預(yù)合金粉對(duì)金剛石節(jié)塊性能影響研究①

左宏森,王鵬飛,寧春旭

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州450000;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

預(yù)合金粉對(duì)金剛石節(jié)塊性能影響研究①

左宏森1,王鵬飛1,寧春旭2

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州450000;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

對(duì)市場(chǎng)上銷售的幾種鐵銅預(yù)合金粉末在使用中對(duì)金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。在元素配方比例不變的前提下,利用等量比例的預(yù)合金粉代替原初的單質(zhì)混合粉,通過真空熱壓工藝進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),使用預(yù)合金粉末后的節(jié)塊的抗折強(qiáng)度與硬度遠(yuǎn)高于單質(zhì)混合料熱壓后的值。在進(jìn)一步對(duì)三種不同品種的鐵銅預(yù)合金基礎(chǔ)粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),預(yù)合金粉隨銅含量的增加,節(jié)塊抗折強(qiáng)度在降低,而硬度雖有所降低但變化幅度較小。

預(yù)合金粉;合金粉;硬度;抗折強(qiáng)度;鐵銅合金

1 引言

金剛石鋸切工具是目前我國(guó)金剛石工具中占比例最大的產(chǎn)品之一,而金剛石工具中的金屬粉末又是整個(gè)節(jié)塊中占比例最大的一部分。金剛石鋸切工具通常是通過冷壓燒結(jié)工藝或熱壓焊接工藝來完成生產(chǎn)的。在使用單質(zhì)混合粉生產(chǎn)金剛石工具的過程中,常出現(xiàn)燒結(jié)溫度高、流料量大、晶粒長(zhǎng)大或欠燒等現(xiàn)象。隨著市場(chǎng)對(duì)金剛石工具質(zhì)量要求的提高和生產(chǎn)成本降低的需要,金屬粉末越來越多地從最初的單質(zhì)粉末發(fā)展到預(yù)合金粉末。預(yù)合金粉末的使用具有許多單質(zhì)金屬粉末不具備的優(yōu)點(diǎn),本文以市場(chǎng)現(xiàn)有的幾種鐵銅合金粉末為例,通過進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),試圖說明在使用預(yù)合金粉末替代單質(zhì)混合粉末的過程中節(jié)塊性能的變化特點(diǎn),并認(rèn)為不能只是單純更換粉末,而應(yīng)該從工藝上和配方上都進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,才能滿足產(chǎn)品原材料更新?lián)Q代的要求,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料

Cu粉,電解法,-300;Fe粉,電解法,-300;Sn粉,霧化法,-300;Co粉,還原法,-300;Cr粉,還原法,-300;663青銅粉,霧化,-300;X3-320,霧化(氧含量≤0.5%),-300;X3-330,霧化(氧含量≤0.5%),-300;X3-340,霧化(氧含量≤0.5%),-300;液體石蠟。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

洛氏硬度計(jì),HR150;材料萬能試驗(yàn)機(jī), GHT4504;真空熱壓機(jī),RYJ-2000K。

2.3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程在相同的配方與工藝下對(duì)完全為單質(zhì)混合粉料與主要為預(yù)合金粉料的配方進(jìn)行并行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)配方為(FeCu)80Sn4Ni4Q6638.5,其它余量。

工藝過程:原材料粉末-配混料-裝石墨模-真空熱壓-表面清理—硬度檢測(cè)—強(qiáng)度檢測(cè)。

熱壓工藝曲線如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)熱壓工藝曲線Fig.1 curve graph of hot pressing process

圖2 加入X3-320合金粉前后節(jié)塊抗折強(qiáng)度的變化Fig.2 Change of segment flexural strength after addition of X3-320 alloyed powder

圖3 加入X3-320合金粉前后節(jié)塊硬度的變化Fig.3 Change of segment rigidity after addition of X3-320 alloyed powder

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 合金粉使用前后的對(duì)比

320合金粉和330合金粉是含銅分別為20%和30%的基礎(chǔ)預(yù)合金粉末。通過與使用單質(zhì)混合粉的節(jié)塊同步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較(圖2～圖5),發(fā)現(xiàn)在相同的配比與工藝條件下,無論是哪一種預(yù)合金粉末,在使用后,節(jié)塊強(qiáng)度和硬度均遠(yuǎn)高于使用單質(zhì)的粉末?？梢源_相信,這種結(jié)果與原材料預(yù)合金粉末的預(yù)合金化導(dǎo)致的合金硬度與強(qiáng)度高有直接的關(guān)系。另外在熱壓過程中,預(yù)合金粉末的使用幾乎不需要在鐵銅兩種主金屬之間進(jìn)行明顯的擴(kuò)散,直接表面形成類似單元系的燒結(jié)頸即可完成,所以在熱壓過程中,可以認(rèn)為預(yù)合金粉能大大縮短燒結(jié)時(shí)間,合金化程度明顯提高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于某一預(yù)期力學(xué)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),在相同的力學(xué)性能要求下可以通過較低熱壓溫度來獲得單質(zhì)混合料高溫時(shí)才能實(shí)現(xiàn)的性能,也可以在相同的條件下通過縮短熱壓時(shí)間來完成。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)使用純單質(zhì)粉末熱壓時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的流料現(xiàn)象使用預(yù)合金粉末后明顯減少。

圖4 X3-330合金粉末使用前后節(jié)塊強(qiáng)度的變化Fig.4 Change of segment flexural strength after addition of X3-330 alloyed powder

圖5 加入X3-330合金粉前后節(jié)塊硬度的變化Fig.5 Change of segment rigidity after addition of X3-330 alloyed powder

圖6 不同類型的預(yù)合金品種使用前后強(qiáng)度的比較(T燒=760℃)Fig.6 Influence of different types of pre-alloy powders on the strength of segments(T燒=760℃)

圖7 不同類型的預(yù)合金品種使用前后硬度的比較(T燒=760℃)Fig.7 Influence of different types of pre-alloy powders on the rigidity of segments(T燒=760℃)

3.2 預(yù)合金粉中銅含量變化對(duì)節(jié)塊性能的影響

圖6、圖7是X3-320、X3-330、X3-340三種不同預(yù)合金粉橫向試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果(熱壓溫度760℃),性能比較均在預(yù)合金粉末比例在80%的情況下進(jìn)行。全單質(zhì)粉試驗(yàn)時(shí)各元素含量與用預(yù)合金粉時(shí)的組分保持完全相同。預(yù)合金中含鐵量越高,節(jié)塊的硬度越高,但節(jié)塊強(qiáng)度并不與鐵含量的增加而同步提高,反而在適量時(shí)如X3-330預(yù)合金粉強(qiáng)度較高;單質(zhì)混合粉中鐵含量越高,強(qiáng)度和硬度都有所提高但變化幅度不大。這說明鐵銅兩種成分,在合適的熱壓條件下,成分比例的變化對(duì)硬度影響不大,重要的是強(qiáng)度的變化;另外,從強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,使用預(yù)合金粉后節(jié)塊的性能和純單質(zhì)粉混合料時(shí)單成分原料量的影響都有所變化。所以,對(duì)每一種型號(hào)的預(yù)合金粉使用結(jié)果不能用原來的單質(zhì)粉的作用進(jìn)行推斷。

4 結(jié)論

經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論:

(1)預(yù)合金粉在熱壓過程中由于合金化程度高,晶粒細(xì)小,節(jié)塊的抗折強(qiáng)度與硬度要遠(yuǎn)高于使用單質(zhì)粉,用預(yù)合金粉替代單質(zhì)粉可以大大降低熱壓溫度或熱壓時(shí)間。

(2)鐵銅組合形成的料與鐵銅預(yù)合金粉在銅含量20%～40%之間,熱壓燒結(jié)后對(duì)節(jié)塊的硬度影響很小,而對(duì)抗折強(qiáng)度的影響較大,預(yù)合金粉中30%銅含量時(shí)強(qiáng)度最高。

[1] 方嘯虎,劉瑞平,溫簡(jiǎn)杰,鄭日升.預(yù)合金粉末技術(shù)與Fe基預(yù)合金粉的研究進(jìn)展[C].2009中國(guó)超硬材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展論壇論文集,2009.

[2] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[3] [日]長(zhǎng)崎誠(chéng)三,平林真.二元合金狀態(tài)圖集[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[4] 徐浩翔,麻洪秋,羅錫裕,等.霧化預(yù)合金胎體粉末的制備及其在金剛石工具中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(1).

[5] 姜榮超,郭和惠.預(yù)合金粉末在金剛石工具中的應(yīng)用[C].2005中國(guó)超硬材料技術(shù)發(fā)展論壇,2005.

Powder on the Performance of Diamond Segment

ZUO Hong-sen1,WANG Peng-fei1,NING Chun-xu2
(1.Material Science and Engineering College of Henan University of Technology,Zhengzhou,China 450001) (2.China Nonferrous Metals(Guilin)Geology and Mining Co,.Ltd,Guilin,Guangxi,,China 541004)

The influnce of application of several Fe-Cu pre-alloyed powders form the current market on the mechanical properties of diamond segments has been compared through experiment.Under the same element formula ratio,the original elementary substance mixed powder has been substituted by pre-alloyed powder of equivalence ratio. Through the vacuum hot pressing experiment,it is found that the flexural Strength and rigidity of diamond segments with pre-alloyed powders are much better than that of the diamond segments with elementary substance mixed powder.Further experiment for three types of Fe-Cu pre-alloyed powders shows that the flexural Strength of the diamond segments decrease when the copper content in the pre-alloyed powders increases. The rigidity decreases also but the rangeability is relatively small.

pre-alloyed powder;alloyed powder;rigidity;flexural Strength;Fe-Cu alloy

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0015-04

2015-01-15

作者簡(jiǎn)介:左宏森,教授,河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系主任,主要從事超硬材料制品的教學(xué)與科研工作。