金剛石工具粉末胎體熱硬性問題探討①

鄭超

(桂林礦產地質研究院國家特種礦物材料工程技術研究中心,桂林541004)

1 前言

我們在研究預合金粉末用于制造金剛石工具的過程中,對于如何表征金屬粉末胎體性能,感到十分困惑,對于胎體燒結后的物理力學性能,諸如胎體材料的硬度、抗彎強度、沖擊強度等只能作為胎體使用性能的參考表征指標。對于金剛石工具胎體最主要的使用性能要求,首先是對金剛石的包鑲能力,其次是其耐磨性與金剛石磨損的匹配以及與被加工材料磨損的匹配。以往不少文章在討論金剛石工具粉末胎體性能時指出胎體硬度高的,耐磨性不一定好。其中一個原因是由于胎體工作時溫度升高到一定程度時,硬度下降,從而磨損加速,這就是有些文章提到的胎體紅硬性問題。有的則作為胎體的高溫軟化點對其進行測試和研究。因為超硬材料工具也像機械加工行業的高速鋼工具一樣,在對材料的切割或鉆削過程中,要產生熱量,工具切削刃周圍的溫度也能達到400℃～600℃。而工具鋼的紅硬性和熱硬性是性能的重要因素。因此,有學者也曾經提出對超硬材料工具粉末胎體的紅硬性研究問題。但是在查閱有關論述高速工具鋼紅硬性和熱硬性資料之后,我們覺得此前業界公認的胎體紅硬性問題值得商榷,為此而撰寫了這篇文章,提出異議,與大家共同探討。

幾十年來,我們僅僅對粉末胎體靜載下的物理力學性能開展了大量的工作,卻忽視對高溫條件下的胎體性能進行深入的研究了解。可是,若要建立一套比較完善的金剛石工具性能評價體系,必須研究高溫下的粉末胎體性能并設計一套完善的測試設備,才能獲得比較實際和直接的胎體性能表征方法。遺憾的是我們這方面工作剛剛開始,投入不足,認識十分淺薄,只能做一點初淺的探討。

2 紅硬性與熱硬性的界定

人們把高速鋼刀具切削刃口出現暗紅色而未失去切削能力,紅還硬的特性定名為“紅硬性”,它表示鋼在使用受熱過程中保持組織和性能穩定的能力。當切削溫度超過其回火溫度,其溫度的上升和硬度的下降呈線性關系.當硬度降至HRC60時,刀具的磨損驟然增加,而且幾乎喪失切削能力。刀具紅硬性的測試,一般是將刀具以一定時間加溫到600℃以上,然后冷卻到室溫(20℃)所測得硬度值即為紅硬性。刀具在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度,而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好則紅硬性好。

粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法產生的,其特點是具有接近硬質合金的硬度,而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強韌性。工具鋼制成工具經熱處理后具有足夠高的硬度,如用于金屬切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所產生高溫的受熱條件下,仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。碳素工具鋼和合金工具鋼一般在180℃～250℃、高速工具鋼在600℃左右的工作溫度下,仍能保持較高的硬度。紅硬性對高速切削刀具用鋼是非常重要的性能。而高速工具鋼的熱硬性又稱刀具的高溫硬度,系指刀具在高溫工作條件下保持高硬度的能力.熱硬性與紅硬性是不同的概念.紅硬性是在室溫下測得的硬度值,而熱硬性是在高溫下直接測得的。紅硬性和熱硬性的另一區別是,同種鋼材同規格產品在同樣溫度下試驗,硬度值相差很大.600℃,W 18C r4V鋼的紅硬性和熱硬性分別為HRC 62.5、HV 520(HRC51)。W6M o5C r4V 2鋼分別為HRC62.5、HV 509(HRC50)。為何產生如此大的差異,必須從鋼加熱時的變化說起,鋼的加熱軟化,是由兩個過程引起的。一是鋼的基體在溫度變化時,不發生組織變化而引起強度(硬度)變化,其特征是升溫時變軟,降溫時又恢復原來的硬度,稱之為可逆軟化(這主要取決于基體相的成分,在高速鋼中,由于w、M o、C r、V、Co等合金元素溶人基體,提高了基體的高溫強度,于是減少了鋼的軟化,有較強的穩定性);二是由于鋼的組織在升溫時發生變化,由硬組織變為軟組織,如馬氏體分解、碳化物集聚以及基體(一相)的再結晶,這些變化都是不可逆的,故當溫度降至室溫時,高溫時的軟組織被保留下來,稱之為不可逆軟化。高溫硬度就是淬火回火鋼在扣除上述兩種軟化過程后保留下來的硬度,所以熱硬性比紅硬性要低。應該用熱硬性來衡量高速鋼的可逆軟化過程,而用紅硬性來衡量不可逆軟化過程。

可想而知,超硬材料學術界前輩或同仁,在金剛石工具胎體性能研究中借鑒了工具鋼的紅硬性概念。如今,在了解清楚高速工具鋼的紅硬性和熱硬性的界定之后,對于金剛石工具粉末胎體的高溫硬度應該定義為粉末胎體的熱硬性更為確切。因為我們需要的是胎體在高溫(600℃左右)下的硬度,而不是回到室溫后測得的硬度。

3 金剛石工具胎體與工具鋼熱硬性特點分析

若要借鑒高速工具鋼有關熱硬性的研究方法和成果,開展對超硬材料粉末胎體的熱硬性研究,首先要分清各自的不同特點:

(1)工具鋼的硬度高,粉末胎體的硬度低。工具鋼熱處理后的硬度>HRC 60;而粉末胎體的硬度

(2)高熱硬性的含鈷工具鋼的Co含量為10%左右,世界聞名的M 42即Co-M o高速鋼,其Co含量為8%。它的熱硬性表現為可由普通高速鋼的560℃提高到600℃(>60HRC),從而使切削速度明顯提高。據說每增加1%的Co含量,切削速度可相應提高1%～3%。

(3)高速工具鋼和金剛石工具胎體的加工工藝完全不同,即使冶金粉末高速工具鋼,也要經過鍛打、淬火、回火工藝過程。刀具經過淬火達到相當高的硬度,又經回火保持其高的硬度穩定性。而胎體則是經熱壓燒結而成,其硬度由胎體成分和熱壓燒結工藝所決定。

(4)一般高性能金剛石工具胎體的含鈷量均超過20%,繩鋸串珠胎體的含鈷量更高,在60%～80%之間,其熱硬性應該很好,有待測試證實。

(5)金剛石工具在高溫下工作的切削刃尖是金剛石,而不是鋼,不存在熱硬性問題。當溫度接近900℃時,金剛石碳化,完全失效。

(6)粉末胎體在高溫下的胎體硬度變化,其硬度的降低將影響胎體的耐磨性和抗彎強度,但主要是前者。假設該胎體在高溫前(300℃～400℃)的研磨性與工具對被加工材料的切割狀態是匹配的。那么,在高溫下由于胎體硬度的降低而破壞了它的匹配,致使胎體磨損快,切割效率降低,工具工作壽命縮短。這就是粉末胎體熱硬性的影響。當然,由于熱硬性引起的胎體硬度和強度的降低,也減弱胎體對金剛石的支撐而影響胎體對金剛石的包鑲能力。

(7)不同金剛石工具的工作特性對熱硬性的要求不同。有的線速度低,冷卻條件好,散熱快,溫度提高不大,也就不存在熱硬性問題。而有的工具工作線速度高,達到40m/s,例如繩鋸,它的工作條件十分惡劣,冷卻條件差,串珠單點接觸巖石,切削距離長,自轉轉速很慢,因此,發熱情況比較嚴重,要求胎體有好的熱硬性。有意識地進行串珠胎體熱硬性研究,將有助于金剛石繩鋸產品質量的提高。

綜上所述,金剛石工具胎體熱硬性與工具鋼熱硬性差異很大,狀況更為復雜。目前,既無高溫測量硬度設備,更無測定標準,所以開展研究工作的難度很大。

4 熱硬性是表征胎體性能的重要指標

金剛石工具用于對脆性材料的加工,不論是鋸片切割巖石板材,或是繩鋸的大面積切割巖石,包鑲有金剛石的胎體都是以較高的速度與巖石接觸,線速度高達40m/s,相互的磨擦使胎體發熱達到非常高的溫度(400℃～600℃),以致胎體軟化,硬度下降。只是由于胎體成分、燒結工藝、被加工材料特性等諸多影響因素的變化其軟化溫度不同,也就是熱硬性的差異,至今也還沒有制定出一種量化指標,有待進一步深入研究確定。而胎體熱硬性的好壞,直接表現為胎體的耐磨性。我們要求工具的最佳工作狀態是金剛石磨損速率與胎體磨損速率一致,亦即金剛石與胎體同步磨損,以保證金剛石切削刃的不斷磨損、脫落和出露,這就是金剛石工具的自銳性特點;當胎體的磨損速率小于金剛石的磨損速率,也就是胎體硬度過高,金剛石難以出露,就像鉆頭在鉆進過程中產生的打滑現象,而由于熱硬性不好,當高溫時硬度下降,使得胎體磨損速率快于金剛石的磨損速率,致使胎體過早地被磨損而把持不住金剛石,使金剛石脫落而過早失效。因此胎體熱硬性的好壞既影響胎體耐磨性與金剛石磨損速率的匹配,又影響胎體對金剛石的包鑲。

胎體配方在其它成分相同的情況下,含Co比例越大,熱硬性越好;而同等含Co量的預合金粉末胎體的熱硬性更好。當然,這可以作出許多的理論分析,但我們更著重于開展對不同配方粉末胎體熱硬性的測試以及進行相應的磨損匹配試驗的具體工作,以求證實上述論點正確與否。為此,我們制訂了一套胎體熱硬性試驗大綱,提出了胎體高溫硬度測試裝置設計方案和胎體磨損試驗裝置設計方案。其中磨損試驗裝置的磨輪既不采用碳化硅砂輪,也不用帆布輪和砂漿磨料。而是用我們自己生產的金剛石或立方氮化硼砂帶柔性磨輪。在試驗時,胎體樣塊與柔性磨輪接觸,有一定彈性,接觸面大,柔性磨輪的工作壽命長,整個試驗裝置結構簡單,可供參考。見圖1所示。

圖1 耐磨試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wear testing experimental device

5 小結

應該建立表征金剛石工具胎體性能的熱硬性概念。胎體硬度高低的單一指標,不能表征粉末胎體的耐磨性。而在高溫下表征的胎體熱硬性是影響胎體耐磨性和金剛石包鑲能力的重要因素。隨著胎體熱硬性的深入研究和認知,以及測試設備的完善,通過業界有識之士的共同努力,不斷地實踐和探索,熱硬性有望成為業界公認的金剛石工具粉末胎體的重要性能指標。

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