烧结工艺对金刚石串珠Cu基胎体性能的影响研究

杨理清

(桂林特邦新材料有限公司,广西桂林 541004)

烧结工艺对金刚石串珠Cu基胎体性能的影响研究

杨理清

(桂林特邦新材料有限公司,广西桂林 541004)

文章主要讨论了烧结温度、烧结压强对Cu基胎体硬度、抗弯强度、应力应变曲线及串珠剥离强度等力学性能的影响,实验结果表明:烧结温度、烧结压强对Cu基胎体力学性能影响显著,烧结温度越高,试样块的硬度值随之增高,达到最高值后变平稳,抗弯强度不断的增高,应力应变曲线由脆性断裂向韧性断裂发展;烧结压强越高,试样块的硬度值、抗弯强度值都呈现相应的增加;最后研究了烧结温度对串珠剥离强度的影响,结果表明在较低的烧结温度下,串珠胎体与基体结合强度明显不足,出现大量的串珠剥离现象,影响烧结串珠胎体的正常使用。

金刚石串珠;烧结工艺;Cu基胎体;力学性能

1 引言

随着绳锯产品应用越来越广泛,对其性能的要求也越来越高,但制备技术的门槛却明显降低,使得企业间的竞争加剧,产品价格的竞争开始出现白热化,绳锯的制备成本,尤其是金属配方粉末的成本成了企业主要关注的环节。另外,绳锯在进行岩石切割的过程中,往往会遇到岩石硬度高、晶粒细,研磨性弱等情况,该情况下,绳锯切割过程中会出现切割效率低,串珠胎体抛光,金刚石磨平而无法实现正常出刃的现象,这给绳锯的正常使用带来了难题。而Cu元素以其优异的综合性能引起了各超硬材料工具企业的关注,其具有相对超硬材料制备工具来说理想的烧结温度、优异的冷压成型性及可烧结性,并与其它元素有很好的相容性,与其它的金属形成化合物后,具有较高的抗弯强度、理想的硬度范围。更重要的是Cu具有相对较低的价格。因此,通过研究Cu基配方的性能对金刚石工具产品的配方开发有明显的需要,本文讨论的就是烧结工艺对Cu基配方硬度、抗弯强度、断裂曲线及串珠的剥离强度等力学性能的影响,以期为进一步开发Cu基配方做设计依据。

2 实验

本实验胎体以Cu为主体,占55%,配以17%的Co,其他元素Ni、Mn、Sn、Zn等占28%,通过配方设计进行研究,粉料的粒度为300目,烧结设备为真空热压烧结机,保温时间10min,制备的式样规格为30mm×12mm×6mm,每种制样数量为6块,制备串珠规格为Φ11.7×Φ8.0×H6.4,每种制备试样数量为30粒。

制备的试样块用于硬度、抗弯强度测试和断口形貌的观察,抗弯强度采用三点弯曲法在万能材料试验机上进行测试,通过分析得到应力应变曲线;硬度测试在HR-150A型洛氏硬度计上进行,采用HRB度量;断口形貌观察与分析应用SEM扫描电镜进行。

制备串珠试样用于剥离强度的测试,剥离强度在万能材料试验机上进行,测试的压力设计为35k N。

3 结果与讨论

3.1 烧结温度对试样块力学性能的影响

在进行烧结温度对试样块力学性能的影响时,我们分别设计了5个温度:750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,烧结压强为18MPa。

不同温度条件下,试样块的烧结致密度数据如图1所示。

图1 不同烧结温度下试样块致密度数据图Fig.1 Data graph of densities of the test samples under different sintering temperature

从图1的数据分析看,试样块的烧结致密度随着烧结温度的升高而不断升高,当到达770℃时,试样块的致密度达到最高值,随着温度的继续增加,烧结致密度略有下降,但幅度很小。从上表的数据变化趋势看,770℃前试样块致密度相对较低,而当达到770℃后,致密度的数值相对较为稳定,分析为770℃前试样块存在欠烧情况,但从整体的测试数据上看,试样的致密度数据值相差不大,并且都达到较高的致密度,可作为实验数据分析用。

不同温度条件下,试样块的硬度数据如图2所示。

从图2的数据分析看,试样块的硬度值随着烧结温度的增加而增加,当烧结温度达到770℃后,试样块的硬度值达到最高,但随着温度进一步升高,硬度值变化不大。分析主要是在770℃前,试样块存在欠烧情况,致密度不高,导致硬度偏低,而当770℃后,试样块基本完成致密烧结,因此硬度值保持稳定。

不同温度条件下,试样块的抗弯强度数据如图3所示。

从图3的数据分析看,试样块的抗弯强度随着烧结温度升高而升高,当烧结温度达到770℃后,试样块的抗弯强度值增加变得平缓,接近最高值。分析主要是在770℃前试样块尚未完全致密,抗弯强度因此偏低,当烧结温度到达770℃后,试样块完成致密烧结,抗弯强度值接近最高值,而随着烧结温度的进一步升高,试样块出现粉料流失情况,造成部分低熔点物质溢出,试样块抗弯强度略有增加,但韧性也开始增加(见应力应变图)。

图2 不同烧结温度下试样块硬度数据图Fig.2 Data graph of hardness of the test samples under different sintering temperature

图3 不同烧结温度下试样块抗弯强度数据图Fig.3 Data graph of bending strength of the test samples under different sintering temperature

3.2 烧结压强对试样块的力学性能影响

通过烧结压强对试样块力学性能的影响,选择770℃为该配方的最佳设计温度,设计3个压强值进行研究,分别是16MPa、18MPa、20MPa。

不同压强条件下,试样块的硬度数据值与抗弯强度数据值分别如图4、图5所示。

从图4的数据分析看,试样块的硬度数据值随着烧结压强的增加而增加,而770℃后试样块的硬度数值增加变得平缓,说明随着压力的增加试样块的致密度也在增加,硬度值也跟着增加,当烧结压强达到18MPa时,烧结试样块基本达到致密状态,随着烧结压强的进一步增加,试样块的烧结致密度变化不大,因此硬度数据值也增加不大。

从图5的数据分析看,试样块的抗弯强度数值随着烧结压强的增加而增加,同样烧结压强在18MPa后,试样块的抗弯强度数值增加变得平缓,说明当烧结压强达到18MPa后,试样块已经完成致密烧结,继续增加压强,试样块的致密度变化不大,因此抗弯强度数据值开始逐渐平稳。

图4 不同烧结压强下试样块硬度数据图Fig.4 Data graph of hardness of the test samples under different sintering pressure

图5 不同烧结压强下试样块抗弯强度数据图Fig.5 Data graph of bending strength of the test samples under different sintering pressure

3.3 烧结温度对应力应变曲线的影响

烧结温度分别为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,烧结压强18MPa的条件下,试样块的应力应变曲线如图6所示。

图6 不同烧结压强下试样块应力应变数据图Fig.6 stress-strain curves of test samples under different sintering temperature

从图6可以看出,随着烧结温度的增加,试样块的断裂压力不断的增加,断裂的时间也随着增加。在烧结温度750℃时,试样块的应力应变曲线斜率较大,断裂时间最短,说明试样块在烧结致密度较低时试样块呈现出强度不足,脆性断裂的现象,当烧结温度790℃时,试样块的抗弯强度最高,但断裂过程却呈现出了韧性增加情况,分析这主要是由于胎体中的低熔物在高温下发生溢出,导致了胎体韧性的增加。

3.4 烧结温度对试样块断面形貌的影响

图7到图11是烧结温度分别为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,烧结压力为18MPa时,试样块的断面形貌图。

从以上试样块断面形貌可以看出,770℃前试样块中低熔点液相物质开始熔解,但结晶粒大、小不均,晶粒间连接不够致密,说明烧结温度稍低,当烧结温度为770℃时,试样块中结晶粒变得均匀、致密,液相也已经均匀地渗透至各部分,没有发现液相聚集情况,说明试样块已完成致密烧结,而当烧结温度继续增加,试样块中的结晶粒仍然能保持均匀、致密,但断裂韧窝明显地增多,说明当烧结温度继续升高,试样块的韧性开始增加,这与图6的试样块应力应变曲线基本是一致的,分析主要是温度继续增加,试样块中的液相出现渗出,Cu-Cu原子建增强,Cu的韧性性能表现出来。

3.5 烧结温度对烧结串珠剥离强度的影响

图7 试样块750℃、18 MPa断面形貌图Fig.7 Section topography of the test sample at 750℃,18 MPa

表1为烧结温度分别为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,烧结压力为18MPa条件下制备的试样串珠,在万能材料试验机上采用35k N压力的条件下进行剥离强度性能测试的数据表,每一种试样串珠测试数量为30粒。测试试样串珠剥离强度数据如表1所示:

图8 试样块760℃、18 MPa断面形貌图Fig.8 Section topography of the test sample at 760℃,18 MPa

图9 试样块770℃、18 MPa断面形貌图Fig.9 Section topography of the test sample at 770℃,18 MPa

图10 试样块780℃、18MPa断面形貌图Fig.10 Section topography of the test sample at 780℃,18 MPa

图11 试样块790℃、18 MPa断面形貌图Fig.11 Section topography of the test sample at 790℃,18 MPa

表1 试样串珠在不同烧结温度条件下串珠剥离数据表Table 1 Beads stripping data of the style beads under different sintering temperature co nditions

从表1的测试数据可以看出,当烧结温度低于770℃时,试样串珠出现剥离现象,而烧结温度达到770℃以上后,试样串珠的剥离现象没有发生,说明烧结温度对串珠的剥离强度影响非常地大,分析主要是在烧结温度760℃、750℃条件下,配方胎体存在欠烧情况,尚未完全致密,胎体与基体之间没有充分地相互渗透、反应导致固定强度不足,从而出现串珠剥离的现象,因此当烧结温度提高至770℃以上时,串珠剥离的现象就没有了。

4 总结

(1)烧结温度与压强对Cu基配方的性能影响是十分明显的,因此在进行工艺设计时,这是需要认真考虑的因素。

(2)当烧结温度为770℃,压强为18MPa时,该Cu基配方可以烧结致密,不再出现串珠剥离现象。

(3)随着烧结温度的增加,胎体会导致低熔点元素流失,Cu基胎体的应力应变曲线会发生变化,性能也由脆性变为韧性,Cu的韧性性能表现出来。

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Study of the Influence of Sintering Technology on Performance of Cu-based Matrix of Diamond Beads

YANG Li-qing
(Guilin Tebon Superhard Material Co.,Ltd,Guilin,Guangxi,china 541004)

In this article,the influence of sintering temperature and sintering pressure on the mechanical properties of the Cu based matrix such as hardness,bending strength, stress-strain curve and peel strength of bead have been mainly discussed.Experiment result shows that the sintering temperature and sintering pressure have a significant influence on the mechanical properties of the Cu based matrix.The hardness of the test sample increases as the sintering temperature raises and becomes stable as it reaches the maximum value,and the bending strength keep increasing.The stress-strain curve develops from brittle fracture to ductile fracture.The hardness and bending strength of the test sample increases as the sintering pressure raises.At last,the influence of sintering temperature on the peel strength of bead has been studied.Result shows that the peel strength of bead matrix and substrate is obviously insufficient under low sintering temperature.Beads stripping is very common which influences the normal use of the sintered bead matrix.

sintering process;Cu based matrix;Mechanical properties.

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0009-05

2015-09-25

杨理清(1984-),男,学士,材料科学与工程专业,主要从事超硬材料工具制品的研究和开发工作。

杨理清.烧结工艺对金刚石串珠Cu基胎体性能的影响研究[J].超硬材料工程,2015,27(6):9-13.