氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)金剛石工具胎體的性能差異分析

朱元昌, 黃海文, 楊理清

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

0 概述

金剛石工具無(wú)壓燒結(jié)工藝作為當(dāng)前國(guó)際上較為先進(jìn)的技術(shù),具有能耗低、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化生產(chǎn)程度高的優(yōu)點(diǎn),是目前國(guó)內(nèi)金剛石工具行業(yè)十分迫切需求的技術(shù),也是該行業(yè)科技工作者持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。由于無(wú)壓燒結(jié)通常選擇在腔體較大的設(shè)備中進(jìn)行,因此需要在燒結(jié)過(guò)程中通入保護(hù)性氣體以防止工件氧化。目前常用的兩種保護(hù)性氣體有氮?dú)夂蜌錃?前者價(jià)格相對(duì)低廉且安全性高,而后者因其具還原性,在燒結(jié)產(chǎn)品性能上可能具備一定優(yōu)勢(shì),然而兩者對(duì)燒結(jié)性能的影響究竟有多大還尚未明確。本文通過(guò)將冷壓好的預(yù)合金試樣塊,在同樣的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下,分別采用氫氣氣氛和氮?dú)鈿夥者M(jìn)行無(wú)壓燒結(jié),并對(duì)試樣塊的致密度、抗彎強(qiáng)度、硬度等主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比,為金剛石工具無(wú)壓燒結(jié)工藝的氣氛選擇提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

自制的超細(xì)合金粉A,粒度5～7 μm,密度8.19 g/cm3,其主要成分為Fe、Co、Cu等。

1.2 試樣塊冷壓

設(shè)計(jì)試樣塊100%致密度下的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為30 mm×12 mm×6 mm,粉料密度為8.19 g/cm3,由此算出試樣塊標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為17.69 g。用天平按標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量稱量8份超細(xì)合金粉A,并依次倒入冷壓模具中,單個(gè)模具型腔尺寸為30 mm×12 mm,一次同時(shí)壓制4塊,以此壓制出8個(gè)試樣塊冷壓坯,測(cè)量每塊的長(zhǎng)、寬、高并記錄。

1.3 無(wú)壓燒結(jié)

將8個(gè)試樣塊冷壓坯分為2組,分別進(jìn)行氮?dú)夂蜌錃鈿夥諢Y(jié),燒結(jié)工藝:從600 ℃開(kāi)始勻速升溫,升溫速率為 5℃/min,當(dāng)爐溫達(dá)到900 ℃時(shí)保溫60 min,然后將試樣推入帶冷卻水的冷卻區(qū)中,冷卻至室溫取出。

表1 氮?dú)夂蜌錃鈿夥諢Y(jié)工藝

1.4 性能測(cè)試

采用密度天平測(cè)量試樣塊密度(排水法);采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣塊的長(zhǎng)、寬、高,采用TH300型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣塊的硬度;采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣塊的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊致密度對(duì)比分析

由表2可以看出,氫氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)的試樣塊相比氮?dú)鈿夥障碌捏w積收縮率和致密度都略高一些。在液相燒結(jié)中,燒結(jié)的致密化程度與液相對(duì)固相的潤(rùn)濕性有很大關(guān)系。而當(dāng)粉末表面吸附氣體、雜質(zhì)或有氧化膜、油污存在時(shí),均會(huì)降低液相對(duì)固相的潤(rùn)濕性[3],從而阻滯了致密化過(guò)程。氫的還原性對(duì)消除氧化膜有利,可以改善潤(rùn)濕性,故氫氣氣氛下燒結(jié)的試樣塊致密度比氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)的更高一些。

表2 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊的尺寸和致密度

2.2 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊抗彎強(qiáng)度對(duì)比分析

由表3可以看出,兩種氣氛下無(wú)壓燒結(jié)試樣塊的抗彎強(qiáng)度僅相差1%,無(wú)明顯差異。根據(jù)抗彎強(qiáng)度與晶粒尺寸的Hall-Petch關(guān)系式可知,金屬材料的抗彎強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增加而減小[4]。在本試驗(yàn)中,兩種氣氛下的燒結(jié)溫度與時(shí)間一樣,晶粒長(zhǎng)大的程度較為接近,因此兩者的抗彎強(qiáng)度差異不大。

表3 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊的抗彎強(qiáng)度

2.3 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊硬度對(duì)比分析

由表4可以看出,氫氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)的試樣塊硬度明顯更高。對(duì)于粉末冶金材料而言,材料的硬度同時(shí)受到致密度和晶粒尺寸的影響,因此在晶粒長(zhǎng)大的程度差異不大的情況下,燒結(jié)后致密度成為影響硬度的主要因素[4]。對(duì)同一材料而言,燒結(jié)后胎體的洛氏硬度一般都隨著致密度的增大而增大。氫氣氣氛下燒結(jié)的試樣塊致密度更高,因而其硬度也更高[5]。

表4 氮?dú)夂蜌錃鈿夥障聼o(wú)壓燒結(jié)試樣塊的硬度

3 結(jié)論

(1)在同樣的燒結(jié)溫度及保溫時(shí)間條件下進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié),氫氣氣氛條件下試樣塊的致密度平均值為98.02%,硬度平均值為109.4 HRB,抗彎強(qiáng)度平均值為1 501 MPa;氮?dú)鈿夥諚l件下試樣塊的致密度平均值為97.10%,硬度平均值為104.5 HRB,抗彎強(qiáng)度平均值為1 484 MPa。

(2)在還原性的氫氣氣氛條件下進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié),相比中性的氮?dú)鈿夥?試樣塊的致密度高出1%,硬度高出5 HRB,抗彎強(qiáng)度無(wú)明顯差異,綜合來(lái)看性能的提升比較顯著。