Sn元素诱导的Fe-30Cu-xSn基体低温致密化与综合性能协同提升

《Results in Engineering》：Sn-induced low-temperature densification and balanced property enhancement in Fe-30Cu-xSn matrices

　　

Fe-Cu基复合材料（Ferrous-Copper-based matrices）作为金属结合剂金刚石工具中传统Co基和W基结合剂（binders）的替代材料，因其成本效益优势而备受关注。然而，该类材料较高的致密化温度不仅增加了制造成本，还可能导致金刚石磨料发生石墨化（graphitization）降解。本研究采用真空热压烧结技术，在1073 K下制备了Fe-30Cu-xSn（x=0, 3, 6 wt%）系列基体材料，系统考察了Sn元素添加对材料致密化行为、微观组织及服役性能的影响规律。研究结果表明，Sn元素的引入通过溶解于Fe富集相（Fe-rich phase）和Cu富集相（Cu-rich phase）显著加速了致密化进程。当Sn含量为3 wt%时，材料达到最高相对密度99.67%，同时硬度适度降低至约198 HV_0.2，这主要归因于较软的Cu富集相发生均匀化与粗化。在3.5 wt% NaCl溶液中，3 wt% Sn基体表现出最优异的耐蚀性能，其腐蚀电位（corrosion potential）最正、腐蚀电流密度（corrosion current density）最低且电荷转移电阻（charge-transfer resistance）最高，上述改善源于微电偶（micro-galvanic）驱动力的降低以及致密微观结构对稳定保护性表面膜形成的促进作用。摩擦学测试表明，3 wt% Sn样品具有最低的磨损率，而6 wt% Sn样品虽可降低摩擦系数但过度软化与剥落导致了磨损加剧。随Sn含量增加，材料抗拉强度由780.16 MPa降至485.71 MPa，而延伸率提升至约11.4%，断裂模式由脆性断裂向韧性断裂转变。综合考虑，3 wt% Sn基体在低温致密化、耐蚀性与耐磨性之间实现了最佳平衡，尽管伴随有抗拉强度的降低。因此，Fe-30Cu-3Sn成分可作为金属结合剂金刚石工具用基体材料的候选方案，能够满足致密化、耐蚀性、耐磨性与力学性能的综合要求。

金属结合剂金刚石工具在现代制造业中用于加工硬脆及高磨蚀性材料，凭借其卓越的硬度、强度及切削效率而不可或缺。其中，金属基体承担着牢固把持金刚石磨料并调控其出露高度的关键功能，直接决定刀具寿命与加工性能。传统上，钴（Co）基与钨（W）基结合剂因具有高强度、优良金刚石保持性及良好耐磨性而被广泛采用，但Co的战略稀缺性导致成本攀升与供应链风险，而W基基体自锐性差等问题促使研究人员致力于开发可持续、高性价比的替代材料。Fe基基体，特别是Fe-Cu预合金体系，因成本低廉、来源丰富且性能与Co相当而受到关注；Cu对金刚石的良好润湿性有助于增强金刚石保持力，Fe与Co的原子相似性则赋予其可比的力学性能。然而，Fe-Cu基体通常需要高于1123 K的烧结温度才能实现完全致密化，高温不仅增加制造成本，更会导致金刚石磨料热降解或石墨化，因此降低烧结温度同时保持或提升基体性能至关重要。

向Fe-Cu基体中添加低熔点元素Sn是一种有效策略。Sn可促进原子扩散、颗粒重排及瞬时液相烧结（transient liquid-phase sintering），从而显著降低烧结温度。已有研究表明Sn可改善Co基、Cu基等金属体系中烧结致密化、相分布及力学性能，如形成Cu-Sn液相促进烧结、生成低熔点液相改善WC与Fe基体的结合等。但在互不混溶的Fe-Cu体系中，Sn对微观组织、致密化行为及多功能性能（耐蚀性、磨损行为等）的具体影响尚缺乏系统研究，尤其在1073 K低温真空热压烧结条件下的工作更为匮乏。基于此，研究人员开展了关于0~6 wt% Sn对Fe-Cu基体致密化、微观组织、耐蚀性、摩擦磨损及力学强韧性耦合影响的系统性实验研究。

研究所用样品为商业化水雾化Fe-30Cu-xSn预合金粉末，由河南泰祥实业有限公司提供，D₅₀中位粒径5.38 μm，三种成分分别为Fe-30Cu-0Sn、Fe-30Cu-3Sn和Fe-30Cu-6Sn。采用真空热压烧结技术在1073 K、25 MPa条件下制备块体试样，烧结制度为：以10 K·min^-1升温至823 K保温2 min（10 MPa），再以8 K·min^-1升至1073 K并加压至25 MPa保温30 min。表征手段包括：阿基米德排水法测密度及相对密度；X射线衍射（XRD）进行物相分析；扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）观察微观组织；维氏显微硬度测试（1.96 N载荷，10 s保压时间）；电化学工作站进行动电位极化曲线及电化学阻抗谱（EIS）测试（3.5 wt% NaCl溶液，三电极体系）；万能试验机进行室温拉伸试验；球-盘式往复摩擦磨损试验机（CMS TRB3）进行干滑动摩擦磨损测试（GCr15钢球对磨，5 N法向载荷，5 mm振幅，5 cm·s^-1往复速度）。

**Sn对微观组织及物相的影响**

SEM观察显示，无Sn样品（S1）中Cu富集相以细小颗粒形式弥散分布于Fe富集基体中，存在大量孔隙及微裂纹；3 wt% Sn样品（S2）中Cu富集相转变为条带状或岛状结构，连续性增强且粗化，孔隙数量及尺寸显著减少；6 wt% Sn样品（S3）中Cu富集相进一步粗化为大块状区域，部分孔隙再度出现且尺寸增大。XRD分析表明，三种样品均检测出体心立方Fe富集相（(110)、(200)、(211)晶面）与面心立方Cu富集相（(111)、(200)、(220)晶面），未观察到明显含Sn相。但精细分析发现，S2与S3中~45°处衍射峰向低角度偏移（分别偏移0.194°和0.536°），且峰宽增加（半高宽由S1的0.195°增至S3的0.217°），表明Sn原子固溶于Fe和Cu晶格引起晶格膨胀，同时有效晶粒尺寸减小。EDS面Roseal mapping验证Sn分布于两相中，在Fe富集区含量较低，在Cu富集区更为富集。

**密度与硬度**

随Sn含量增加，相对密度呈非单调变化：S1为98.44%，S2达最高值99.67%，S3略降至99.23%，表明3 wt% Sn时致密化效果最佳。硬度则单调降低，由S1的202.65 HV_0.2降至S2的198.62 HV_0.2及S3的184.23 HV_0.2，反映最优致密化与硬度之间存在权衡。

**电化学腐蚀行为**

在3.5 wt% NaCl溶液中，S2表现出最正的腐蚀电位（E_corr = -0.62 V，相对于S1的-0.81 V和S3的-0.83 V）、最低的腐蚀电流密度（I_corr = 9.59×10^-6 A·cm^-2，相对于S1的1.83×10^-5 A·cm^-2和S3的2.60×10^-5 A·cm^-2）以及最高的电荷转移电阻（R_ct = 661.31 Ω·cm²，约为S1的1.6倍、S3的1.8倍）。EIS玄机分析显示，S2的Nyquist图半圆直径最大，Bode图低频区阻抗模值最高，相位角最接近-90°，表明其具有发展良好的电容性行为及有效保护层。S2的优异耐蚀性归因于减少的微电偶驱动力及有利于稳定保护性表面膜形成的致密均匀微观结构。

**摩擦磨损性能**

摩擦系数（COF）随Sn含量增加先升后降：S1为0.476，S2为0.579，S3降至最低的0.276，这与基体软化及润滑性氧化物/转移膜易形成有关。但磨损率呈相反趋势：S3 > S1 > S2，即S3磨损率最高而S2最低。磨损形貌分析表明，S1以磨粒磨损（微切削、犁沟）为主，表面存在深而连续的沟槽及大量细屑；S2沟槽较浅，剥落坑减少，呈现稳定的近表层变形；S3则出现涂抹区域、宽沟槽及大面积层状剥落，表明存在严重塑性变形及粘着/层状磨损。尽管高Sn含量促进润滑氧化物膜形成，但过软基体无法提供足够机械支撑，导致膜层在循环应力下反复碎裂剥落。

**拉伸性能与断裂行为**

随Sn含量增加，极限抗拉强度由780.16 MPa（S1）单调降至485.71 MPa（S3），而断裂延伸率由约6.4%显著提升至约11.4%。S1断口平坦，存在大量近球形颗粒压痕，为典型脆性断裂；S2呈现大而浅的韧窝及解理面，为韧脆混合断裂；S3以深而密集的韧窝为主，为完全韧性穿晶断裂。这反映了Sn增强液相烧结改善颗粒间结合，使材料由脆性向韧性转变。

综合讨论与机制分析表明，Sn在Fe-30Cu基体中发挥双重作用：一方面通过形成瞬时液相促进低温致密化，另一方面通过固溶改变相组成与分布。3 wt% Sn时液相量适中，有效促进毛细管驱动的孔隙消除及颈部长大，形成高度致密、均匀的微观组织；6 wt% Sn时过量液相在压力下被挤出或封闭为孔隙，导致密度略降及组织粗化。Sn在Cu富集相中溶解度较高，形成过饱和固溶体或细小Cu₆Sn₅等金属间化合物；在Fe富集相中溶解度极低，仅微量固溶。这种相选择性格差异导致Cu富集相粗化、Fe富集相晶格细化，进而影响力学及服役性能。

耐蚀性改善机制在于：S2的高致密性及均匀相分布促进稳定钝化膜形成，减少微电偶腐蚀；S3的粗大Cu块及孔隙为电解液侵入提供通道，Fe富集连续网络优先溶解加剧局部电偶耦合。耐磨性最优源于S2的高密度、适中硬度及稳定微观结构的协同作用。强度-塑性权衡则反映液相烧结改善颗粒结合但导致基体软化的本质矛盾。

研究结论如下：Sn固溶于Fe富集相和Cu富集相，改变Cu富集相形貌与连通性，促进液相辅助烧结，使3 wt% Sn时相对密度达最大值99.67%，硬度因较软Cu富集相粗化而降低；3 wt% Sn基体在3.5 wt% NaCl溶液中耐蚀性最优，归因于降低的电偶驱动力及致密均匀微观结构；干滑动磨损中6 wt% Sn虽摩擦系数最低但磨损率最高，3 wt% Sn因最优密度和微观结构稳定性而磨损率最低；Sn含量增加导致强度-塑性权衡，抗拉强度由~780 MPa降至~486 MPa，延伸率提升至~11.4%，断裂模式由脆性颗粒间脱粘转为韧性韧窝断裂咳嗽。综上所述，3 wt% Sn基体综合性能最佳，为高性能Fe-Cu基金刚石工具基体的低温加工提供了优化方案，Fe-30Cu-3Sn有望应用于石材/混凝土加工用金刚石圆锯片等领域，后续研究将验证含金刚石磨料时的实际性能。该论文发表于《Results in Engineering》期刊。