燒結(jié)工藝對(duì)金剛石串珠Cu基胎體性能的影響研究

楊理清

(桂林特邦新材料有限公司,廣西桂林 541004)

燒結(jié)工藝對(duì)金剛石串珠Cu基胎體性能的影響研究

楊理清

(桂林特邦新材料有限公司,廣西桂林 541004)

文章主要討論了燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓強(qiáng)對(duì)Cu基胎體硬度、抗彎強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變曲線及串珠剝離強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓強(qiáng)對(duì)Cu基胎體力學(xué)性能影響顯著,燒結(jié)溫度越高,試樣塊的硬度值隨之增高,達(dá)到最高值后變平穩(wěn),抗彎強(qiáng)度不斷的增高,應(yīng)力應(yīng)變曲線由脆性斷裂向韌性斷裂發(fā)展;燒結(jié)壓強(qiáng)越高,試樣塊的硬度值、抗彎強(qiáng)度值都呈現(xiàn)相應(yīng)的增加;最后研究了燒結(jié)溫度對(duì)串珠剝離強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明在較低的燒結(jié)溫度下,串珠胎體與基體結(jié)合強(qiáng)度明顯不足,出現(xiàn)大量的串珠剝離現(xiàn)象,影響燒結(jié)串珠胎體的正常使用。

金剛石串珠;燒結(jié)工藝;Cu基胎體;力學(xué)性能

1 引言

隨著繩鋸產(chǎn)品應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高,但制備技術(shù)的門(mén)檻卻明顯降低,使得企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)加劇,產(chǎn)品價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始出現(xiàn)白熱化,繩鋸的制備成本,尤其是金屬配方粉末的成本成了企業(yè)主要關(guān)注的環(huán)節(jié)。另外,繩鋸在進(jìn)行巖石切割的過(guò)程中,往往會(huì)遇到巖石硬度高、晶粒細(xì),研磨性弱等情況,該情況下,繩鋸切割過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)切割效率低,串珠胎體拋光,金剛石磨平而無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常出刃的現(xiàn)象,這給繩鋸的正常使用帶來(lái)了難題。而Cu元素以其優(yōu)異的綜合性能引起了各超硬材料工具企業(yè)的關(guān)注,其具有相對(duì)超硬材料制備工具來(lái)說(shuō)理想的燒結(jié)溫度、優(yōu)異的冷壓成型性及可燒結(jié)性,并與其它元素有很好的相容性,與其它的金屬形成化合物后,具有較高的抗彎強(qiáng)度、理想的硬度范圍。更重要的是Cu具有相對(duì)較低的價(jià)格。因此,通過(guò)研究Cu基配方的性能對(duì)金剛石工具產(chǎn)品的配方開(kāi)發(fā)有明顯的需要,本文討論的就是燒結(jié)工藝對(duì)Cu基配方硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂曲線及串珠的剝離強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響,以期為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Cu基配方做設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)胎體以Cu為主體,占55%,配以17%的Co,其他元素Ni、Mn、Sn、Zn等占28%,通過(guò)配方設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,粉料的粒度為300目,燒結(jié)設(shè)備為真空熱壓燒結(jié)機(jī),保溫時(shí)間10min,制備的式樣規(guī)格為30mm×12mm×6mm,每種制樣數(shù)量為6塊,制備串珠規(guī)格為Φ11.7×Φ8.0×H6.4,每種制備試樣數(shù)量為30粒。

制備的試樣塊用于硬度、抗彎強(qiáng)度測(cè)試和斷口形貌的觀察,抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)分析得到應(yīng)力應(yīng)變曲線;硬度測(cè)試在HR-150A型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行,采用HRB度量;斷口形貌觀察與分析應(yīng)用SEM掃描電鏡進(jìn)行。

制備串珠試樣用于剝離強(qiáng)度的測(cè)試,剝離強(qiáng)度在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測(cè)試的壓力設(shè)計(jì)為35k N。

3 結(jié)果與討論

3.1 燒結(jié)溫度對(duì)試樣塊力學(xué)性能的影響

在進(jìn)行燒結(jié)溫度對(duì)試樣塊力學(xué)性能的影響時(shí),我們分別設(shè)計(jì)了5個(gè)溫度:750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,燒結(jié)壓強(qiáng)為18MPa。

不同溫度條件下,試樣塊的燒結(jié)致密度數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 不同燒結(jié)溫度下試樣塊致密度數(shù)據(jù)圖Fig.1 Data graph of densities of the test samples under different sintering temperature

從圖1的數(shù)據(jù)分析看,試樣塊的燒結(jié)致密度隨著燒結(jié)溫度的升高而不斷升高,當(dāng)?shù)竭_(dá)770℃時(shí),試樣塊的致密度達(dá)到最高值,隨著溫度的繼續(xù)增加,燒結(jié)致密度略有下降,但幅度很小。從上表的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)看,770℃前試樣塊致密度相對(duì)較低,而當(dāng)達(dá)到770℃后,致密度的數(shù)值相對(duì)較為穩(wěn)定,分析為770℃前試樣塊存在欠燒情況,但從整體的測(cè)試數(shù)據(jù)上看,試樣的致密度數(shù)據(jù)值相差不大,并且都達(dá)到較高的致密度,可作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析用。

不同溫度條件下,試樣塊的硬度數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2的數(shù)據(jù)分析看,試樣塊的硬度值隨著燒結(jié)溫度的增加而增加,當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到770℃后,試樣塊的硬度值達(dá)到最高,但隨著溫度進(jìn)一步升高,硬度值變化不大。分析主要是在770℃前,試樣塊存在欠燒情況,致密度不高,導(dǎo)致硬度偏低,而當(dāng)770℃后,試樣塊基本完成致密燒結(jié),因此硬度值保持穩(wěn)定。

不同溫度條件下,試樣塊的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖3所示。

從圖3的數(shù)據(jù)分析看,試樣塊的抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度升高而升高,當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到770℃后,試樣塊的抗彎強(qiáng)度值增加變得平緩,接近最高值。分析主要是在770℃前試樣塊尚未完全致密,抗彎強(qiáng)度因此偏低,當(dāng)燒結(jié)溫度到達(dá)770℃后,試樣塊完成致密燒結(jié),抗彎強(qiáng)度值接近最高值,而隨著燒結(jié)溫度的進(jìn)一步升高,試樣塊出現(xiàn)粉料流失情況,造成部分低熔點(diǎn)物質(zhì)溢出,試樣塊抗彎強(qiáng)度略有增加,但韌性也開(kāi)始增加(見(jiàn)應(yīng)力應(yīng)變圖)。

圖2 不同燒結(jié)溫度下試樣塊硬度數(shù)據(jù)圖Fig.2 Data graph of hardness of the test samples under different sintering temperature

圖3 不同燒結(jié)溫度下試樣塊抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖Fig.3 Data graph of bending strength of the test samples under different sintering temperature

3.2 燒結(jié)壓強(qiáng)對(duì)試樣塊的力學(xué)性能影響

通過(guò)燒結(jié)壓強(qiáng)對(duì)試樣塊力學(xué)性能的影響,選擇770℃為該配方的最佳設(shè)計(jì)溫度,設(shè)計(jì)3個(gè)壓強(qiáng)值進(jìn)行研究,分別是16MPa、18MPa、20MPa。

不同壓強(qiáng)條件下,試樣塊的硬度數(shù)據(jù)值與抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)值分別如圖4、圖5所示。

從圖4的數(shù)據(jù)分析看,試樣塊的硬度數(shù)據(jù)值隨著燒結(jié)壓強(qiáng)的增加而增加,而770℃后試樣塊的硬度數(shù)值增加變得平緩,說(shuō)明隨著壓力的增加試樣塊的致密度也在增加,硬度值也跟著增加,當(dāng)燒結(jié)壓強(qiáng)達(dá)到18MPa時(shí),燒結(jié)試樣塊基本達(dá)到致密狀態(tài),隨著燒結(jié)壓強(qiáng)的進(jìn)一步增加,試樣塊的燒結(jié)致密度變化不大,因此硬度數(shù)據(jù)值也增加不大。

從圖5的數(shù)據(jù)分析看,試樣塊的抗彎強(qiáng)度數(shù)值隨著燒結(jié)壓強(qiáng)的增加而增加,同樣燒結(jié)壓強(qiáng)在18MPa后,試樣塊的抗彎強(qiáng)度數(shù)值增加變得平緩,說(shuō)明當(dāng)燒結(jié)壓強(qiáng)達(dá)到18MPa后,試樣塊已經(jīng)完成致密燒結(jié),繼續(xù)增加壓強(qiáng),試樣塊的致密度變化不大,因此抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)值開(kāi)始逐漸平穩(wěn)。

圖4 不同燒結(jié)壓強(qiáng)下試樣塊硬度數(shù)據(jù)圖Fig.4 Data graph of hardness of the test samples under different sintering pressure

圖5 不同燒結(jié)壓強(qiáng)下試樣塊抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖Fig.5 Data graph of bending strength of the test samples under different sintering pressure

3.3 燒結(jié)溫度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

燒結(jié)溫度分別為750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,燒結(jié)壓強(qiáng)18MPa的條件下,試樣塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 不同燒結(jié)壓強(qiáng)下試樣塊應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)圖Fig.6 stress-strain curves of test samples under different sintering temperature

從圖6可以看出,隨著燒結(jié)溫度的增加,試樣塊的斷裂壓力不斷的增加,斷裂的時(shí)間也隨著增加。在燒結(jié)溫度750℃時(shí),試樣塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較大,斷裂時(shí)間最短,說(shuō)明試樣塊在燒結(jié)致密度較低時(shí)試樣塊呈現(xiàn)出強(qiáng)度不足,脆性斷裂的現(xiàn)象,當(dāng)燒結(jié)溫度790℃時(shí),試樣塊的抗彎強(qiáng)度最高,但斷裂過(guò)程卻呈現(xiàn)出了韌性增加情況,分析這主要是由于胎體中的低熔物在高溫下發(fā)生溢出,導(dǎo)致了胎體韌性的增加。

3.4 燒結(jié)溫度對(duì)試樣塊斷面形貌的影響

圖7到圖11是燒結(jié)溫度分別為750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,燒結(jié)壓力為18MPa時(shí),試樣塊的斷面形貌圖。

從以上試樣塊斷面形貌可以看出,770℃前試樣塊中低熔點(diǎn)液相物質(zhì)開(kāi)始熔解,但結(jié)晶粒大、小不均,晶粒間連接不夠致密,說(shuō)明燒結(jié)溫度稍低,當(dāng)燒結(jié)溫度為770℃時(shí),試樣塊中結(jié)晶粒變得均勻、致密,液相也已經(jīng)均勻地滲透至各部分,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液相聚集情況,說(shuō)明試樣塊已完成致密燒結(jié),而當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)增加,試樣塊中的結(jié)晶粒仍然能保持均勻、致密,但斷裂韌窩明顯地增多,說(shuō)明當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)升高,試樣塊的韌性開(kāi)始增加,這與圖6的試樣塊應(yīng)力應(yīng)變曲線基本是一致的,分析主要是溫度繼續(xù)增加,試樣塊中的液相出現(xiàn)滲出,Cu-Cu原子建增強(qiáng),Cu的韌性性能表現(xiàn)出來(lái)。

3.5 燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)串珠剝離強(qiáng)度的影響

圖7 試樣塊750℃、18 MPa斷面形貌圖Fig.7 Section topography of the test sample at 750℃,18 MPa

表1為燒結(jié)溫度分別為750℃、760℃、770℃、780℃、790℃,燒結(jié)壓力為18MPa條件下制備的試樣串珠,在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上采用35k N壓力的條件下進(jìn)行剝離強(qiáng)度性能測(cè)試的數(shù)據(jù)表,每一種試樣串珠測(cè)試數(shù)量為30粒。測(cè)試試樣串珠剝離強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示:

圖8 試樣塊760℃、18 MPa斷面形貌圖Fig.8 Section topography of the test sample at 760℃,18 MPa

圖9 試樣塊770℃、18 MPa斷面形貌圖Fig.9 Section topography of the test sample at 770℃,18 MPa

圖10 試樣塊780℃、18MPa斷面形貌圖Fig.10 Section topography of the test sample at 780℃,18 MPa

圖11 試樣塊790℃、18 MPa斷面形貌圖Fig.11 Section topography of the test sample at 790℃,18 MPa

表1 試樣串珠在不同燒結(jié)溫度條件下串珠剝離數(shù)據(jù)表Table 1 Beads stripping data of the style beads under different sintering temperature co nditions

從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)燒結(jié)溫度低于770℃時(shí),試樣串珠出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,而燒結(jié)溫度達(dá)到770℃以上后,試樣串珠的剝離現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生,說(shuō)明燒結(jié)溫度對(duì)串珠的剝離強(qiáng)度影響非常地大,分析主要是在燒結(jié)溫度760℃、750℃條件下,配方胎體存在欠燒情況,尚未完全致密,胎體與基體之間沒(méi)有充分地相互滲透、反應(yīng)導(dǎo)致固定強(qiáng)度不足,從而出現(xiàn)串珠剝離的現(xiàn)象,因此當(dāng)燒結(jié)溫度提高至770℃以上時(shí),串珠剝離的現(xiàn)象就沒(méi)有了。

4 總結(jié)

(1)燒結(jié)溫度與壓強(qiáng)對(duì)Cu基配方的性能影響是十分明顯的,因此在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí),這是需要認(rèn)真考慮的因素。

(2)當(dāng)燒結(jié)溫度為770℃,壓強(qiáng)為18MPa時(shí),該Cu基配方可以燒結(jié)致密,不再出現(xiàn)串珠剝離現(xiàn)象。

(3)隨著燒結(jié)溫度的增加,胎體會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)元素流失,Cu基胎體的應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)發(fā)生變化,性能也由脆性變?yōu)轫g性,Cu的韌性性能表現(xiàn)出來(lái)。

[1] 謝志剛,賀躍輝,王智慧,等.金剛石制品的金屬胎體的研究現(xiàn)狀[J].金剛石與磨料磨具工程,2006,153(3):71-75.

[2] 肖長(zhǎng)江,趙延軍,尚秋元.燒結(jié)工藝對(duì)鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2011.10,第30卷第5期.

[3] Rosa G L.Evaluation of diamond tool behavior for cutting stone materials[J].Ind.Diamond Rev,2004,1:45-50.

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

楊理清(1984-),男,學(xué)士,材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè),主要從事超硬材料工具制品的研究和開(kāi)發(fā)工作。

楊理清.燒結(jié)工藝對(duì)金剛石串珠Cu基胎體性能的影響研究[J].超硬材料工程,2015,27(6):9-13.