性能影响;金刚石辅助材料

1　引言

在金刚石工具的制造和研究工作中，一般考虑的问题是强化胎体的力学性能，以期提高工具的耐用度；但当加工对象为硬度高、脆性大的难加工材料时，就需要改变研究思路。针对这一情况，有学者提出“弱化”胎体概念[1]，即胎体材料为了满足金刚石工具的正常工作反而有目的的降低胎体某些性能的方法。关于胎体弱化的研究，目前已有诸多报道，如宋月清[2]研究的非金属粉末对铜基胎体性能的影响，Shubin REN[3]研究的片状石墨含量和分布对铜基复合材料的性能影响，韩娟[4]研究的碳含量对高铁基胎体性能的影响等。

由于石墨具有造孔、润滑和吸氧的作用，并可有效防止金属结合剂磨具钝化、锋利性变差和减轻磨削堵塞等问题[5,6]，常被用作一种调节磨具磨削性能的材料而加入。本文将选择普通片状石墨、球形石墨和表面不同镀覆量的石墨共四种原材料，并加入不同含量的石墨对铜锡胎体性能的影响进行研究(见图1)。

图1　不同形态石墨的SEM形貌图Fig.1　SEM morphology of different forms of graphite

2　实验方案

本文主要研究添加不同形态、不同含量的石墨对胎体力学、物理性能的影响，具体实验方案参数设定如表1所示：

3　验材料与方法

3.1实验原材料

Cu-Sn预合金粉，400/500目金刚石，-300目片状石墨、球形石墨、镀铜增重50%和60%的石墨等。

3.2实验方法

试样制备工艺流程、热压烧结工艺见图2、图3。

表1　实验方案参数设定表

图2　试样制备工艺流程图Fig.2　Process flow diagram of the sample preparation

图3　试样热压烧结工艺曲线图Fig.3　Hot-pressing sintering process graph of the samples

3.3实验仪器

TB2三维混料机、手动冷压机、井式烧结炉、VS60/3型真空热压烧结炉、万能试验机、千分级天平、JSM-6400型扫描电镜、超景深三维显微镜、自制简易磨削设备。

自制磨削设备用于检验试样的耐磨性，其原理是将试样作为磨削工件，蓝宝石晶块做被磨工件，利用数控箱控制步进电机带动刀头做行程为30 mm的往复运动，在水溶液的冷却下，分别测量单位时间内(30 min)试样的损耗质量Msc和被磨削工件的损耗质量Mwc，根据公式计算磨耗比Φ=Msc/Mwc，每组数据均取6 个试样的平均值作为检测结果。

4　实验结果与分析

4.1石墨形态对试样性能的影响

实验方案中编号1#—4#的试样，实验变量依次是添加片状石墨、球形石墨、镀铜增重50%的石墨和镀铜增重60%的石墨，该组对比实验用来检测石墨形态对试样性能的影响。试样各项检测性能结果见表2、图4。

表2　石墨形态对试样性能的影响

图4　石墨形态对试样性能影响趋势图Fig.4　STrend of the influence of graphite morphology on sample performance

由表2、图4可以看出，在铜锡合金结合剂中，等量添加形状规则的球形石墨与形状不规则的片状石墨相比，试样硬度、抗弯强度值变化不大，试样密度略有提高；与加入普通石墨相比，加入表面经过镀覆处理的石墨，能很好地提高试样硬度和抗弯强度，而且随着镀覆金属含量的增多，试样的硬度和抗弯强度提高越多，试样密度也随之提高。

分析原因，主要是因为石墨在铜锡合金结合剂中与金属的烧结粘结性差，但当添加表面镀铜石墨后，由于镀铜本身与石墨形成了较强的结合，表层的镀覆铜和铜锡结合剂又可以形成金属与金属之间的烧结，使得镀铜石墨与结合剂的粘结方式变为无孔隙粘结(图5)；而且规则形状的球形石墨较不规则形状的片状石墨更能与铜锡结合剂形成很好的粘结[6]。故加入球形石墨比片状石墨的试样硬度、抗弯强度升高幅度很小，密度略有提高；添加镀铜石墨的试样比添加普通石墨的试样硬度和抗弯强度有大幅度提高，密度值也更大。

图5　石墨镀覆后与结合剂结合方式的变化图Fig.5　The change of ways in which the plating graphite bonds with binding agent

4.2石墨含量对试样性能的影响

实验方案中编号为5#—8#的试样，实验变量为石墨含量。实验结果如表3、图6所示。

从图6的实验结果中可以看出，在铜锡合金结合剂中加入石墨后，试样的硬度、抗弯强度均有随石墨加入量的增多而降低的趋势；磨耗比则有随石墨加入量的增多而升高的趋势，即试样的耐磨性随石墨加入量的增多而下降。

表3　石墨含量对试样性能的影响

图6　试样性能随石墨添加量的变化趋势图Fig.6　The trend of sample performance with the change of graphite content

分析原因是因为石墨的加入，起了软化、隔离胎体的作用，所以使试样硬度、抗弯强度和耐磨性下降，石墨的加入量越多，性能下降越明显。

5　结论

根据实验结果及分析可得出以下结论：

(1)在铜锡合金结合剂中，等量添加形状规则的球形石墨与形状不规则的片状石墨相比，试样硬度、抗弯强度变化不大，试样密度略有提高；

(2)与普通石墨相比，加入表面镀覆处理的石墨，能很好地提高胎体硬度和抗弯强度，且随着镀覆金属含量的增多，胎体的硬度和抗弯强度提高越多，密度也随之提高；

(3)随石墨加入量增多，胎体硬度、抗弯强度和耐磨性均随之降低。

[1]宋月清, 甘长炎, 夏志华, 袁冠森. 金刚石工具胎体材料的性能”弱化”问题初探[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 1997, 5(101): 2-5.

[2]宋月清, 孙毓超. 非金属粉添加剂在弱研磨性石材切割工具中的应用[J]. 工业金刚石, 2005(2):26-35.

[3]Shubin Ren, Qingnan Hong, Jianhao Chen, Xinbo He, Xuanhui QU. The influence of matrix alloy on the microstructure and properties of (flake graphite + diamond)/Cu composites by hot pressing [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015(652):351-357.

[4]韩娟,姚炯彬,葛启录,刘一波.碳含量对高铁基胎体金刚石工具性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2011,4(16):625-629.

[5]左宏森, 陈俊. 石墨形态对青铜结合剂磨具性能的影响[J]. 中国科技财富, 2011(14):132.

[6]王秦生.金刚石烧结制品[M].北京：中国标准出版社,2002,83.

Experimental Study of the Influence of Graphite Material on Performance of Copper-Tin Matrix

LIU Yi-bo1,2，CAO Cai-ting1，YANG Zhi-wei2，XU Liang2

(1.Central Iron & Research Institute Group, Beijing, China 100081;2.BeijingGangYanDiamondProductsCompany,Beijing,China102200)

In order to study the influence of graphite materials of different shapes and surface treatment technology on performance of the Cu-Sn pre-alloy powder matrix, raw materials such as ordinary flake graphite, spherical graphite and metallic plating graphite have been chosen to analyze the change of matrix performance through contrast tests of different graphite contents with the help of other approaches such as SEM morphology and mechanical performance testing. Result shows that compared to the matrix with irregular shaped flake graphite, the matrix with equivalent regular shaped spherical graphite has little change in hardness and bending strength with a slightly increase in density. Compared to common graphite, the equivalent metallic plating graphite can improve the hardness and bending strength of the matrix. The higher content of the plating metal on the surface will lead to more increase of the hardness and bending strength as well as the desity. As the graphite content increases, both of the hardness, the bending strength and the abrasive resistance of the matrix will decrease.

graphite morphology; graphite content; Cu-Sn matrix; influence on performances

2016-03-04

刘一波(1966-)，男，总工程师、教授级高级工程师。主要从事超硬材料制品制造与应用研究工作。E-mail：liuyibo@atmcn.com

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0018-04

引文格式：刘一波，曹彩婷，杨志威，等.石墨材料对铜锡胎体性能影响的实验研究[J].超硬材料工程，2016，28(3)：18-21.