烧结设备对锯片性能的影响及在生产中的应用研究

2019-07-03彭乃聪张翠芳张智强梁亚青

超硬材料工程 2019年2期

彭乃聪,张翠芳,张智强,梁亚青

(河北小蜜蜂工具集团有限公司，河北石家庄 050800)

随着烧结金刚石锯片市场需求的不断变化，近年来异形齿产品、超薄波纹片、瓷砖片、热压波纹片等产品的需求不断增长。产品形式、规格的变化，各种预合金粉的使用，对烧结设备、烧结工艺都提出了更高的要求；生产效率高、劳动强度低、烧结质量稳定、外观效果好、后序加工简便，这些都是各厂家普遍关注的问题。

我公司作为国内专业的金刚石圆锯片生产厂家，一直密切关注着行业设备的发展动态，与同行业其他厂家对比，公司烧结设备在种类上较为齐全，目前国内使用较多的钟罩炉(自制)、四柱式热压炉、隧道式连续炉三种设备[1]，公司均有多年使用经验。本文主要通过对以上三种设备应用特点、烧结后产品尺寸、性能等方面进行对比分析，探讨不同烧结产品如何选择烧结设备、烧结工艺，从而达到理想的烧结状态和使用效果。

1 烧结设备简析

1.1 钟罩炉(自制)

钟罩炉(自制)，采用三区加热，配置炉胆，炉座直径有Φ400、Φ500两种尺寸。可以利用烧结罩的自重在烧结过程中形成一定的压力，也可以采用千斤顶在烧结过程中施加一定的压力，达到更高的胎体致密度。

优点：热电偶在炉胆内，测温准确，精度高；设备投资小，工艺灵活，不同型号的锯片可以组合装炉；产量高，根据产品烧结是否需要进行加压，装炉数量分别为800～1200片/炉,1200～1600片/炉。

缺点：上、中、下区温差偏大，易出现偏生、偏厚的产品；千斤顶加压需人工操作，劳动强度大，加压质量取决于工人熟练度，要求较高；炉罩循环升、降温，热量损失较大，能耗较高。

1.2 四柱式烧结炉

四柱式烧结炉，以郑州金海威公司生产的烧结炉为代表，分带胆、不带胆两种，是目前国内使用较为普遍的一种烧结设备。设备测温和加热分三区(上、中、下)独立进行，下顶式加压，可实现全程加压烧结，压力测量采用应变式压力传感器，专用压力控制器实现压力闭环控制。

优点：升温快，生产效率高；可以在烧结过程中通过液压系统施加稳定、可控的压力，烧结产品的致密度高，这是该设备最大的优势所在；后期改进产品采用高温电热带，炉丝使用寿命、温度均匀性、升温效率均有所提高。

缺点：上、中、下区温差偏大；产量偏小(但后期产品的炉膛尺寸、装炉高度加大，产能有所提高)；不带胆烧结炉产品出炉时会短时间暴露在空气中，产品、工装氧化较重，工装使用寿命短，后期带炉胆的烧结炉在此方面有较大改善；炉罩循环升、降温，热量损失较大，能耗较高。

1.3 隧道式热压连续炉

隧道式热压连续炉也是目前国内使用较为普遍的一种烧结设备，采用隧道式电炉结构，隧道内四面电炉丝加热，整台电炉设置三段预烧区、四段烧结区共七段温区(后期产品改进为八段温区)，这种结构便于调整烧结工艺。烧结区与冷却区之间设置加压装置，采用单舟加压的方式进行加压，压力及压头行程可控。冷却区分为自然冷却和水冷却结合、可控风冷却和水冷却结合、水冷却三段组成，便于调整冷却工艺[1]。

图3 隧道式热压连续炉Fig．3 Tunnel furnace

优点：炉管内温度控制精度高、温度均匀，烧结产品稳定性好；烧结区较多，便于工艺微调，可根据实际情况灵活设置，满足不同的烧结需求；烧结后可加压，产品致密度较高；保温性能好，热量损失小，能耗小。

缺点：温差较大的工艺调整需要时间较长；部分特殊产品采用出炉后加压的方式效果不理想；烧结产品致密度较四柱式烧结炉仍有差距；工人劳动强度偏大，自动化程度有待进一步提高。

2 烧结设备对产品的影响

根据公司生产和国内外市场情况，选取Φ230D干片、Φ110干片(高铁配方，铁含量>65%以上)、Φ105热压波纹片、Φ105超薄波纹片四种具有一定代表性的产品，采用不同设备烧结后随机抽取一定数量产品进行测试对比。对比参数选择有较大影响的产品外径、刀头厚度、刀头硬度(注：以上参数测量均为垂直交叉测量)，并进行对比切割测试。

2.1 烧结后产品参数对比

(1)外观尺寸

产品外径尺寸：四柱式烧结炉>钟罩炉(自制)>隧道式连续炉(图4)

刀头厚度：隧道式连续炉>钟罩炉(自制)>四柱式烧结炉(图5)

产品尺寸均匀度：隧道式连续炉>钟罩炉(自制)>四柱式烧结炉

四柱式烧结炉由于烧结过程中可施加持续稳定的压力且压力较大，烧结后产品外径最大，刀头厚度最薄，对于采用开放式工装(外径无限位)烧结产品(如Φ230D产品)而言，此特点尤为明显，刀头向外延

图4 产品外径对比Fig．4 Outer diameter contrast

图5 刀头厚度对比Fig．5 Comparison of Tool Head Thickness

展较多。对于封闭式工装，由于外径有限位，差别则较小。钟罩炉(自制)烧结过程中也可施加压力，但压力相对较小，锯片外径变化小于四柱式烧结炉；隧道式连续炉由于是在烧结完成后施加压力并保压的，且在等待压制的过程中，锯片温度会有一定程度降低，因此锯片外径变化相对最小。

产品均匀性方面，隧道炉炉温均匀度较好，产品外径、刀头厚度均匀度最好，而四柱式烧结炉和钟罩炉(自制)由于上、中、下区温差偏大，所以烧结后产品偏差也较大。外径偏差对产品性能影响不大，但会导致锯片后续开顶刃时砂轮损耗大幅度增加，额外增加生产成本，影响不可小觑。

此外锯片平面度、内孔也是锯片外观尺寸控制的重要数据，内孔公差、平面度超差的话，直接影响着锯片使用时的手感和切割精度[2]。根据公司生产统计，采用隧道式连续炉烧结，绝大多数锯片基体平面度≤0.1mm，达到技术要求，内孔公差也在技术要求范围内，不需要再进行校平和铰孔加工；采用四柱式烧结炉和钟罩炉(自制)烧结，锯片基体变形量及变形产品的数量都明显增加，内孔也普遍偏小，增加了后续校平、铰孔工序的工作量。这主要是由于隧道式热压炉冷却区较长，冷却速度较慢，避免了急速冷却，锯片内孔和基体平面度受到的影响较小，而四柱式烧结炉和钟罩炉生产的产品刀头外侧冷却速度较基体快，导致内孔收缩量、基体变形量均较大[3]。

(2)刀头硬度

图6 刀头硬度对比Fig．6 Hardness contrast of knife head

刀头硬度对比见图6。综合对比，刀头硬度：隧道式连续炉>钟罩炉(自制)>四柱式烧结炉。

刀头硬度对比得出的结果与我们日常的认知有较大的出入，理论分析四柱式烧结炉烧结致密度应该是三者中最高的，电镜下胎体组织的检测也印证了这一点，但结果相同产品其刀头硬度反而最低，我们分析认为这主要与其胎体合金化程度有关。产品采用四柱式烧结炉烧结时，由于整个烧结过程中施加了较大的压力，因此在较低的温度下，配方中低熔点元素形成的液相即可以较为充分地流动填充，所以其烧结工艺设定温度较连续炉、钟罩炉(自制)要低，从而使其胎体合金化程度较其他设备偏低，导致硬度也略低[4]；此外，烧结气氛对合金化的影响也是可能的一个因素，连续炉密封性最好，烧结气氛最稳定，刀头合金化程度最好。

2.2 切割性能对比

通过对比试切数据，三种设备烧结产品总体性能相差不大，均在产品要求的正常范围内，四柱式烧结炉产品锋利度、耐磨度比其它烧结炉略高，但产品性能波动性也较其他设备略大。隧道式烧结炉产品切割性能最稳定(图7、图8)。

2.3 刀头断面组织对比

对三种设备烧结产品的切割性能刀头断面的电镜图做一个分析。通过胎体断面组织图，最直观的印象就是四柱式烧结炉产品致密度明显最好，胎体中孔洞最少，提高了胎体的耐磨性，金刚石把持力也较高，但由于合金化程度相对不足，低熔点元素填充在晶间，使得胎体脆性偏大，有利于提高产品锋利度，但同时降低了胎体的耐磨性；钟罩炉(自制)、隧道式连续炉烧结产品相近，均存在较多孔洞，封闭式孔洞结构在工具实际使用中，有利于提高产品的锋利度，但胎体致密度不够，会加速胎体磨损，降低胎体的耐磨性，金刚石把持力也会受到一定影响，但其胎体合金化程度较好，又提高了胎体的耐磨性[5]。以上多种作用相互综合的结果，使得三种设备烧结出的产品在使用性能方面的差异并不明显(图9)。