制粒劑對無壓燒結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.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004; 2.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004)

制粒劑對無壓燒結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.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004; 2.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004)

為了研究制粒工藝對無壓燒結金剛石工具胎體的性能的影響,實驗將不同含量的制粒劑加入到合金粉末中通過無壓燒結制備金剛石工具胎體試樣塊,研究了不同制粒劑含量對胎體力學性能的影響。結果表明:在燒結溫度為875℃、保溫時間為60min的無壓燒結工藝下,添加不同含量的制粒劑對胎體的燒結力學性能有著重要的影響。隨著制粒劑含量增加,胎體的力學性能都是逐漸下降的。

制粒劑;力學性能;金剛石工具;胎體,無壓燒結

近年來,我國的金剛石工具行業取得了快速的發展,對金剛石工具在質量、產量、品種等方面也有了更高的要求。傳統金剛石工具的制造采用人工稱料、冷壓、熱壓燒結等過程,使金剛石工具生產過程中的高能耗、低效率、勞動力密集等問題尤為突出,直接導致電力、人力成本直線上升。人工稱料不僅稱料頻繁,容易出錯,而且粉料在沒有特殊措施保護下,粉料中的濕潤劑、粘結劑在氣溫高時易揮發,對壓坯的質量會造成不良影響從而影響產品的質量[1～3]。因此現在許多企業都紛紛裝備自動冷壓的新設備,在自動冷壓工藝中,粉末需要先制粒,制粒后粉末流動性得到了提高,金剛石的分布會更加均勻,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無壓燒結胎體的相對密度、抗彎強度及硬度的影響。

1 實驗過程及方法

1.1 實驗原材料

40/45金剛石,自制的超細合金粉A,制粒劑。

1.2 混料及制粒

稱取一定量的A粉末于三維混料機中均勻混合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中均勻混合45 min。

1.3 制粒粉末的預處理及冷壓生坯

將制粒后的粉末置于H2和N2混合的保護氣氛燒結爐內進行還原,在400℃溫度下保溫30min。然后稱取一定計量的制粒粉料裝入冷壓模具中,并壓制成長方體試樣,設計生坯試樣尺寸規格為(29.5× 11.5×4.5)mm3。

1.4 無壓燒結

將冷壓生坯置于氫氣保護氣氛燒結爐內進行無壓燒結。燒結條件為:從550℃開始勻速升溫,升溫速率為200℃/h,當爐溫達到875℃時保溫60min,隨爐冷卻至675℃,再將試樣推至帶冷卻水的冷卻區中進行冷卻10min,最后將其推出。

1.5 實驗儀器

采用TH300型洛氏硬度計和CMT4304液壓萬能材料試驗機分別測量胎體試樣的硬度和抗彎強度,采用排水法測量胎體試樣的相對密度。采用Supereyes B008型顯微鏡對胎體抗彎試樣的斷口形貌進行分析。

2 結果及討論

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:

一是經過制粒,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];二是經過制粒的粉末,流動性提高,使機械容積投料可以代替人工稱料,這樣既節省了人力成本,也避免在人工稱料過程中的誤差,使生產效率提高,產品質量精度提高,實現自動化生產[5];三是造粒粉末由于金剛石已被胎體粉末包覆,在裝模時,不論是對冷壓用的鋼模還是熱壓用的石墨模,都會大大減輕對模具的磨損,延長了模具的使用壽命。此外,造粒粉末由于微細粉末已聚集成團粒,在后續工序中,微細粉末極易飛揚造成生產環境差的情況,可以得到有效改善。

2.2 制粒劑含量對胎體力學性能的影響

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

表1 制粒劑含量對胎體力學性能的影響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胎體的相對密度、抗彎強度、硬度的影響關系圖,隨著制粒劑含量的增加,胎體的相對密度、抗彎強度、硬度都逐漸下降,這是由于制粒劑是含碳-氫-氧的化合物,在高溫燒結過程中,制粒劑經不斷分解、揮發后在胎體內部產生大量空洞,在傳統的熱壓燒結過程中,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,胎體的相對密度較高,胎體的力學性能保持較好;但在本實驗無壓燒結過程中,制粒劑在高溫下揮發后使胎體內部留下孔洞,會使胎體的力學性能下降,制粒劑含量越多,殘留在胎體內部的孔隙越多,所以胎體的力學性能下降得越多。

圖1 制粒劑含量對胎體相對密度、抗彎強度及硬度的影響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.%),胎體內部孔洞的數量明顯增加,導致胎體的力學性能下降,這也驗證了圖1中的胎體的力學性能的變化趨勢。

2.4 制粒粉末的冷壓前預處理對胎體力學性能的影響

由以上數據可知制粒劑的添加量越多,胎體的力學性能下降得愈多。鑒于制粒工藝在金剛石工具胎體粉末自動冷壓過程中的作用,制粒劑的加入又是必要的,在本實驗中制粒劑添加量為2.5wt.%時對冷壓工藝是最優的,但力學性能下降得比較多。為了減輕制粒劑的添加對燒結后胎體力學性能下降的影響程度,本實驗采取的措施對制粒的粉末進行冷壓前的預處理。預處理工藝為:首先將添加制粒劑含量為2.5wt.%的已經制粒的粉末在400℃溫度下、充有H2和N2混合氣體的保護中進行保溫30min,使制粒粉末中的一部分制粒劑先揮發而又不破壞粉末的制粒效果,然后再對粉末進行冷壓成坯、最后無壓燒結。結果表明,經過預處理的制粒粉末燒結成的胎體的力學性能(即表1中7號試樣)比沒有經過預處理的制粒粉末(6號試樣)胎體的力學性能提高很多,比未加入制粒劑的胎體的力學性能下降較少。這樣加入2.5wt.%制粒劑的粉末經過預處理后既滿足了冷壓工藝的要求,又滿足了無壓燒結對胎體力學性能的要求。

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 結論

(1)制粒劑的添加量對金剛石工具胎體的力學性能有很大影響,隨著制粒劑添加量增加,金剛石工具胎體的相對密度、抗彎強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步驟,因此在添加制粒劑的含量時既要考慮粉末制粒對冷壓的影響,又要考慮制粒工藝對燒結后胎體力學性能的影響。本文通過對制粒粉末經過冷壓前預處理工藝,使其既滿足了冷壓工藝的要求,又保障了燒結后金剛石工具胎體的力學性能。

[1] 姜榮超,陶洪亮,尹育航.進一步提高我國金剛石工具質量的有效途徑[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用[J].金剛石與磨料磨具程,2002,3(129):38-40.

[4] 孟凡愛,劉英凱,王建強.粉末制粒工藝在金剛石工具制造中的應用研究[J].粉末冶金技術,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

廣西科學研究與技術開發計劃(科技創新能力與條件建設計劃)項目、(桂科能1270010);廣西區直科技型企業科研成果轉化項目(2011-1-20)

秦海青(1979-),男,高級工程師。