制粒劑對(duì)無(wú)壓燒結(jié)金剛石工具胎體的性能的影響①

雷曉旭,秦海青,盧安軍,林峰,蒙光海

(1.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004; 2.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

制粒劑對(duì)無(wú)壓燒結(jié)金剛石工具胎體的性能的影響①

雷曉旭1,2),秦海青1,2,盧安軍1,2),林峰1,2),蒙光海1,2

(1.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004; 2.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

為了研究制粒工藝對(duì)無(wú)壓燒結(jié)金剛石工具胎體的性能的影響,實(shí)驗(yàn)將不同含量的制粒劑加入到合金粉末中通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)制備金剛石工具胎體試樣塊,研究了不同制粒劑含量對(duì)胎體力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:在燒結(jié)溫度為875℃、保溫時(shí)間為60min的無(wú)壓燒結(jié)工藝下,添加不同含量的制粒劑對(duì)胎體的燒結(jié)力學(xué)性能有著重要的影響。隨著制粒劑含量增加,胎體的力學(xué)性能都是逐漸下降的。

制粒劑;力學(xué)性能;金剛石工具;胎體,無(wú)壓燒結(jié)

近年來(lái),我國(guó)的金剛石工具行業(yè)取得了快速的發(fā)展,對(duì)金剛石工具在質(zhì)量、產(chǎn)量、品種等方面也有了更高的要求。傳統(tǒng)金剛石工具的制造采用人工稱(chēng)料、冷壓、熱壓燒結(jié)等過(guò)程,使金剛石工具生產(chǎn)過(guò)程中的高能耗、低效率、勞動(dòng)力密集等問(wèn)題尤為突出,直接導(dǎo)致電力、人力成本直線(xiàn)上升。人工稱(chēng)料不僅稱(chēng)料頻繁,容易出錯(cuò),而且粉料在沒(méi)有特殊措施保護(hù)下,粉料中的濕潤(rùn)劑、粘結(jié)劑在氣溫高時(shí)易揮發(fā),對(duì)壓坯的質(zhì)量會(huì)造成不良影響從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量[1～3]。因此現(xiàn)在許多企業(yè)都紛紛裝備自動(dòng)冷壓的新設(shè)備,在自動(dòng)冷壓工藝中,粉末需要先制粒,制粒后粉末流動(dòng)性得到了提高,金剛石的分布會(huì)更加均勻,從而提高了冷壓制品的尺寸精度,因此粉末的制粒工藝尤為重要。

本文采用自行制備的合金粉末A,研究了添加不同含量的制粒劑對(duì)無(wú)壓燒結(jié)胎體的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度及硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

40/45金剛石,自制的超細(xì)合金粉A,制粒劑。

1.2 混料及制粒

稱(chēng)取一定量的A粉末于三維混料機(jī)中均勻混合60min;然后在混合粉中加入30%砂輪濃度的金剛石顆粒,再添加不同含量的制粒劑于三維混料機(jī)中均勻混合45 min。

1.3 制粒粉末的預(yù)處理及冷壓生坯

將制粒后的粉末置于H2和N2混合的保護(hù)氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行還原,在400℃溫度下保溫30min。然后稱(chēng)取一定計(jì)量的制粒粉料裝入冷壓模具中,并壓制成長(zhǎng)方體試樣,設(shè)計(jì)生坯試樣尺寸規(guī)格為(29.5× 11.5×4.5)mm3。

1.4 無(wú)壓燒結(jié)

將冷壓生坯置于氫氣保護(hù)氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)條件為:從550℃開(kāi)始勻速升溫,升溫速率為200℃/h,當(dāng)爐溫達(dá)到875℃時(shí)保溫60min,隨爐冷卻至675℃,再將試樣推至帶冷卻水的冷卻區(qū)中進(jìn)行冷卻10min,最后將其推出。

1.5 實(shí)驗(yàn)儀器

采用TH300型洛氏硬度計(jì)和CMT4304液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量胎體試樣的硬度和抗彎強(qiáng)度,采用排水法測(cè)量胎體試樣的相對(duì)密度。采用Supereyes B008型顯微鏡對(duì)胎體抗彎試樣的斷口形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 制粒在金剛石工具制造中的作用

制粒在金剛石工具制造中的作用主要有以下幾方面:

一是經(jīng)過(guò)制粒,可以使金剛石更好地被胎體粉末包覆,使金剛石在粉料中竄動(dòng)引起的不均勻性得到克服,從而改善金剛石工具的切割性能[4];二是經(jīng)過(guò)制粒的粉末,流動(dòng)性提高,使機(jī)械容積投料可以代替人工稱(chēng)料,這樣既節(jié)省了人力成本,也避免在人工稱(chēng)料過(guò)程中的誤差,使生產(chǎn)效率提高,產(chǎn)品質(zhì)量精度提高,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[5];三是造粒粉末由于金剛石已被胎體粉末包覆,在裝模時(shí),不論是對(duì)冷壓用的鋼模還是熱壓用的石墨模,都會(huì)大大減輕對(duì)模具的磨損,延長(zhǎng)了模具的使用壽命。此外,造粒粉末由于微細(xì)粉末已聚集成團(tuán)粒,在后續(xù)工序中,微細(xì)粉末極易飛揚(yáng)造成生產(chǎn)環(huán)境差的情況,可以得到有效改善。

2.2 制粒劑含量對(duì)胎體力學(xué)性能的影響

表1為未添加制粒劑及添加不同含量制粒劑(0.5wt.%～2.5wt.%)下對(duì)胎體的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度的影響。加入制粒劑的胎體的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度都比未添加制粒劑的要低,制粒劑的添加量越多,胎體的力學(xué)性能下降得愈多。

表1 制粒劑含量對(duì)胎體力學(xué)性能的影響Tab.1 Influence of different content of granulating agent on the mechanical properties of diamond tool matrix

圖1(a)、(b)、(c)分別為制粒劑含量對(duì)胎體的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度的影響關(guān)系圖,隨著制粒劑含量的增加,胎體的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度都逐漸下降,這是由于制粒劑是含碳-氫-氧的化合物,在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中,制粒劑經(jīng)不斷分解、揮發(fā)后在胎體內(nèi)部產(chǎn)生大量空洞,在傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)過(guò)程中,由于有外壓力的不斷“擠壓”,迫使這些大量的空洞被粉末顆粒填充,胎體的相對(duì)密度較高,胎體的力學(xué)性能保持較好;但在本實(shí)驗(yàn)無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中,制粒劑在高溫下?lián)]發(fā)后使胎體內(nèi)部留下孔洞,會(huì)使胎體的力學(xué)性能下降,制粒劑含量越多,殘留在胎體內(nèi)部的孔隙越多,所以胎體的力學(xué)性能下降得越多。

圖1 制粒劑含量對(duì)胎體相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度及硬度的影響Fig.1 Influence of different content of granulating agent on the relative density,the rigidity and the flexural strength of matrix

2.3 不同制粒劑含量對(duì)胎體的斷口形貌顯微分析

圖2(a)～(e)為添加不同含量(0.5wt.%～2.5wt.%)制粒劑的胎體的斷口顯微形貌(放大倍數(shù)均為200倍),從圖中可以看出,隨著制粒劑含量的增加(0.5wt.%增加到2.5wt.%),胎體內(nèi)部孔洞的數(shù)量明顯增加,導(dǎo)致胎體的力學(xué)性能下降,這也驗(yàn)證了圖1中的胎體的力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。

2.4 制粒粉末的冷壓前預(yù)處理對(duì)胎體力學(xué)性能的影響

由以上數(shù)據(jù)可知制粒劑的添加量越多,胎體的力學(xué)性能下降得愈多。鑒于制粒工藝在金剛石工具胎體粉末自動(dòng)冷壓過(guò)程中的作用,制粒劑的加入又是必要的,在本實(shí)驗(yàn)中制粒劑添加量為2.5wt.%時(shí)對(duì)冷壓工藝是最優(yōu)的,但力學(xué)性能下降得比較多。為了減輕制粒劑的添加對(duì)燒結(jié)后胎體力學(xué)性能下降的影響程度,本實(shí)驗(yàn)采取的措施對(duì)制粒的粉末進(jìn)行冷壓前的預(yù)處理。預(yù)處理工藝為:首先將添加制粒劑含量為2.5wt.%的已經(jīng)制粒的粉末在400℃溫度下、充有H2和N2混合氣體的保護(hù)中進(jìn)行保溫30min,使制粒粉末中的一部分制粒劑先揮發(fā)而又不破壞粉末的制粒效果,然后再對(duì)粉末進(jìn)行冷壓成坯、最后無(wú)壓燒結(jié)。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)預(yù)處理的制粒粉末燒結(jié)成的胎體的力學(xué)性能(即表1中7號(hào)試樣)比沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的制粒粉末(6號(hào)試樣)胎體的力學(xué)性能提高很多,比未加入制粒劑的胎體的力學(xué)性能下降較少。這樣加入2.5wt.%制粒劑的粉末經(jīng)過(guò)預(yù)處理后既滿(mǎn)足了冷壓工藝的要求,又滿(mǎn)足了無(wú)壓燒結(jié)對(duì)胎體力學(xué)性能的要求。

圖2 不同含量的制粒劑的胎體斷口形貌(×200)Fig.2 Fracture images of matrix at different content of granulating agent(×200)

3 結(jié)論

(1)制粒劑的添加量對(duì)金剛石工具胎體的力學(xué)性能有很大影響,隨著制粒劑添加量增加,金剛石工具胎體的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度及硬度都逐漸降低。

(2)制粒工藝在金剛石工具制造中是很重要的一個(gè)步驟,因此在添加制粒劑的含量時(shí)既要考慮粉末制粒對(duì)冷壓的影響,又要考慮制粒工藝對(duì)燒結(jié)后胎體力學(xué)性能的影響。本文通過(guò)對(duì)制粒粉末經(jīng)過(guò)冷壓前預(yù)處理工藝,使其既滿(mǎn)足了冷壓工藝的要求,又保障了燒結(jié)后金剛石工具胎體的力學(xué)性能。

[1] 姜榮超,陶洪亮,尹育航.進(jìn)一步提高我國(guó)金剛石工具質(zhì)量的有效途徑[J].金剛石與磨料磨具工程,2001,4(124):17-20.

[2] 姜榮超.制粒工藝在粉末冶金與金剛石工具中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具程,2003,134(2):74-76.

[3] 黃漫,羅錫裕.造粒粉末在金剛石工具中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具程,2002,3(129):38-40.

[4] 孟凡愛(ài),劉英凱,王建強(qiáng).粉末制粒工藝在金剛石工具制造中的應(yīng)用研究[J].粉末冶金技術(shù),2010,28(3):188-191.

[5] 程文耿,舒惠星金剛石圓鋸片冷壓成型新工藝裝備的探討[J].石材,2009(7):13-17.

Influence of Granulating Agent on the Properties of Pressureless Sintering Diamond Tool Matrix

LEI Xiao-xu1,2,QIN Hai-qinga1,2,LU An-jun1,2,LIN Feng1,2,MENG Guang-hai1,2
(1.National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin 541004; 2.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material,Guilin 541004.)

:In order to study the influence of granulating agent on the properties of pressureless sintering diamond tool matrix,different content of granulating agent is added into the alloy powder to prepare diamond tool matrix test-piece through pressureless sintering method.Through this experiment,the influence of different content of granulating agent on the properties of pressureless sintering diamond tool matrix has been interpreted.The result shows that under the pressureless sintering process with a sintering temperature of 875℃and a holding time of 60min,different content of granulating agent has a significant influence on the mechanical properties of the tool matrix.As the content increases,the mechanical properties decline gradually.

granulating agent;mechanical properties;diamond tool;matrix;pressureless sintering

TF12;TQ164

A

1673-1433(2014)02-0031-04

2014-06-23

雷曉旭(1987-),女,碩士,助理工程師。E-mail:leixiaoxu2006@126.com

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(科技創(chuàng)新能力與條件建設(shè)計(jì)劃)項(xiàng)目、(桂科能1270010);廣西區(qū)直科技型企業(yè)科研成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2011-1-20)

秦海青(1979-),男,高級(jí)工程師。