FAM代鈷預(yù)合金粉末在液相燒結(jié)條件下的性能研究

鄭日升,萬(wàn)隆,曾成文,宋冬冬,譚靜,李桂榮

(1.湖南富櫳新材料有限公司,湖南瀏陽(yáng) 410313;2.湖南大學(xué),長(zhǎng)沙 410082)

FAM代鈷預(yù)合金粉末在液相燒結(jié)條件下的性能研究

鄭日升1,萬(wàn)隆2,曾成文1,宋冬冬2,譚靜1,李桂榮1

(1.湖南富櫳新材料有限公司,湖南瀏陽(yáng) 410313;2.湖南大學(xué),長(zhǎng)沙 410082)

設(shè)計(jì)FAM及其與低熔點(diǎn)金屬及合金的配合的燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn),分別研究了(1)FAM101;(2) FAM102;(3)FAM102+FeCu;(4)FAM101+Cu+Zn;(5)FAM101+FeCu NiSn;(6)FAM102+FeCu-NiSn+Cu+Zn等體系,通過(guò)熱壓燒結(jié)繪出燒結(jié)曲線。分別研究了各組粉末燒結(jié)體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度性能,探討不同方法生產(chǎn)的預(yù)合金粉末在金剛石工具胎體配方中的協(xié)同作用。

金剛石工具;代鈷預(yù)合金粉末;液相燒結(jié);FAM

0 引言

固相燒結(jié)獲得高致密的燒結(jié)體[1],而有液相參與的燒結(jié)過(guò)程,黏性流動(dòng)、潤(rùn)濕、溶解、沉淀等快速傳質(zhì)過(guò)程,可以消除幾乎所有的縫隙,從而獲得高密度、高性能的燒結(jié)產(chǎn)品。液相燒結(jié)包括不溶系和互溶系兩種類型,前者是指固相顆粒在液相中不溶解或溶解度很小,其特點(diǎn)是等溫?zé)Y(jié)過(guò)程中自始至終有液相存在,主要有Cu-W、Cu-C以及金屬-氧化物復(fù)合材料;后者是指固相顆粒在液相中有一定的溶解度,若液相較少,固體又能大量溶解形成固溶體或化合物,則可能造成保溫?zé)Y(jié)后期液相消失,如WC-Co, TiC-Ni,Cu-Pb,Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Ni,W-Cu-Ni, Fe-Ni-Al等。

FAM系列代鈷預(yù)合金粉末[2],是一種納米尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)的鐵鎳鈷合金粉末,它的蜂窩結(jié)構(gòu)、納米尺寸、鐵鎳代鈷特性在金剛石工具制造中具有難得的應(yīng)用價(jià)值。在固相燒結(jié)條件下獲得的燒結(jié)體中,有時(shí)會(huì)留下大量的毛細(xì)孔,從而使得燒結(jié)體大量露出新鮮的表面吸附水分,時(shí)間一長(zhǎng)表面便會(huì)顯示出銹斑,嚴(yán)重影響銷售和應(yīng)用。因此,研究FAM代鈷預(yù)合金粉末在液相燒結(jié)條件下的表現(xiàn),是探索其應(yīng)用價(jià)值的主要途徑。

本文通過(guò)FAM與各低熔點(diǎn)金屬的配合,得到不同配方體系的預(yù)合金粉末,利用熱壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn),得到不同混合粉末的燒結(jié)體材料。通過(guò)研究塊燒結(jié)體的性能,討論FAM與各不同粉末的協(xié)同作用。通過(guò)FAM系列粉末與低熔點(diǎn)金屬的配合,降低燒結(jié)溫度,調(diào)整硬度、強(qiáng)度等值,使之符合具體鋸切的需要,從而制備出符合不同需求的金剛石鋸片。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

選用FAM系統(tǒng)粉末及各低熔點(diǎn)金屬作為實(shí)驗(yàn)粉末,各粉末性能如下表所示。將FAM系列粉末與其他粉末按一定比例配合,利用自制三維混料機(jī)混合均勻。采用SM/3熱壓機(jī)燒結(jié),燒結(jié)溫度范圍在600℃～920℃之間,間隔溫度40℃,不同粉末的燒結(jié)溫度不同,600℃暫停1分鐘,燒結(jié)溫度保溫2分鐘, FAM101粉末燒結(jié)分別采用30MPa和40MPa壓力,其余混合粉末壓力為30MPa,制備燒結(jié)體樣品。

表1 各預(yù)合金粉末及單質(zhì)粉末的基本性能Table 1 basic properties of the pre alloy powders and the elemental powders

采用排水法測(cè)定燒結(jié)體密度;使用HR-150DT洛氏硬度儀檢測(cè)燒結(jié)體硬度,使用標(biāo)準(zhǔn)為HRB;利用DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)燒結(jié)體抗折強(qiáng)度,跨距為28mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 FAM101

圖1為30MPa和40MPa壓力下FAM101燒結(jié)體的基本性能。從圖1中可以看出,隨著溫度的升高,各性能都得到提升。當(dāng)燒結(jié)壓力一定時(shí),燒結(jié)體的硬度、強(qiáng)度、密度,都隨著燒結(jié)溫度的提高而提高,顯然是顆粒之間的縫隙隨燒結(jié)溫度的升高而縮小,直到消失,然后出現(xiàn)一個(gè)緩慢變化期,再接著出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn),性能迅速提升,這個(gè)過(guò)程的出現(xiàn),是粉末顆粒內(nèi)部蜂窩要在較高溫度下消失造成的。強(qiáng)度可達(dá)1400MPa以上,硬度在100以上。提高壓力和溫度,可以得到更高強(qiáng)度和硬度的燒結(jié)體。壓力的影響非常明顯,40MPa下的基本性能明顯大于30MPa,原因主要是FAM粉末不含低熔點(diǎn)相,在一定溫度和時(shí)間內(nèi)燒結(jié),難以生成液相,燒結(jié)體的致密化需要依靠粉末之間的擴(kuò)散進(jìn)行燒結(jié),而壓力越大,粉末的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力越大,從而更加致密。所以,強(qiáng)度和硬度得到顯著提高。通過(guò)在FAM101中添加低熔點(diǎn)相,使之達(dá)到具體的使用性能,同時(shí)又有成本上的優(yōu)勢(shì)。

2.2 FAM102

圖2中可以看出,隨著溫度升高,硬度和密度都增大,FAM102的燒結(jié)曲線在一個(gè)較寬的范圍小幅變化,650℃～850℃之間燒結(jié)時(shí),燒結(jié)體的性能不會(huì)發(fā)生太大改變,這對(duì)于制備性能穩(wěn)定的金剛石工具具有非常重要的意義。硬度和密度的變化曲線非常一致,兩者的變化具有非常大的關(guān)聯(lián)性。

圖2 FAM102燒結(jié)體的基本性能Fig.2 basic properties of FAM102 sintered compact

FAM102與FAM101比較,唯一的差別是氧含量高,燒結(jié)曲線的差異較大,這種差異說(shuō)明,氧的存在,尤其是蜂窩內(nèi)氧化物的存在,阻礙了蜂窩的消失,同時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的粉末,也降低了粉末顆粒之間的縫隙消失的溫度,故出現(xiàn)了650℃～850℃區(qū)間的性能穩(wěn)定區(qū)。進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度和壓力,同樣可以得到高強(qiáng)度高硬度的燒結(jié)體。

2.3 FAM101+FeCu50

向FAM101中加入鐵銅合金,考察燒結(jié)過(guò)程中的變化情況,結(jié)果如圖3。

圖3 FAM101+FeCu50燒結(jié)體的基本性能Fig.3 basic properties of FAM101+FeCu50 sintered compact

FAM101+FeCu50,不含Zn、Sn等低熔點(diǎn)相,可以作為過(guò)渡層使用。圖3中,在760℃時(shí)強(qiáng)度已達(dá)800MPa,而隨著溫度升高,強(qiáng)度在1000MPa以上。從密度上發(fā)現(xiàn),760℃以后,溫度對(duì)密度的影響增大,說(shuō)明溫度升高,對(duì)致密度的影響較大,所以提高溫度有助于強(qiáng)度及硬度的提升。圖3所示這樣的結(jié)果說(shuō)明,FAM101+FeCu50在較低溫度下就可以將顆粒之間的縫隙實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié),并且在760℃左右燒結(jié)體系出現(xiàn)液相,液相進(jìn)入蜂窩可迅速再次致密化,同時(shí)完成合金化過(guò)程,提高燒結(jié)體強(qiáng)度和硬度。

2.4 FAM102+Cu+Zn

向FAM102中加入電解銅粉和鋅粉,引入低熔點(diǎn)金屬鋅,燒結(jié)過(guò)程變化如圖4。從圖4中可以看出,720℃時(shí),強(qiáng)度達(dá)690MPa,且隨溫度升高變化趨于穩(wěn)定。而硬度在760℃以上開(kāi)始穩(wěn)定,達(dá)80HRB以上。密度在760℃變化開(kāi)始趨緩,所以可以選擇溫度在720℃～760℃燒結(jié),制備鋒利型的胎體。配方中添加Cu和Zn低熔點(diǎn)相,對(duì)于降低燒結(jié)溫度具有很大的幫助。Zn的熔點(diǎn)為419.73℃,且飽和蒸汽壓過(guò)高,易揮發(fā),但燒結(jié)過(guò)程中并未出現(xiàn)大量揮發(fā)和流失現(xiàn)象。原因是FAM具有蜂窩狀結(jié)構(gòu),燒結(jié)過(guò)程中,鋅進(jìn)入FAM的蜂窩結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行合金化形成高熔點(diǎn)合金,防止了鋅的揮發(fā),使燒結(jié)過(guò)程不易流料。這對(duì)于大量使用低價(jià)的鋅金屬,降低配方成本具有非常重要的意義。鋅的加入,降低了FAM的強(qiáng)度和硬度,降低了燒結(jié)溫度,通過(guò)調(diào)整鋅的用量可以得到能夠滿足各種需要的鋒利型的胎體。

圖4 FAM102+Cu+Zn燒結(jié)體的基本性能Fig.4 basic properties of FAM102+Cu+Zn sintered compact

2.5 FAM101+FeCu NiSn

向FAM101中加入FeCu NiSn,燒結(jié)過(guò)程和燒結(jié)體的性能變化很大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5中可以看出,強(qiáng)度與密度的變化非常一致,在780℃～860℃之間,燒結(jié)過(guò)程處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài),可見(jiàn),FAM101+FeCu NiSn配方能夠在較寬的范圍燒結(jié)。其硬度在740℃時(shí),就已達(dá)101HRB。強(qiáng)度可達(dá)1200～1300MPa,這對(duì)于制備高強(qiáng)度胎體具有重要意義。配方中Sn能夠快速促進(jìn)粉末的燒結(jié),使燒結(jié)體具有較高的致密度。但溫度過(guò)高時(shí),易出現(xiàn)熔融,密度降低,強(qiáng)度開(kāi)始下降,所以該配方的溫度應(yīng)在900℃以下。FAM101+FeCu NiSn在比較寬的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)得到高強(qiáng)度高硬度的燒結(jié)體,是制造耐磨型金剛石工具的優(yōu)良胎體材料。

2.6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn

同時(shí)引入錫和鋅來(lái)弱化FAM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。

從圖6中發(fā)現(xiàn),840℃時(shí),各性能出現(xiàn)拐點(diǎn),880℃時(shí)性能大幅下降。該配方強(qiáng)度和硬度較低,適合于較軟的材質(zhì)。而密度在760℃開(kāi)始升高,所以燒結(jié)溫度可以選擇在760℃～840℃。FAM102+FeCu NiSn+ Cu+Zn配方體系的燒結(jié)溫度變得更低,合金化得到的合金熔點(diǎn)低,容易流失。

圖5 FAM101+FeCu NiSn燒結(jié)體的基本性能Fig.5 basic properties of FAM101+FeCu NiSn sintered compact

圖6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn燒結(jié)體的基本性能Figure 6 basic properties of FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn sintered compact

3 應(yīng)用結(jié)果

(1)FAM在鉆探工具上的應(yīng)用

地質(zhì)鉆頭要經(jīng)受沖擊載荷、彎扭、沖蝕、高正壓力和巖石的軟硬互層變化等惡劣工作條件,所以地質(zhì)鉆頭要用質(zhì)量?jī)?yōu)異的金剛石,用耐磨耐沖擊又能確保金剛石出刃高度的胎體材料。對(duì)于工程薄壁鉆、耐火材料加工鉆頭等,工況都比地質(zhì)鉆頭好。鉆頭都要求胎體對(duì)金剛石把持力強(qiáng)且耐磨。以往的鉆頭采用碳化鎢制造高耐磨胎體,用青銅創(chuàng)造液相燒結(jié)條件,加鎳鈷粉末與碳化鎢合金化且增強(qiáng)對(duì)金剛石的把持力。改用FAM101取代鎳和鈷粉,與鐵銅鎳錫配合使用,更容易實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié),同時(shí)強(qiáng)化胎體,可以適當(dāng)減少碳化鎢的用量,更重要的是降低燒結(jié)溫度減少了金剛石的熱傷害。利用FAM101的高溫特性,許多鉆頭廠商制造出了適應(yīng)性特強(qiáng)、耐磨性特好的鉆頭。

(2)FAM在鋸切工具上的應(yīng)用

鋸切工具工作壓力比地質(zhì)鉆頭小,軟硬變化不大,但切削速度高,存在沖擊磨損也不如地質(zhì)鉆頭嚴(yán)重。胎體材料對(duì)金剛石的把持力要好是毫無(wú)疑問(wèn)的,胎體的耐磨性與加工對(duì)象的硬度和摩擦性能及切割速度相關(guān)。對(duì)于切割花崗巖的大鋸片,用高鋅配方非常鋒利,鐵粉加銅粉加鋅粉的配方,金剛石濃度高,燒結(jié)時(shí)有鋅揮發(fā),切削時(shí)有金剛石脫落。改用FAM102加銅粉加鋅粉,則不會(huì)有鋅的揮發(fā),切割時(shí)金剛石掉砂很少。對(duì)于中徑鋸片,采用FAM101加FAM201加鐵銅合金都可以獲得既鋒利又耐磨的性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。對(duì)于小切割片,尤其是超薄波紋片,需要增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力,確保燒結(jié)過(guò)程不變形,并有合理的收縮率,用好FAM102及FAM201,同樣能做出性能最佳的產(chǎn)品。

(3)FAM在磨削工具上的應(yīng)用

對(duì)于金剛石磨削工具,加工面接觸面積大,工作壓力低,要求加工精度高,磨削速度快,大都采用鐵鎳銅錫配方,改用FAM102加銅加鋅(或錫),能夠確保金剛石出刃高又不掉砂,從而獲得更好的效果。如利用FAM102紅硬性好的特點(diǎn),制作干磨輪,成本低于青銅磨輪,壽命又高于青銅磨輪。

4 結(jié)論

(1)FAM代鈷預(yù)合金粉末,在較高燒結(jié)溫度和較高燒結(jié)壓力下,自身蜂窩消失,可以獲得高強(qiáng)度高硬度的燒結(jié)體,可以用于高耐磨性高安全性工具;

(2)FAM代鈷預(yù)合金粉末,加入熔點(diǎn)較低的鐵銅合金,可以加快自身蜂窩的消失,在較低溫下形成高強(qiáng)度燒結(jié)體;

(3)FAM代鈷預(yù)合金粉末,加鋅可以獲得鋒利型胎體;

(4)FAM代鈷預(yù)合金粉末,在液相燒結(jié)條件下,可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié);

(5)FAM代鈷預(yù)合金粉末,可以用于各類金剛石工具;

(6)按照目前情況產(chǎn)值倍增,明年的產(chǎn)值可達(dá)1.2億元。然后發(fā)展速度調(diào)整為年度倍增,后年產(chǎn)值達(dá)到2.4億元。

[1] 王秦生.金剛石燒結(jié)制品[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000, 175-176.

[2] 劉一波,等.石材[J].2010(7):1-3.

[3] 孫毓超,等.金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999,235-239.

[4] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2011.11.

[5] 宋月清,劉一波.超硬材料工具手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2014.1.

富耐克立方氮儀硼產(chǎn)能規(guī)模大

在武陟縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),有這樣一家民營(yíng)企業(yè):它是超硬磨料立方氮化硼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的起草單位,擁有河南省工程技術(shù)研究中心和立方氮化硼及制品院士工作站;它專注于立方氮化硼及制品技術(shù)創(chuàng)新,擁有專利技術(shù)200多項(xiàng),產(chǎn)能規(guī)模全國(guó)第一,位列全球前十。

這家企業(yè),就是河南富耐克超硬材料股份有限公司。據(jù)介紹,該公司主導(dǎo)產(chǎn)品為立方氮化硼(cBN)系列超硬磨料及超硬刀具,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軌道交通、冶金、風(fēng)電等行業(yè)的磨削和車削加工。

該公司在超硬磨削材料和超硬切削工具領(lǐng)域與多家世界五百?gòu)?qiáng)企業(yè)建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系,其產(chǎn)品遠(yuǎn)銷日、美、韓、俄和歐洲等國(guó)家和地區(qū)。由該公司牽頭建設(shè)的武陟縣磨料磨具及超硬材料基地項(xiàng)目,總投資30億元。據(jù)悉,該項(xiàng)目全部達(dá)產(chǎn)達(dá)效后,年可實(shí)現(xiàn)銷售收入100億元、利稅10億元,出口創(chuàng)匯12億元以上,占全國(guó)市場(chǎng)份額的17%。屆時(shí),武陟將成為全國(guó)最大的磨料磨具、超硬材料、cBN刀具等系列產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)基地和物流集散中心。

(焦作日?qǐng)?bào))

Study of the Performance of FAM Cobalt Replacing Prealloy Powder under Liquid Sintering Condition

ZHENG Ri-sheng1,WAN Long2,ZENG Cheng-wen1,SONG Dong-dong2, TAN Jing1,LI Gui-rong1
(1.Hunan Forlong Advanced Materials Co.,Ltd,Liuyang,Hunan 410313,China; 2.Hunan university,Changsha 410082,China)

Systems of(1)FAM101,(2)FAM102,(3)FAM102+FeCu,(4)FAM101+Cu+ Zn,(5)FAM101+FeCu NiSn and(6)FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn etc have been studied through FAM design and its sintering curve experiment with low melting point metal and alloy.Sintering curve has been drawn through hot pressed sintering.Density,hardness,bending strength of the sintered compacts of different group of powders have been studied separately and the synergistic effect of the prealloy powders prepared by different techniques in the formula of diamond tool matrix has been discussed.

diamond tools;cobalt replacing prealloy powder;liquid sintering,FAM

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0007-06

2015-08-12

鄭日升,男,工學(xué)博士,高級(jí)工程師。從事超硬材料行業(yè)工作30余年,撰寫論文30余篇,出版專著1部(排名第三),主持省部級(jí)課題10項(xiàng),獲專利授權(quán)6項(xiàng)?，F(xiàn)為湖南富櫳新材料有限公司總經(jīng)理。

鄭日升,萬(wàn)隆,曾成文,等.FAM代鈷預(yù)合金粉末在液相燒結(jié)條件下的性能研究[J].超硬材料工程,2015,27(4):7-12.