單質(zhì)鋅粉在燒結(jié)石材小鋸片中的作用

欒會(huì)生,董書山,吳中延

(1.石家莊海川工具有限公司,石家莊 050000;2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012)

單質(zhì)鋅粉在燒結(jié)石材小鋸片中的作用

欒會(huì)生1,董書山2,吳中延1

(1.石家莊海川工具有限公司,石家莊 050000;2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012)

闡述分析了單質(zhì)鋅粉在單質(zhì)及預(yù)合金配方體系中,分別在鐘罩爐及連續(xù)爐中制備花崗巖小鋸片時(shí),鋅粉的作用特點(diǎn)及冶金與工藝因素對(duì)鋸片燒結(jié)質(zhì)量、鋒利度和使用壽命的影響。

鋅粉;金剛石鋸片;燒結(jié)工藝;鋒利度;壽命

1 前言

鋒利度和使用壽命是衡量金剛石工具性能的基本指標(biāo),而且隨著用工成本的升高,各行業(yè)對(duì)加工效率也提出了越來(lái)越高的要求,因而對(duì)鋒利度的要求亦成為超硬材料制品的首要因素。燒結(jié)類金剛石石材鋸片是在國(guó)內(nèi)外消費(fèi)量最大的一類制品,生產(chǎn)廠家眾多,配方體系繁雜,調(diào)整鋸片鋒利度的手段也多種多樣,其中,添加鋅粉用以降低燒結(jié)溫度,弱化胎體磨損性,達(dá)到調(diào)節(jié)鋒利度的目的來(lái)提高鋒利度是最常用的方法之一。低熔點(diǎn)的單質(zhì)鋅粉因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),在燒結(jié)升溫過(guò)程中,依胎體組分及工藝條件的不同而發(fā)生不同的變化,對(duì)調(diào)整鋒利度既有有利的一面,同時(shí)也存在著諸多不利因素,特別是對(duì)工藝參數(shù)極為敏感,必須根據(jù)配方體系的不同特點(diǎn)來(lái)制定合適的燒結(jié)工藝,否則,將會(huì)帶來(lái)許多負(fù)面作用。簡(jiǎn)言之,單質(zhì)鋅粉的性質(zhì)活潑,燒結(jié)過(guò)程中的影響因素多,需因地制宜的善加利用。因而,掌握鋅粉的燒結(jié)特性,特別是了解其與其它單質(zhì)金屬粉末及預(yù)合金粉末間的配伍應(yīng)用特點(diǎn),是其能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

2 實(shí)驗(yàn)方案

分別以單質(zhì)金屬粉末及水霧化預(yù)合金粉末為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)Φ114mm花崗巖小鋸片配方,在鐘罩爐及連續(xù)爐中加壓燒結(jié)制備,考察單質(zhì)鋅在不同配方體系及工藝條件下的作用特點(diǎn),配方設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 含鋅花崗巖小鋸片實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)Tab.1 experimental compound design of zinc bearing small saw bit for granite cutting

圖1 高松比單質(zhì)Zn粉的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of elemental zinc powder with high apparent density

圖2 低松比單質(zhì)Zn粉的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of elemental zinc powder with low apparent density

采用2種不同松裝密度的鋅粉,A鋅粉為3.9g/ cm3,B鋅粉為3.5g/cm3,氧含量均為2200×10-6～2500×10-6。對(duì)燒結(jié)后的鋸片做干切比較試驗(yàn),切割600×20mm的三花板材,結(jié)合微觀組織狀態(tài),分析I添加鋅粉對(duì)鋸片性能的影響。

3 結(jié)果討論

鋅為銀白色金屬,密度為7.13g/cm3,熔點(diǎn)為419.5℃,沸點(diǎn)906℃,在金剛石工具中也是常用的材料之一,可以與其它金屬間在不同條件下形成多種復(fù)雜化合物[1]。100℃～150℃時(shí)變軟,225℃時(shí)激烈氧化(爐中燒結(jié)時(shí)應(yīng)排空后從起始加熱階段就通入還原氣氛)?？晒倘苡阢~中形成黃銅合金,在400℃～623℃范圍內(nèi),在Fe中的固溶度極限為8%～20%,含量高時(shí)可與Fe形成多種金屬間化合物相,降低合金熔點(diǎn)。蒸汽壓高,容易揮發(fā)氣化,溫度越高,揮發(fā)速度越快,蒸汽壓也越高。

含鋅花崗巖小鋸片的燒結(jié)工藝與使用性能與鋅的上述特點(diǎn)密切相關(guān)。按試驗(yàn)方案分別采用單質(zhì)粉末和預(yù)合金粉末在鐘罩爐和連續(xù)爐中燒結(jié)制備花崗巖小鋸片,測(cè)試鋸片硬度及切割性能,相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 同工藝制備的含鋅小鋸片相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Related experimental data of zinc bearing small saw bit manufactured by different types of process

對(duì)爐中燒結(jié)鋸片的影響因素較多,就本質(zhì)而言,與冶金因素及工藝因素有關(guān)。工藝方面,與溫度曲線、壓力曲線、溫度均勻性、還原氣氛、高溫保溫時(shí)間、裝料數(shù)量、模具質(zhì)量等諸多因素相關(guān)。冶金方面,與金屬粉末的粒度、結(jié)構(gòu)、松比,尤其是氧含量密切相關(guān)[2,3],冶金因素還決定工藝的制定與執(zhí)行。

在金剛石工具中加入鋅粉,其主要作用體現(xiàn)在:①適當(dāng)降低燒結(jié)溫度,改善燒結(jié)工藝;②與銅粉作用形成固溶合金而強(qiáng)化胎體,但硬度不高,可調(diào)整胎體磨損性,改善鋒利度;③受熱揮發(fā)過(guò)程產(chǎn)生一定的蒸氣壓,阻礙粉末顆粒間的結(jié)合,弱化胎體磨損性,改善鋒利度。

鋅對(duì)鋸片質(zhì)量影響主要與其粒度結(jié)構(gòu)、松裝密度及氧含量這3個(gè)因素密切相關(guān)。

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:①鋅粉的粒度結(jié)構(gòu)及松裝密度對(duì)鋸片的燒結(jié)工藝及性能有很大影響;②燒結(jié)裝備工藝對(duì)鋸片性能影響較大;③單質(zhì)粉末與預(yù)合金粉末的合金體系對(duì)鋸片燒結(jié)工藝及性能有影響。

3.1 鋅粉粒度結(jié)構(gòu)的影響

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出,粒度細(xì)、松比高的鋅粉對(duì)鋸片的燒結(jié)工藝及切割性能會(huì)帶來(lái)不利影響。

在相同配方體系下,無(wú)論是在鐘罩爐中還是在連續(xù)爐中燒結(jié),細(xì)顆粒、高松比的鋅粉鋸片的硬度、切割速度及使用壽命均低于球形度差、低松比的鋅粉鋸片。

目前的市售鋅粉大都為蒸餾法所制備的粒度細(xì)、球形度高、松裝密度高的粉末。不同廠家的產(chǎn)品特性不同,其粒度分布的離散度較大,因而對(duì)鋸片的燒結(jié)工藝及燒結(jié)性能的影響也較大。此類粉末的突出缺點(diǎn)是:混料時(shí)的分散均勻性差,尤其是細(xì)顆粒粉末在添加潤(rùn)濕劑后極易偏聚,在燒結(jié)過(guò)程中也特別容易氧化而導(dǎo)致胎體局部區(qū)域的疏松砂化,降低胎體對(duì)金剛石的把持力?？傮w來(lái)說(shuō),鋅粉對(duì)鋸片帶來(lái)的不利因素主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是高溫時(shí)的過(guò)度揮發(fā);二是氧化后的砂化;三是燒結(jié)偏析。

圖3是在鐘罩爐中燒結(jié)的含細(xì)顆粒、高松比鋅粉鋸片胎體組織及其對(duì)金剛石包鑲狀態(tài)的SEM圖。

圖3(a)為細(xì)顆粒鋅粉偏聚區(qū)域,可以看出,集中偏聚的細(xì)顆粒鋅粉氧化后完全被表面氧化膜包覆,失去表面活性,無(wú)法參與合金化進(jìn)程,粉末自身呈松散的砂狀分布;同時(shí),部分Zn蒸汽沉積其它粉末顆粒表面成為氧化物薄膜,也降低其它粉末顆粒的表面活性,使其它粉末顆粒間的界面結(jié)合力降低,二者綜合作用,導(dǎo)致制成的鋸片開(kāi)裂。從圖3(b)可以看出,胎體對(duì)金剛石的包鑲較為疏松,無(wú)法有效把持金剛石,從而降低了鋸片的鋒利度和使用壽命。

在連續(xù)爐中燒結(jié)時(shí),也存在類似情況,甚至鋸片的開(kāi)裂傾向更大,成品率降低,鋸片性能下降。

而球形度差的低松比鋅粉混料均勻性好,可在一定程度上改善偏聚狀態(tài),有利于合金化和致密化,改善燒結(jié)工藝狀態(tài)及鋸片使用性能。

3.2 燒結(jié)裝備工藝對(duì)鋸片性能的影響

鐘罩爐燒結(jié)工藝,有利有弊。有利之處在于:還原氣氛充足,升溫速度慢,還原時(shí)間長(zhǎng),有利于改善粉末表面活性,加強(qiáng)與鋅粉間的作用,促進(jìn)合金化和致密化,胎體對(duì)金剛石的包鑲緊密度高,把持力強(qiáng),不易產(chǎn)生裂紋;弊端在于:燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),高溫保溫時(shí)間長(zhǎng),鋅揮發(fā)量大,易導(dǎo)致胎體疏松。

連續(xù)爐燒結(jié)工藝,亦利弊共存。有利因素為:燒結(jié)溫度穩(wěn)定,批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性好,生產(chǎn)效率高;不足之處為:工藝調(diào)整困難,鋸片性能受工藝設(shè)置的影響較大。各升溫區(qū)段的溫差設(shè)定、升溫速度、還原氣氛等因素均對(duì)胎體合金化的進(jìn)程與效果產(chǎn)生影響;尤其是高溫出爐后冷卻加壓時(shí),胎體的合金化程度及固/液相的存在比例與狀態(tài),均會(huì)對(duì)胎體的致密性、開(kāi)裂傾向及最終的使用性能產(chǎn)生影響。

鋸片燒結(jié)溫度越高,鋅的揮發(fā)速度越快,揮發(fā)量也越大,對(duì)鋸片的不利影響越明顯。圖4為在連續(xù)爐中燒結(jié)時(shí),鋸片胎體中鋅的揮發(fā)狀態(tài)的SEM圖。

圖4 連續(xù)爐燒結(jié)的鋸片胎體組織中揮發(fā)鋅的冷卻沉積狀態(tài)Fig.4 cooling deposition of volatile zinc in matrix structure of saw bit sintered by continuous furnace

揮發(fā)冷卻后的鋅,一部分以棱塊狀的單質(zhì)-氧化物混合體的形式沉積在顆粒團(tuán)界面裂隙處的其它粉末顆粒表面(圖4(a));還有一部分沉積于燒結(jié)收縮孔的內(nèi)壁表面(圖4(b))。

當(dāng)鋅的揮發(fā)速度過(guò)快、揮發(fā)量過(guò)多時(shí),就極易產(chǎn)生圖3所示的揮發(fā)沉積,降低胎體的燒結(jié)致密度及其對(duì)金剛石的把持力,并導(dǎo)致鋸片的批量開(kāi)裂。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,揮發(fā)鋅易掛壁,形成掛壁瘤,污染爐膛,影響加熱速度及測(cè)溫精度,阻塞排氣通道,進(jìn)而影響批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3.3 單質(zhì)粉末與預(yù)合金粉末配方體系的差異影響

單質(zhì)金屬粉末普遍較預(yù)合金粉末的粒度粗、氧含量高,二者在性能上的差異會(huì)對(duì)燒結(jié)工藝及鋸片性能產(chǎn)生極大的影響。

單質(zhì)粉末體系:粉末的表面質(zhì)量不高,與鋅間的作用能力有限;粉末顆粒粗,其間的架橋孔洞及疏松通道數(shù)量多,鋅易揮發(fā)釋放,導(dǎo)致胎體疏松脆化,對(duì)金剛石的把持力下降。

預(yù)合金粉末體系:粉末表面活性高,與鋅間的作用能力增強(qiáng),可有效吸納鋅而阻礙鋅的揮發(fā),使更多的鋅參與合金化;粉末顆粒細(xì),填縫能力強(qiáng),鋅的揮發(fā)通道減少,抑制鋅的揮發(fā)量。

但在使用預(yù)合金粉末時(shí),應(yīng)特別注意配方與工藝間的調(diào)整配合。由于合金粉與單質(zhì)粉間燒結(jié)活性的差異,合金粉在燒結(jié)升溫過(guò)程中可在較低溫度段先行燒結(jié)收縮致密化,單質(zhì)粉末則會(huì)因燒結(jié)溫度較高而滯后,二者的燒結(jié)收縮同步性不匹配,導(dǎo)致鋅的合金化與揮發(fā)速度發(fā)生變化,合金粉的先行燒結(jié)收縮,給鋅的揮發(fā)讓出通道,鋅的揮發(fā)更加通暢,揮發(fā)速度加快,加劇合金化區(qū)域的不均勻性,也會(huì)導(dǎo)致因局部區(qū)域燒結(jié)收縮不一致而產(chǎn)生的收縮裂紋,導(dǎo)致鋸片成品開(kāi)裂。因而,采用預(yù)合金粉末體系,在配方設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮到鋅、銅及合金粉間的比例,并在工藝曲線的設(shè)置時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整,以保證鋸片的合金化與致密化,保證批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性。圖5為以基礎(chǔ)二元預(yù)合金粉末YF2104為主成分的燒結(jié)鋸片SEM形貌圖。

從圖5可以看出,在合適的工藝狀態(tài)下,鋸片胎體的組織及對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)有明顯改善,組織的均勻性、致密性提高,其對(duì)金剛石的包鑲較為緊密,把持能力增強(qiáng),可明顯改善鋸片的鋒利度和使用壽命。

圖5 預(yù)合金配方體系的鋸片燒結(jié)胎體組織及其對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)SEM圖Fig.5 Sintering matrix structure of saw bit of pre-alloy formula system and its diamond inlaid status

4 結(jié)論

(1)單質(zhì)鋅粉具有降低燒結(jié)溫度、改善胎體磨損性、提高鋸片鋒利度的作用;

(2)單質(zhì)鋅粉的質(zhì)量狀態(tài),特別是氧含量和粒度結(jié)構(gòu)對(duì)鋸片燒結(jié)工藝和燒結(jié)質(zhì)量有著重要影響,是其在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)必須控制的關(guān)鍵要素;

(3)燒結(jié)工藝及裝備對(duì)含鋅鋸片的燒結(jié)質(zhì)量影響頗多,在采用鐘罩爐及連續(xù)爐燒結(jié)時(shí),應(yīng)根據(jù)配方體系及裝備特點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)工藝,以保證燒結(jié)的合金化與致密化;

(4)單質(zhì)粉末與合金粉末配方體系對(duì)含鋅鋸片的燒結(jié)工藝要求不同,應(yīng)區(qū)別對(duì)待,以避免鋸片胎體的燒結(jié)疏松和開(kāi)裂;

(5)預(yù)合金粉末的綜合燒結(jié)性能好,在合適的燒結(jié)工藝條件下,可有效提高鋸片胎體的合金化、致密度,提高鋸片的鋒利度和使用壽命。

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

[2] 董書山,劉曉旭,胡占峰,安文文.金屬粉末質(zhì)量控制對(duì)金剛石工具性能影響的探討(上)[J].超硬材料工程,2011(10):14-17.

[3] 董書山,劉曉旭,胡占峰,安文文.金屬粉末質(zhì)量控制對(duì)金剛石工具性能影響的探討(下)[J].超硬材料工程,2011(12):29-32.

The Function Of Elemental Zinc Powder In Sintering Of Small Saw Bit For Stone Cutting

LUAN Hui-sheng,DONG Shu-shan,WU Zhong-yan
(1.Shijiazhuang Hisun Tools Co,.Ltd.Shijiazhuang 050000,China; 2.National Key Laboratory of Superhard Materials of Jilin University,Changchun 130012,China)

The characteristcis of the function of elemental zinc powder of elemental formula and pre-alloy formula and the influence of metallurgical and technological factors on the sintering quality,sharpness and service life of the saw bit during the manufacturing process of small saw bit for granite cutting in bell-type furnace and continuous furnace respectively have been illustrated and analysed in this article.

Elemental zinc powder,Diamond saw bit,Sintering process,Sharpness,service life

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0017-05

2015-01-25

欒會(huì)生,男,1964年生,石家莊海川工具有限公司總工,從事金剛石制品的研發(fā)生產(chǎn)工作,特別擅長(zhǎng)花崗巖小鋸片的研發(fā)與生產(chǎn)管理。E-mail:luanhuisheng1@163.com

欒會(huì)生,董書山,吳中延.單質(zhì)鋅粉在燒結(jié)石材小鋸片中的作用[J].超硬材料工程,2015,27(1):17-21.