金屬粉末質(zhì)量控制對金剛石工具性能影響的探討（上）①

蕫書山，劉曉旭，胡占鋒，安文文

（河南黃河旋風股份有限公司，河南 長葛 461500）

1 前言

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應用于石材加工、陶瓷加工、道路施工及建筑裝修等眾多行業(yè)領域。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，尤其是基礎設施及建筑業(yè)的快速發(fā)展，金剛石工具的消費量每年以超過15%的遞增速度迅猛增長，其中金屬結(jié)合劑工具的消費量占85% 以上。目前，金剛石工具用金屬結(jié)合劑主要包括兩大類：一類是眾多生產(chǎn)廠家采用的單質(zhì)金屬粉末的混配體，另一類是以預合金粉末為主的粉末混配體，因而金屬粉末質(zhì)量是決定金剛石工具性能優(yōu)劣的基礎因素。在很多情況下，金剛石工具的制備性能不是取決于配方的調(diào)制水平，而是取決于金屬粉末質(zhì)量及制作工藝的控制?？梢哉f，目前制約金剛石工具制備水平的因素不在配方的設計，而在于原材料質(zhì)量的控制。很多中小工具制造商缺乏對原材料質(zhì)量重要性的認識，往往將注意力集中于配方的模仿、發(fā)掘及成本的降低方面，而忽視了至關重要的原材料質(zhì)量的監(jiān)控，當產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，總是從配方的調(diào)整方面考慮，而不從根本上詢查原因，因而常常走入配方越調(diào)越亂，最后不知所云的誤區(qū)。配方的調(diào)整應該在原材料及工藝裝備穩(wěn)定的前提下進行才能起錦上添花的作用，否則將是盲目而無效的。因此，金屬結(jié)合劑金剛石工具性能提高的根本途徑之一就是要嚴格控制原材料的質(zhì)量，尤其是易氧化元素的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 實驗方案

選用－200目的單質(zhì)Fe、Ni、Cu、Sn、Zn粉末及水霧化JF－01（FeCu30）基礎預合金粉末，測試各種粉末的氧含量、粒度、松比等理化性能指標，并按設定配方燒結(jié)花崗巖小鋸片，考察金屬粉末理化性能指標對燒結(jié)工藝及制品性能的影響，從而確定各種粉末理化性能指標的合理要求范圍，重點考察氧含量對工具性能的影響。

3 結(jié)果討論

金屬粉末質(zhì)量是決定金屬結(jié)合劑金剛石工具燒結(jié)工藝及成品性能的重要因素。表征金屬粉末質(zhì)量的性能指標有多種，其中氧含量、粒度、松比等幾項指標對實際應用有著顯著影響，直接決定著工具的混料均勻性、冷壓成型性、冷壓致密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)致密度、燒結(jié)硬度、抗彎強度、胎體對金剛石的把持力及胎體的磨損性能等一系列性能指標。從實際應用效果考察，粉末氧含量對金剛石工具的影響是首位因素，筆者曾對此進行過系統(tǒng)研究［2］，在此再將先前的研究內(nèi)容做一簡要歸納。

3.1 氧含量的影響

3.1.1 對冷壓成型性的影響

氧含量越高，冷壓成型性越差：主要是因為金屬氧化物會使粉末變硬，韌性下降，有損于壓制成型性，尤其是粉末表面氧含量過高時，會使粉末的粘附性增大［1］，降低壓制時粉末顆粒間的嚙合強度，使冷壓成型性變差。實際生產(chǎn)中當混料量大時，物料未用完存放一段時間后往往容易出現(xiàn)冷壓成型性變差的現(xiàn)象，這主要與粉末的氧化有關，尤其是在潮濕氣候條件下，問題則更突出。

3.1.2 對燒結(jié)溫度及工藝穩(wěn)定性的影響

氧含量越高，胎體的燒結(jié)溫度就越高，燒結(jié)工藝的穩(wěn)定性也就越差。這主要是因為金屬粉末氧化物，尤其是表面氧化物大大降低了粉末顆粒的表面活性，嚴重阻礙了燒結(jié)過程中粉末顆粒間的界面結(jié)合狀態(tài)，阻礙合金化進程，降低顆粒間界面結(jié)合強度，從而降低了胎體對金剛石的把持力。若要提高胎體的燒結(jié)強度，只有提高燒結(jié)溫度，以提供更高的燒結(jié)能量，才能部分抵消氧化膜的燒結(jié)阻礙作用，這就會帶來一系列問題：①能耗增加，生產(chǎn)成本上升；②溫度過高，易造成金剛石的燒蝕；③溫度過高，易引發(fā)低熔點料的大范圍流失；④溫度過高，胎體過硬，影響金剛石的出刃，降低鋒利度。對此，我們選用不同氧含量的Fe粉，再固定配方及工藝條件進行燒結(jié)實驗，以考察氧含量的變化對胎體性能的影響。實驗結(jié)果表明，氧含量越高，燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)體的致密化程度越低，低熔點料的流失率越大，胎體的性能惡化。

表面氧化物的存在阻礙了燒結(jié)過程中金屬粉末顆粒間的界面結(jié)合與合金化，影響燒結(jié)致密化進程。

3.1.3 對燒結(jié)胎體強度的影響

在相同的燒結(jié)溫度及壓力下，氧含量越高，胎體的燒結(jié)強度越低。

①氧含量相同時，燒結(jié)溫度越高，抗彎強度越高。這主要是由于溫度的提高有利于金屬粉末顆粒間的合金化，提高其界面結(jié)合強度，促進致密化進程。

②燒結(jié)溫度相同時，氧含量越高，試樣的抗彎強度越低。這主要是由于氧化物的存在阻礙金屬粉末顆粒間的合金化及界面結(jié)合強度，從而降低了抗彎強度。

金屬粉末的氧含量越高，冷壓致密性就越差，壓坯中存在許多“架橋”孔洞，燒結(jié)時難以消除。當Fe粉氧含量超過6000×10－6時，在各個燒結(jié)溫度下試樣抗彎強度的降低十分明顯，其降幅可達13.3%～24.8%，這將嚴重影響胎體的綜合機械性能及其對金剛石的機械把持能力，大大降低工具的鋒利度和使用壽命。

3.1.4 對燒結(jié)胎體硬度的影響

燒結(jié)胎體的硬度主要與金屬粉末顆粒的性質(zhì)、組織均勻性、界面結(jié)合強度及致密化程度（孔隙度）有關。金屬粉末氧含量對燒結(jié)試樣的硬度影響不顯著。若粉末內(nèi)部氧化物以彌散狀態(tài)分布，則會增加粉末顆粒內(nèi)部的晶格畸變能，提高顆粒硬度。圖1為不同氧含量的試樣在不同燒結(jié)溫度下的硬度變化情況。

圖1 不同氧含量的試樣在不同燒結(jié)溫度下的硬度變化Fig.1 Hardness change of samples with different oxygen content at different sintering temperatures

從圖1可以看出：

（1）隨著氧含量的增加，燒結(jié)試樣的硬度逐漸增大。

（2）在不同燒結(jié)溫度下，當氧含量＜5000ppm×10－6時，燒結(jié)試樣的硬度變化不大；當氧含量＞6000×10－6時，硬度值的增加較為明顯。

需要指出的是，當氧含量＞5000×10－6時，致使燒結(jié)試樣的硬度隨燒結(jié)溫度的提高而下降，這主要是與溫度提高時試樣的質(zhì)量流失率增大有關，流料量增加會降低燒結(jié)顆粒間的界面結(jié)合強度，同時也會留下更多的燒結(jié)孔洞，致使燒結(jié)胎體不致密，導致試樣的高溫燒結(jié)硬度降低。

目前，許多工具生產(chǎn)商都將燒結(jié)胎體的硬度作為燒結(jié)質(zhì)量高低的評判依據(jù)，但僅憑硬度的高低來判定燒結(jié)質(zhì)量的好壞是不夠的。若在還原性氣氛中燒結(jié)時，還原充分的情況下（例如在鐘罩爐中燒結(jié)鋸片），燒結(jié)胎體的硬度值還較為可靠，可作為質(zhì)量的評判依據(jù)；但若在非還原氣氛中燒結(jié)（敞開式模具中燒結(jié)）或還原作用時間短、還原不充分的條件下燒結(jié)（例如在隧道式連續(xù)爐中燒結(jié)鋸片），以燒結(jié)硬度為判據(jù)就有缺失。因為當粉末氧含量較高時，燒結(jié)胎體的表面及內(nèi)部的組織均勻性差，在還原氣氛的作用下，胎體的表面燒結(jié)質(zhì)量狀態(tài)有一定程度的改善，硬度值會有提高，但胎體內(nèi)部的燒結(jié)組織卻較為疏松，表現(xiàn)為“外硬內(nèi)軟”，即使硬度測試合格，但工具的使用性能仍有大幅度下降。

3.1.5 對燒結(jié)胎體組織及致密性的影響

氧含量，尤其是粉末顆粒的表面氧含量對燒結(jié)胎體組織及致密性的影響極大，氧含量越低越有利于得到均勻性好、顆粒界面結(jié)合力強、致密化程度高的胎體組織，從而有利于提高胎體對金剛石的機械把持力。目前，市售質(zhì)量好的電解Cu粉、霧化Sn粉的氧含量通常都不高于800×10－6，使用時只要注意避免過度受潮，一般情況下都不影響使用性能。市售質(zhì)量較好的Ni粉氧含量一般在2500～4000×10－6，基本上可保證正常使用。而目前市售的各種Fe（電解、還原、霧化）粉，質(zhì)量差異極大，對工具的燒結(jié)性能影響最大，其氧含量的變化范圍通常在2500～12000×10－6之間，而且Fe粉極易氧化，在保存和使用過程中稍有不慎即可對燒結(jié)工藝和制品質(zhì)量造成極大的不利影響。市售Zn粉的氧含量一般為2000～4000×10－6，但在運儲過程中極易受潮氧化，氧化后其氧含量往往會達到7000×10－6以上，會對燒結(jié)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量帶來較大影響。市售Mn粉通常為真空封裝，去除封裝后其氧含量會在短時間內(nèi)迅速增至4500×10－6以上。金屬在使用前的氧化，主要是增加表面氧化膜，氧化膜會嚴重阻礙粉末顆粒間的界面反應與合金化，阻礙液態(tài)Sn在粉末顆粒間的流動鋪展與潤濕性能（液態(tài)金屬對氧化膜不潤濕），易導致Sn的偏析聚集，致使組織均勻性差，胎體的整體性能不均一。

從以往的大量實驗及用戶產(chǎn)品分析中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e粉含氧量5000×10－6左右是燒結(jié)工藝較為敏感的區(qū)間段，當氧含量＜5000×10－6時，燒結(jié)工藝的穩(wěn)定性尚可，而氧含量＞5000×10－6時，燒結(jié)工藝易出現(xiàn)波動，特別是當氧含量＞7000×10－6時，往往會出現(xiàn)燒結(jié)溫度升高、流料量增大等現(xiàn)象，燒結(jié)胎體的硬度值下降（主要是由于燒結(jié)胎體疏松所致），鋒利度和使用壽命會大幅度下降，甚至造成廢品。當Fe粉氧含量超過7000×10－6時，不僅是粉末自身的氧含量高，而且粉末中往往有很多其它氧化物夾雜，高溫燒結(jié)時液態(tài)Sn更易偏聚流失，缺Sn的區(qū)域粉末顆粒間界面結(jié)合力弱或粉末間彼此孤立分隔，表現(xiàn)出“干裂”特征，導致區(qū)域組織疏松。此時胎體的致密化度一般很難高于95%，胎體的耐磨性及對金剛石的把持力下降，會導致工具的鋒利度和使用壽命大大下降，這也是實際生產(chǎn)中常見的現(xiàn)象。若要提高致密化程度則需要升溫加壓，但易導致大范圍流料，甚至工具失效。

3.1.6 對燒結(jié)胎體合金化的影響

常用的粘結(jié)金屬有Fe、Cu、Ni、Sn、Co、Zn、Mn、Cr、Pb等，這些金屬元素間可形成二元／三元或多元合金［3］，固態(tài)混合粉末燒結(jié)胎體的合金化主要是靠元素間在粉末顆粒界面處形成合金相而完成。金屬粉末中的氧，尤其是表面氧嚴重阻礙合金化過程。燒結(jié)胎體粉末間的合金化主要是通過兩種途經(jīng)實現(xiàn)的：①依靠低熔點物料（Sn、Zn等）熔化后在顆粒界面處擴散溶解形成固溶體、中間相或化合物；②固態(tài)顆粒界面間的相互擴散。氧化膜的存在阻礙合金化過程主要表現(xiàn)為：

（1）表面氧化物的存在提高了合金化進程的起始溫度。元素間若要進行有效合金化，需克服氧化膜阻隔所帶來的能量勢壘。

（2）氧化膜對液態(tài)低熔點物料基本不潤濕，氧化膜的阻隔作用使得液態(tài)料難以在金屬粉末表面鋪展擴滲，因而也就無法實現(xiàn)粉末顆粒間的界面擴散或化合，無法實現(xiàn)合金化；

（3）氧化膜本身在燒結(jié)過程中難以有效破碎，被氧化膜包覆的金屬顆粒難以露出新鮮表面參與反應，因而也就無法實現(xiàn)界面合金化。在還原氣氛中燒結(jié)的工具，當氧化膜較薄時，還可以通過還原作用去除部分氧化膜，活化粉末顆粒表面，促進合金化；但如果氧化膜較厚，即使在還原氣氛的作用下，在短時間內(nèi)也無法充分還原，氧化膜的阻隔作用依然難以消除，還是無法實現(xiàn)有效的合金化；

圖2 Fe粉氧含量過高時石材小鋸片燒結(jié)胎體對金剛石的包鑲狀態(tài)Fig.2 The retention between the matrix and diamond in saw blade with high oxygen content Fe powder

（4）表面氧化膜增厚時，粗顆粒粉末的塑性變形和滑移能力降低，在燒結(jié)過程中所形成的“拱橋”難以松動，使得粉末顆粒間難以通過滑動移位而充分接觸，因而也就無法實現(xiàn)粉末顆粒間的界面反應，合金化也就無從談起。

3.1.7 燒結(jié)胎體對金剛石把持力的影響

如上所述，金屬粉末的氧含量越高，燒結(jié)胎體的合金化作用越差，胎體的綜合機械性能亦越差，對金剛石的機械把持力也就越差。

目前，金剛石工具胎體常用的配方體系以Fe－Cu－Ni－Sn為主，而最易受潮氧化的是Fe粉，其氧含量的變化對燒結(jié)胎體的致密化程度影響極大，亦即影響胎體對金剛石的機械把持力。圖2為用Fe－Cu－Ni－Sn系單質(zhì)金屬粉末制備Φ105mm石材小鋸片時Fe粉在不同的典型氧含量范圍內(nèi)，胎體對金剛石的機械包鑲情況。實驗表明，當Fe粉氧含量超過5000×10－6時，胎體對金剛石的包鑲能力變差，主要是因為粉末間合金化不足，胎體疏松，致密化程度不足所造成的。特別是當氧含量超過7000×10－6后，燒結(jié)胎體組織中會出現(xiàn)極為疏松的“豆腐渣”狀組織（如圖2（b）），失去了對金剛石的把持能力。

［1］王秦生，等.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006.

［2］董書山，等.預合金粉末氧含量對金剛石工具組織及性能的影響［C］.中國超硬材料行業(yè)技術發(fā)展論壇論文集.2009，10，117－120.

［3］孫毓超，等.金剛石工具金屬學基礎［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1999.