制粒剂对无压烧结金刚石工具胎体的性能的影响①

雷晓旭,秦海青,卢安军,林峰,蒙光海

(1.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004; 2.广西超硬材料重点实验室,广西桂林541004)

制粒剂对无压烧结金刚石工具胎体的性能的影响①

雷晓旭1,2),秦海青1,2,卢安军1,2),林峰1,2),蒙光海1,2

(1.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004; 2.广西超硬材料重点实验室,广西桂林541004)

为了研究制粒工艺对无压烧结金刚石工具胎体的性能的影响,实验将不同含量的制粒剂加入到合金粉末中通过无压烧结制备金刚石工具胎体试样块,研究了不同制粒剂含量对胎体力学性能的影响。结果表明:在烧结温度为875℃、保温时间为60min的无压烧结工艺下,添加不同含量的制粒剂对胎体的烧结力学性能有着重要的影响。随着制粒剂含量增加,胎体的力学性能都是逐渐下降的。

制粒剂;力学性能;金刚石工具;胎体,无压烧结

近年来,我国的金刚石工具行业取得了快速的发展,对金刚石工具在质量、产量、品种等方面也有了更高的要求。传统金刚石工具的制造采用人工称料、冷压、热压烧结等过程,使金刚石工具生产过程中的高能耗、低效率、劳动力密集等问题尤为突出,直接导致电力、人力成本直线上升。人工称料不仅称料频繁,容易出错,而且粉料在没有特殊措施保护下,粉料中的湿润剂、粘结剂在气温高时易挥发,对压坯的质量会造成不良影响从而影响产品的质量[1～3]。因此现在许多企业都纷纷装备自动冷压的新设备,在自动冷压工艺中,粉末需要先制粒,制粒后粉末流动性得到了提高,金刚石的分布会更加均匀,从而提高了冷压制品的尺寸精度,因此粉末的制粒工艺尤为重要。

本文采用自行制备的合金粉末A,研究了添加不同含量的制粒剂对无压烧结胎体的相对密度、抗弯强度及硬度的影响。

1 实验过程及方法

1.1 实验原材料

40/45金刚石,自制的超细合金粉A,制粒剂。

1.2 混料及制粒

称取一定量的A粉末于三维混料机中均匀混合60min;然后在混合粉中加入30%砂轮浓度的金刚石颗粒,再添加不同含量的制粒剂于三维混料机中均匀混合45 min。

1.3 制粒粉末的预处理及冷压生坯

将制粒后的粉末置于H2和N2混合的保护气氛烧结炉内进行还原,在400℃温度下保温30min。然后称取一定计量的制粒粉料装入冷压模具中,并压制成长方体试样,设计生坯试样尺寸规格为(29.5× 11.5×4.5)mm3。

1.4 无压烧结

将冷压生坯置于氢气保护气氛烧结炉内进行无压烧结。烧结条件为:从550℃开始匀速升温,升温速率为200℃/h,当炉温达到875℃时保温60min,随炉冷却至675℃,再将试样推至带冷却水的冷却区中进行冷却10min,最后将其推出。

1.5 实验仪器

采用TH300型洛氏硬度计和CMT4304液压万能材料试验机分别测量胎体试样的硬度和抗弯强度,采用排水法测量胎体试样的相对密度。采用Supereyes B008型显微镜对胎体抗弯试样的断口形貌进行分析。

2 结果及讨论

2.1 制粒在金刚石工具制造中的作用

制粒在金刚石工具制造中的作用主要有以下几方面:

一是经过制粒,可以使金刚石更好地被胎体粉末包覆,使金刚石在粉料中窜动引起的不均匀性得到克服,从而改善金刚石工具的切割性能[4];二是经过制粒的粉末,流动性提高,使机械容积投料可以代替人工称料,这样既节省了人力成本,也避免在人工称料过程中的误差,使生产效率提高,产品质量精度提高,实现自动化生产[5];三是造粒粉末由于金刚石已被胎体粉末包覆,在装模时,不论是对冷压用的钢模还是热压用的石墨模,都会大大减轻对模具的磨损,延长了模具的使用寿命。此外,造粒粉末由于微细粉末已聚集成团粒,在后续工序中,微细粉末极易飞扬造成生产环境差的情况,可以得到有效改善。

2.2 制粒剂含量对胎体力学性能的影响

表1为未添加制粒剂及添加不同含量制粒剂(0.5wt.%～2.5wt.%)下对胎体的相对密度、硬度、抗弯强度的影响。加入制粒剂的胎体的相对密度、硬度、抗弯强度都比未添加制粒剂的要低,制粒剂的添加量越多,胎体的力学性能下降得愈多。

表1 制粒剂含量对胎体力学性能的影响Tab.1 Influence of different content of granulating agent on the mechanical properties of diamond tool matrix

图1(a)、(b)、(c)分别为制粒剂含量对胎体的相对密度、抗弯强度、硬度的影响关系图,随着制粒剂含量的增加,胎体的相对密度、抗弯强度、硬度都逐渐下降,这是由于制粒剂是含碳-氢-氧的化合物,在高温烧结过程中,制粒剂经不断分解、挥发后在胎体内部产生大量空洞,在传统的热压烧结过程中,由于有外压力的不断“挤压”,迫使这些大量的空洞被粉末颗粒填充,胎体的相对密度较高,胎体的力学性能保持较好;但在本实验无压烧结过程中,制粒剂在高温下挥发后使胎体内部留下孔洞,会使胎体的力学性能下降,制粒剂含量越多,残留在胎体内部的孔隙越多,所以胎体的力学性能下降得越多。

图1 制粒剂含量对胎体相对密度、抗弯强度及硬度的影响Fig.1 Influence of different content of granulating agent on the relative density,the rigidity and the flexural strength of matrix

2.3 不同制粒剂含量对胎体的断口形貌显微分析

图2(a)～(e)为添加不同含量(0.5wt.%～2.5wt.%)制粒剂的胎体的断口显微形貌(放大倍数均为200倍),从图中可以看出,随着制粒剂含量的增加(0.5wt.%增加到2.5wt.%),胎体内部孔洞的数量明显增加,导致胎体的力学性能下降,这也验证了图1中的胎体的力学性能的变化趋势。

2.4 制粒粉末的冷压前预处理对胎体力学性能的影响

由以上数据可知制粒剂的添加量越多,胎体的力学性能下降得愈多。鉴于制粒工艺在金刚石工具胎体粉末自动冷压过程中的作用,制粒剂的加入又是必要的,在本实验中制粒剂添加量为2.5wt.%时对冷压工艺是最优的,但力学性能下降得比较多。为了减轻制粒剂的添加对烧结后胎体力学性能下降的影响程度,本实验采取的措施对制粒的粉末进行冷压前的预处理。预处理工艺为:首先将添加制粒剂含量为2.5wt.%的已经制粒的粉末在400℃温度下、充有H2和N2混合气体的保护中进行保温30min,使制粒粉末中的一部分制粒剂先挥发而又不破坏粉末的制粒效果,然后再对粉末进行冷压成坯、最后无压烧结。结果表明,经过预处理的制粒粉末烧结成的胎体的力学性能(即表1中7号试样)比没有经过预处理的制粒粉末(6号试样)胎体的力学性能提高很多,比未加入制粒剂的胎体的力学性能下降较少。这样加入2.5wt.%制粒剂的粉末经过预处理后既满足了冷压工艺的要求,又满足了无压烧结对胎体力学性能的要求。

图2 不同含量的制粒剂的胎体断口形貌(×200)Fig.2 Fracture images of matrix at different content of granulating agent(×200)

3 结论

(1)制粒剂的添加量对金刚石工具胎体的力学性能有很大影响,随着制粒剂添加量增加,金刚石工具胎体的相对密度、抗弯强度及硬度都逐渐降低。

(2)制粒工艺在金刚石工具制造中是很重要的一个步骤,因此在添加制粒剂的含量时既要考虑粉末制粒对冷压的影响,又要考虑制粒工艺对烧结后胎体力学性能的影响。本文通过对制粒粉末经过冷压前预处理工艺,使其既满足了冷压工艺的要求,又保障了烧结后金刚石工具胎体的力学性能。

[1] 姜荣超,陶洪亮,尹育航.进一步提高我国金刚石工具质量的有效途径[J].金刚石与磨料磨具工程,2001,4(124):17-20.

[2] 姜荣超.制粒工艺在粉末冶金与金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具程,2003,134(2):74-76.

[3] 黄漫,罗锡裕.造粒粉末在金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具程,2002,3(129):38-40.

[4] 孟凡爱,刘英凯,王建强.粉末制粒工艺在金刚石工具制造中的应用研究[J].粉末冶金技术,2010,28(3):188-191.

[5] 程文耿,舒惠星金刚石圆锯片冷压成型新工艺装备的探讨[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

雷晓旭(1987-),女,硕士,助理工程师。E-mail:leixiaoxu2006@126.com

广西科学研究与技术开发计划(科技创新能力与条件建设计划)项目、(桂科能1270010);广西区直科技型企业科研成果转化项目(2011-1-20)

秦海青(1979-),男,高级工程师。