燒結(jié)保溫時間對金剛石工具產(chǎn)品性能的影響

楊理清，駱穎，羅文來

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004;2.廣西超硬材料重點實驗室，桂林 541004)

燒結(jié)保溫時間對金剛石工具產(chǎn)品性能的影響

楊理清，駱穎，羅文來

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004;2.廣西超硬材料重點實驗室，桂林 541004)

主要討論了燒結(jié)工藝對金剛石工具產(chǎn)品性能的影響，并對燒結(jié)工藝中的燒結(jié)保溫時間對產(chǎn)品性能的影響進行測試與分析。測試結(jié)果表明:合理設(shè)計燒結(jié)保溫時間，可以獲得產(chǎn)品的最優(yōu)性能，燒結(jié)保溫時間過長或過短都會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。

金剛石工具;燒結(jié)工藝;Co基;力學(xué)性能

1 引 言

燒結(jié)工序是粉末冶金制品生產(chǎn)過程中的一個關(guān)鍵工序，也是對最終產(chǎn)品性能與質(zhì)量影響最直接的工序，因此通過研究燒結(jié)工藝對產(chǎn)品性能的影響，對我們更為清晰、更為深入掌握產(chǎn)品的性能有著重要作用。本文重點研究了燒結(jié)工藝中燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間這兩種關(guān)鍵工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響，我們認為，只有深入認真地研究清楚燒結(jié)工藝對產(chǎn)品性能的影響，才能在實際生產(chǎn)過程中懂得如何進行產(chǎn)品的工藝設(shè)計，從而達到降低能耗，保證質(zhì)量的目的。

2 實 驗

本文中以Co為基礎(chǔ)配方產(chǎn)品，Co為主體，占70%，配以17%的Cu，其他元素Ni、Mn、Sn、Zn等占13%，以此來設(shè)計配方進行研究，粉料的粒度為300目，燒結(jié)設(shè)備為真空熱壓燒結(jié)機，制備的式樣規(guī)格為30mm×12mm×6mm，每種制樣數(shù)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)為300粒。

制備的式樣塊用于密度、硬度、抗彎強度及應(yīng)力應(yīng)變曲線測試和斷口形貌的觀察，硬度測試在HR-150A型洛氏硬度計上進行，采用HRB度量;抗彎強度采用三點彎曲法在萬能材料試驗機上進行測試，通過分析得到應(yīng)力應(yīng)變曲線;應(yīng)用SEM掃描電鏡對試樣塊斷口形貌進行觀察與分析。

制備串珠試樣用于剝離強度的測試，剝離強度在萬能材料試驗機上進行，測試的壓力設(shè)計為35kN。

3 結(jié)果與討論

3.1 燒結(jié)保溫時間對試樣塊力學(xué)性能的影響

在測試燒結(jié)溫度對試樣塊力學(xué)性能的影響時，我們分別設(shè)計了5個保溫時間:8min、16min、24min、32min、40min，燒結(jié)溫度860℃，壓強18MPa。

不同保溫時間條件下，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)保溫時間試樣塊致密度Fig.1 sample block density under different sintering time

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)保溫時間延長，燒結(jié)致密度的數(shù)據(jù)值變化不大，當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到16min時，試樣塊的燒結(jié)致密度基本保持穩(wěn)定，不再有大的變化，這說明燒結(jié)保溫時間的繼續(xù)增加不能繼續(xù)減少試樣塊內(nèi)部的空隙或者說明試樣塊內(nèi)部物質(zhì)遷移非常困難。

不同燒結(jié)保溫時間條件下，試樣塊的硬度數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 不同燒結(jié)保溫時間試樣塊硬度值Fig.2 sample block hardness under different sintering time

從圖2的數(shù)據(jù)分析看，試樣塊的硬度值隨著燒結(jié)保溫時間的延長而略有增加，但增加幅度很小，當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到16min后，試樣塊的硬度值基本穩(wěn)定，說明當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到16min后，試樣塊的內(nèi)部空隙不再變化，物質(zhì)遷移也基本完成。

不同燒結(jié)保溫時間條件下，試樣塊的抗彎強度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同燒結(jié)保溫時間試樣塊抗彎強度值Fig.3 sample block bending strength under different sintering time

從圖3的數(shù)據(jù)分析看，試樣塊的抗彎強度同樣隨著燒結(jié)保溫時間的延長而略有增加，整個測試數(shù)據(jù)值比較較近，說明當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到16min后，試樣塊內(nèi)部物質(zhì)遷移基本完成，物質(zhì)間連接也基本固定，因此試樣塊抗彎強度數(shù)據(jù)值沒有多大的變化，但是隨著保溫時間延長，試樣塊內(nèi)部的晶粒不斷長大，試樣塊的韌性開始增加(見應(yīng)力應(yīng)變圖)。

燒結(jié)保溫時間分別為 8min、16min、24min、32min、40min，燒結(jié)溫度為860℃，燒結(jié)壓強18MPa的條件下，試樣塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 不同燒結(jié)保溫時間試樣塊應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.4 sample block stress-strain curves under different sintering time

從圖4可以看出，隨著燒結(jié)保溫時間的增加，試樣塊的斷裂壓力數(shù)據(jù)值變化不大，但斷裂的時間隨著增加，甚至出現(xiàn)了試樣塊裂而不斷的情況，這主要是試樣塊在燒結(jié)保溫時間較短時，試樣塊內(nèi)部物質(zhì)遷移基本完成，但粉料間連接尚未形成整體，因此出現(xiàn)試樣塊剛性斷裂情況，但隨著燒結(jié)保溫時間不斷延長，試樣塊內(nèi)部部分晶粒不斷長大，試樣塊粉料間整體性能不斷強化，從而產(chǎn)生試樣塊韌性不斷增加的現(xiàn)象。

3.2 燒結(jié)保溫時間對試樣塊斷面形貌的影響

圖5至圖 9為燒結(jié)保溫時間分別為 8min、16min、24min、32min、40min，燒結(jié)溫度為860℃，燒結(jié)壓強18MPa的條件下，試樣塊的斷面形貌圖。

圖5 試樣塊保溫時間8min斷面形貌圖Fig.5 fracture morphology of sample block under 8min sintering time

圖6 試樣塊保溫時間16min斷面形貌圖Fig.6 fracture morphology of sample block under 16min sintering time

圖7 試樣塊保溫時間24min斷面形貌圖Fig.7 fracture morphology of sample block under 24min sintering time

圖8 試樣塊保溫時間32min斷面形貌圖Fig.8 fracture morphology of sample block under 32min sintering time

圖9 試樣塊保溫時間40min斷面形貌圖Fig.9 fracture morphology of sample block under 40min sintering time

從以上試樣塊斷面形貌可以看出，燒結(jié)保溫時間8min時，試樣塊內(nèi)部粉料分布雖然較為均勻但連接還比較松散，隨著保溫時間延長，試樣塊內(nèi)部部分晶粒開始長大并且粉料間連接開始加強，試樣塊的斷裂韌窩開始明顯，因此說明試樣塊的韌性不斷的增加了，這一現(xiàn)象與試樣塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化是相符合的。

3.3 燒結(jié)保溫時間對燒結(jié)串珠剝離強度的影響

表 1為燒結(jié)保溫時間分別為 8min、16min、24min、32min、40min，燒結(jié)溫度為860℃，燒結(jié)壓強18MPa的條件下制備的試樣串珠，在萬能材料試驗機上采用35kN壓力的條件進行剝離強度性能測試的數(shù)據(jù)表，每一種試樣串珠測試數(shù)量為300粒。測試試樣串珠剝離強度數(shù)據(jù)如表1所示:

從表1的測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)燒結(jié)保溫時間為8min時，串珠出現(xiàn)剝離概率為6.6%，當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到16min后，串珠沒有剝離的情況，因此說明串珠只有在滿足一定的燒結(jié)保溫時間的條件下，串珠胎體與基體相互充分滲透才能牢固地粘接在一起，滿足使用要求，不然就可能會出現(xiàn)串珠剝離，產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量問題。

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 exfoliation data of the style beads under different sintering time conditions

3.4 燒結(jié)保溫時間對金剛石工具產(chǎn)品性能的影響

將燒結(jié)保溫時間8min、24min、40min條件下制備的串珠生產(chǎn)成金剛石異形繩鋸，進行現(xiàn)場切割花崗巖銹石測試，測試結(jié)果如表2:

表2 不同保溫時間異形繩樣品現(xiàn)場測試性能數(shù)據(jù)表Table 2 the site test performance data for each special shaped rope sample

從表2數(shù)據(jù)可以看出，燒結(jié)保溫時間8min時，異形繩產(chǎn)品的切割效率最高，達到1.62m2/h，但切割壽命最短，只有8.3m2/m，并且在切割后期出現(xiàn)少量串珠剝離情況，隨著燒結(jié)保溫時間的延長，當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到24min時，異形繩產(chǎn)品切割效率為1.58m2/ h，稍有下降，但降幅很小，并且切割壽命有了較大幅度的提高，達到9.6m2/m，而且串珠沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題，綜合性能達到最優(yōu)，隨著燒結(jié)保溫時間進一步延長，當(dāng)燒結(jié)保溫時間達到40min時，異形繩樣品的切割效率明顯下降，只有1.26m2/h，盡管切割壽命還在繼續(xù)增加，但綜合性能并不突出。因此，通過測試數(shù)據(jù)對比，我們知道合理的設(shè)計燒結(jié)保溫時間，可以獲得產(chǎn)品的最優(yōu)性能，燒結(jié)保溫時間過長或過短都會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。

4 總 結(jié)

(1)燒結(jié)保溫時間對Co基配方力學(xué)性能中的致密度、硬度、抗彎強度影響較小，但對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響非常明顯，呈現(xiàn)出由剛性脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性彎曲的現(xiàn)象。

(2)燒結(jié)保溫時間對Co基配方產(chǎn)品的性能影響是十分明顯的，燒結(jié)保溫時間過長或過短都會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。

［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］肖長江，趙延軍，尚秋元.燒結(jié)工藝對鐵基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響［J］.硅酸鹽通報，2011.10，30(5).

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

The Influence of Sintering Holding Time on The Performance of Diamond Tools Product

YANG Li-qing，LUO Ying，LUO Wen-lai
(1.Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004; 2.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material，Guilin，Guangxi 541004)

The influence of sintering process on the performance of diamond tools product has been discusses in this article，and the influence of sintering holding time on the performance of diamond tools product has also been tested and analyzed.Results shows that:the best performance of the product can be obtained by reasonable design of sintering time.Either too long or too short sintering time will exert an influence upon the performance of the product.

diamond tools;sintering process;Co base matrix;mechanical properties

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0010－05

2016－08－25

楊理清(1984－)，男，學(xué)士。所學(xué)專業(yè):材料科學(xué)與工程，主要從事超硬材料工具制品的研究與開發(fā)工作。

楊理清，駱穎，羅文來.燒結(jié)保溫時間對金剛石工具產(chǎn)品性能的影響［J］.超硬材料工程，2016，28(6):10-14.