【推荐】CuSnTi金属结合剂的制备及形成机理的研究铜基金刚石

随着科技的日新月异和工业的飞速发展，在加工制造领域对加工效率及加工精度都有了更高的要求。对加工工具即磨具性能的要求也随之提高，在实际应用过程中，金属结合剂金刚石磨具因其导热性能优异、易成型等优点，被广泛地应用与精密加工和超精密加工领域，特别是铜基金属结合剂金刚石磨具占有重要的地位。

为了使青铜结合剂具有较好的结合性能，便加入一定量的金属。其中，钛可以与碳形成化合物，在金刚石与铜基结合剂之间起到过渡连接的作用，大大的增加了铜基金属结合剂对金刚石的把持力。一定条件下，钛与碳易形成化合物，但是，由于其较好的柔韧性，因此需要加入适当金属进行增强。

为了进一步提高其结合性，一些学者采用添加一些钼、碳化钨、氧化锆等物质的方式，对其结合性能进行研究。文中采用真空热压法制备Cu-Sn-Ti金属结合剂，并对其微观结构的形成机理进行了阐述。

1. Cu-Sn-Ti金属结合剂的制备工艺

1.1

制备Cu-Sn-Ti金属结合剂的原料

利用铜、钛等金属粉制备Cu-Sn-Ti金属结合剂，所用原料的主要性能参数如表1所示。

1.2

烧结工艺参数的确定

热压烧结不仅可以降低烧结温度，还可以缩短烧结时间。因此，热压烧结在很大程度上，提高了生产效率，减少了能源消耗，并在金刚石制品的生产中得到了广泛地应用。结合热压烧结的优点，本文采用热压烧结法进行制备。在实际的烧结过程中，内在因素（如：晶格缺陷、结晶构造）和外在因素（如：烧结气氛、烧结温度）对烧结制品有着不同程度的影响。下面主要对外在因素对烧结的影响及烧结参数的确定进行介绍。

1.2.1

烧结气氛

烧结气氛对烧结制品的性能以及烧结过程有着重要的影响。烧结气氛不仅对烧结颗粒或压坯造成影响，也会对添加物的作用效果产生影响。适当的烧结气氛可以防止和减少烧结过程中，因外界环境而产生的对烧结有害的反应；减少有害杂质，促进烧结的顺利进行；维持或改变烧结体中的有用成分，提高烧结性能。

烧结气氛的主要类型：氧化气氛、还原气氛、真空气氛、惰性气氛、渗氮气氛和渗碳气氛。以铜基金属结合剂为研究对象，而在铜基金属结合剂烧结过程中为减少其表层氧化和保证实验数据的可靠性，最终选用真空气氛烧结。

1.2.2

烧结时间

在实际的烧结过程中，烧结时间对烧结制品的性能有重要的影响。当烧结体达到一定的致密化程度后，其对烧结体性能的影响就会减小；相反，会使得晶粒长大和二次再结晶，造成产品性能的下降。同时，如果烧结时间过长，就会造成制品的报废和成本的提高。一般烧结时间的确定原则：烧结温度较高时，可以缩短烧结时间；反之亦然。根据此原则和实际经验，采用的烧结时间为6min。

1.2.3

烧结压力

烧结过程中，当对烧结体施加外压时，其原子的激活能得以降低，进而起到活化烧结的作用。当受到一定外压作用时，原子的迁移机制由扩散转变为滑移、粘性流动或塑性流动，促近烧结体的致密化程度。在液相烧结中，外应力不仅有利于液相的流动和固相的重排，还可以提高表面原子的扩散、溶解，减少烧结体致密化的时间和降低烧结温度。根据烧结体的规格和烧结条件，确定烧结压力为23KN/mm2。

1.2.4

烧结温度

根据烧结热力学烧结理论，温度的升高有利于颗粒间或液相界面的反应；特别是吸热反应，温度的升高会大大地降低系统的自由能，从改善其烧结性能。根据烧结动力学，温度的升高有利于颗粒的扩散，进而促进烧结的进行。在实际的生产和实验中，要避免“过烧”和“欠烧”现象的出现。因此，适当的烧结温度对于制品的性能有着重要的影响。一般对于金属粉末，起始烧结温度为熔点的0.4-0.5之间，这恰好是金属的再结晶温度；比较适合的烧结温度为（0.5-0.6）T熔，其下限略高于再结晶温度，上限则需要根据烧结体成分及粒度等进行确定。在本实验中，首先，根据烧结成分及粒度等对其烧结温度进行初步确定640℃。然后，通过性能测定来确定其最佳烧结温度，具体实验结果如图1所示。

660℃时，出现了轻微溢流现象；680℃时，出现了较严重的溢流。根据图1可知：烧结温度的过高或过低都会影响烧结体的力学性能；640℃为Cu-Sn-Ti金属结合剂的最佳烧结温度。最终烧结工艺参数：烧结气氛，真空；烧结温度，640 ℃；烧结压力，23KN/mm2；保温时间，6min。

1.3

制备工艺

采用RYJ-2002Z真空烧结压机进行Cu-Sn-Ti金属结合剂的制备。其具体的制备工艺流程如图2所示。

2. Cu-Sn-Ti金属结合剂的形成机理

2.1

Cu-Sn-Ti金属结合剂的示差扫描量热分析（DSC）

选择Cu-Sn金属结合剂和Cu-Sn-Ti金属结合剂为研究对象，然后进行示差扫描量热分析（DSC）。Cu-Sn金属结合剂和Cu-Sn-Ti金属结合剂的DSC曲线，如图3所示。从图中可以看出：Cu-Sn-Ti金属结合剂比Cu-Sn金属胎体结合剂的DSC曲线上的明显吸热峰和放热峰相同；Cu-Sn-Ti金属结合剂的DSC曲线比Cu-Sn金属结合剂的DSC曲线相对靠上。从热力学上角度分析，钛的加入并没有出现明显的放热峰，表明在此过程中没有新的物理或化学反应的发生，即Cu-Sn-Ti金属胎体中没有新物质的生成。为进一步对Cu-Sn-Ti金属结合剂进行微观分析，需要通过扫描电子显微镜（SEM）对其金相组织结构进行分析。

2.2

Cu-Sn-Ti金属结合剂的微观结构

通过扫描电镜（SEM）对Cu-Sn-Ti金属结合剂的金相组织进行能谱分析，能谱采集的位置分别如图4所示，能谱分析结果分别如表2所示。从图3和表2可以看出：Cu-Sn-Ti金属结合剂中形成了以钛为中心，铜锡为壳的结构，即Ti/Ti-Cu/Ti-Cu-Sn/Cu-Sn；其中，从中心向外钛含量逐渐减小，锡的分布从Cu-Sn-Ti层开始降低，铜的分布为先减后增。然后，采用线扫描的方式进行分析测定，其结果如图4所示。从图中可知，其扫面结果与点面能谱分析的结果一致。

2.3

Cu-Sn-Ti金属结合剂的形成机理

在实际的烧结过程中，往往伴有变形颗粒的回复和再结晶，粒子间的扩散、流动、溶解、化合等一系列的物理化学变化。Cu-Sn-附作用，而锡对钛的吸附作用大于铜对钛的吸附作用。在烧结初期，以钛为中心周Ti金属结合剂所用原料的基本参数如表所示。从表中可知：所用原料的粒度相同，而钛、铜和锡的原子逐渐增大，因此当粒度相同时，其对应的比表面积逐渐增大。同时，比表面积越大，其对其它原子的吸附作用就越大，所以锡和铜对钛都有一定的吸围，会聚集大量的锡原子和铜原子。

从热力学角度分析，粉末的烧结是系统自由能减小的一个过程，并依靠物质的传质和迁移来实现的。由于锡的熔点较低（232℃），当温度达到其熔点时，锡开始由固相向液相发生转变。在热压烧结初期，锡发生固液转变，液相锡对固相的润湿状况较差如图5（a）所示，而固态颗粒之间存在空隙，在压力的作用下，液态的锡就会沿着锡发生体积扩散，即锡开始向外迁移；此时，钛周围的锡逐渐减少。随着温度和压力的增加，固液间的接触面积会逐渐的增大如图5（b）所示，同时固体烧结程度也随着增加，其空隙也逐渐的减小，所以锡沿固体间隙的体积扩散会逐渐的减弱；钛周围的锡趋向消失，锡从内到外呈逐渐减少的变化趋势。当压力和温度达到接最大值时，固液间结合达到最大如图5（c）所示，固液界面将在浓度差的驱动下发生界面扩散；同时钛和铜的固固界面也在浓度差的驱动下发生扩散。随着烧结的结束，便形成了以钛为中心铜锡为壳的结构，即Ti/Ti-Cu/Ti-Cu-Sn/Cu-Sn。

3. 结论

（1）Cu-Sn-Ti金属结合剂烧结工艺参数：烧结气氛，真空；烧结温度，640 ℃；烧结压力，23KN/mm2；保温时间，6min。

（2）烧结工艺参数、原子特性、热力学以及动力学行为的共同作用形成了以钛为中心向铜-锡过渡的结构，即Ti/Ti-Cu/Ti-Cu-Sn/Cu-Sn的化学结合。

钛合金金刚石具有较好的应用前景，在金属或陶瓷结合剂磨具中得到了广泛的应用。此外，钛在金属钎焊焊料方面也有着重要的地位。随着科技的迅速发展，钛合金金属结合剂磨具将最大限度的满足加工制造领域对加工效率及加工精度的要求。

免责声明：本文摘自陈锋、董德胜、黎克楠、吴磊涛、孙如芳的《Cu-Sn-Ti金属结合剂的制备及形成机理的研究》，爱锐网本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的摘录，为网友免费提供，并已尽力标明作者与出处，如有著作权人或出版方提出异议，将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们，以便我们及时纠正。

上海光学影像测量机厂家

高精度光学测量仪

上海影像仪官方