微波無(wú)壓燒結(jié)Fe-Cu-WC基金屬結(jié)合劑

葉小磊， 郭勝惠， 高冀蕓， 楊 黎， 王 梁 ， 侯 明， 郭 雨

(1. 復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650093)(2.國(guó)家超硬材料先進(jìn)制備技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心， 昆明 650093)(3. 微波能工程應(yīng)用和裝備技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650093)(4. 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院， 昆明 650093)(5. 云南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 昆明 650500)

金剛石工具以良好的機(jī)械性能，較高的導(dǎo)熱效率和突出的切削能力，被廣泛用于建筑、地質(zhì)鉆探、精密零件加工等行業(yè)[1-2]。目前制備金剛石工具刀頭主要采用的方法有熱壓燒結(jié)法[3]和無(wú)壓燒結(jié)法。然而，熱壓燒結(jié)技術(shù)能耗高、流程煩瑣、模具消耗大、勞動(dòng)力密集，在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策升級(jí)的情況下，其發(fā)展面臨的局限越來(lái)越多；無(wú)壓燒結(jié)法可避免石墨模具的消耗[4]，但存在燒結(jié)周期長(zhǎng)、燒結(jié)溫度高、能耗高、燒結(jié)體組織不均勻等問(wèn)題，且不適用于高熔點(diǎn)配方。因此，需要開(kāi)發(fā)出新的強(qiáng)化燒結(jié)手段，通過(guò)改變加熱方式和傳熱機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)金剛石工具的無(wú)壓生產(chǎn)提供新的可行途徑。

微波燒結(jié)技術(shù)具有體積加熱、內(nèi)部加熱、快速加熱、對(duì)反應(yīng)有催化作用等優(yōu)勢(shì)，在材料燒結(jié)制備及粉末冶金燒結(jié)等方面得到很好的應(yīng)用：其可顯著縮短燒結(jié)時(shí)間，節(jié)約成本能耗，并快速實(shí)現(xiàn)燒結(jié)基體致密化；同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和微觀結(jié)構(gòu)均勻，使燒結(jié)體具有良好的機(jī)械性能。因此，微波強(qiáng)化燒結(jié)作為一種節(jié)能高效的燒結(jié)新方法，有望替代金剛石工具刀頭熱壓燒結(jié)工藝[5-7]。

XU等[8-9]發(fā)現(xiàn)在微波加熱下，銅粉可以快速熔化并獲得致密性好、組織均勻的燒結(jié)體，并用真空微波設(shè)備制備出顆粒擴(kuò)散均勻、強(qiáng)度更高的銅鎢合金。FAN等[10]發(fā)現(xiàn)微波活化熱壓制備Bi-Te合金時(shí)，合金在較低溫度下快速燒結(jié)，并幾乎完全致密化。鮑瑞等[11]采用微波燒結(jié)法制備WC-Co超細(xì)硬質(zhì)合金，在更低的燒結(jié)溫度及更短的保溫時(shí)間下，得到了具有更高致密度的硬質(zhì)合金。史曉亮等[12]采用微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)和真空燒結(jié)等方法制備WC-10Co硬質(zhì)合金，并對(duì)比各燒結(jié)方法對(duì)其性能的影響，認(rèn)為微波燒結(jié)超細(xì)WC-10Co復(fù)合粉末制備的硬質(zhì)合金具有更優(yōu)良的綜合性能。REDDY[13]研究了Al/Al2O3復(fù)合材料微波燒結(jié)工藝，制備的復(fù)合材料具有極好的力學(xué)性能。

以含WC類(lèi)難燒結(jié)金屬的配方作為研究對(duì)象，我們考察金屬胎體在微波場(chǎng)中的燒結(jié)行為，探討微波燒結(jié)方法在金剛石工具無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中的應(yīng)用。以Fe、Cu、Sn、WC粉為金屬胎體原料，分別采用常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)和微波無(wú)壓燒結(jié)法制備金屬基燒結(jié)體，對(duì)比考察不同燒結(jié)溫度下胎體的微觀組織及力學(xué)性能，為制定微波無(wú)壓燒結(jié)工藝提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 配方設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用金屬單質(zhì)粉均購(gòu)自河南泰和匯金粉體科技有限公司，配方中各粉體的基本顆粒尺寸和純度(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))和質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)配方

按照表1的配方稱(chēng)取金屬粉，并添加少量無(wú)水乙醇、甘油作為濕潤(rùn)劑，在三維混料機(jī)中混合60 min。 稱(chēng)取一定質(zhì)量的混合粉裝入冷壓模具中，將其在350 MPa的壓力下保壓1 min，壓成30 mm×12 mm×6 mm的長(zhǎng)方體塊狀生坯試樣。

1.2 燒結(jié)曲線

針對(duì)微波燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)原理的差異和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的燒結(jié)曲線[5,14]，如圖1所示。微波燒結(jié)的原理與常規(guī)電爐燒結(jié)的原理不同：通過(guò)物料的介電損耗和能量原位轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)加熱物料的目的，其具有內(nèi)部強(qiáng)化加熱的特點(diǎn)。因此，在燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)體內(nèi)的溫度梯度方向與氣體逸出方向一致，有利于燒結(jié)組織內(nèi)部的氣體快速逸出；物料吸收的微波能量可以直接轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)部的動(dòng)能和勢(shì)能，提高物料活性，降低燒結(jié)活化能，加速合金化反應(yīng)進(jìn)程。因此，微波燒結(jié)允許更高的升溫速率和更短的保溫過(guò)程。

燒結(jié)溫度達(dá)到750 ℃以上時(shí)，W可在金剛石表面和金剛石反應(yīng)形成強(qiáng)碳化物；而燒結(jié)溫度超過(guò)1000 ℃時(shí)，金剛石表面熱腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)石墨化。因此，設(shè)定燒結(jié)溫度的范圍為800～950 ℃。在此區(qū)間內(nèi)，以50 ℃的溫度梯度，將燒結(jié)溫度θs分別設(shè)定為800 ℃、850 ℃、900 ℃和950 ℃。

圖1 金屬基金剛石工具常規(guī)和微波無(wú)壓燒結(jié)對(duì)比

2 結(jié)果與討論

采用阿基米德排水法檢測(cè)試樣的密度，使用掃描電子顯微鏡(JEOL 6701F，1.5 kV)觀察試樣的微觀組織形貌，使用CMT4304 液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試胎體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。

2.1 樣品致密度及抗彎強(qiáng)度的比較分析

燒結(jié)溫度超過(guò)750 ℃時(shí)，W與金剛石反應(yīng)生成WC，而Fe和WC可以形成均勻的擴(kuò)散層，彌補(bǔ)了Fe對(duì)金剛石潤(rùn)濕性差的不足，增強(qiáng)了金屬基體對(duì)金剛石磨料的把持力[3]。在800 ℃左右燒結(jié)時(shí)，Cu-Sn二元系統(tǒng)發(fā)生包晶反應(yīng)，組織主要由Cu和Cu9Sn組成，且Cu固溶體占主要部分，有利于提高樣品的強(qiáng)度；同時(shí)，在此成分點(diǎn)上有較寬的固液區(qū)間，有利于液相流動(dòng)，進(jìn)而提高樣品的致密度，最終增強(qiáng)樣品的抗彎強(qiáng)度[15]。圖2和圖3分別表示不同燒結(jié)工藝條件下燒結(jié)體的致密度和抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化關(guān)系。

從圖2中可以看出：隨燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)體的致密度先增大后減小，在燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度為800～950 ℃時(shí)，物料整體變?yōu)橐合啵稍跓Y(jié)體中充分流動(dòng)并填補(bǔ)燒結(jié)體內(nèi)的孔洞；溫度升高會(huì)促進(jìn)液相流動(dòng)，加劇固相顆粒遷移，使分散更加均勻，從而提高燒結(jié)體致密度。當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，液相含量持續(xù)增多，多余的液相來(lái)不及充分填充空隙而流出燒結(jié)體骨架，在冷卻過(guò)程中形成金屬結(jié)疤附在樣品上，液相流失、形成缺陷；同時(shí)，液相形成過(guò)快，會(huì)阻礙燒結(jié)體內(nèi)氣體的逸出，從而造成孔洞、降低燒結(jié)體的致密度。

圖2 不同溫度、不同工藝燒結(jié)后樣品的致密度

從圖3中可以看出：隨燒結(jié)溫度的升高，樣品的抗彎強(qiáng)度先增大后減小，在燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)達(dá)到最大值。這和燒結(jié)體的致密度變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明燒結(jié)體致密度對(duì)其抗彎強(qiáng)度有顯著影響。

圖3 不同溫度、不同工藝燒結(jié)后樣品的抗彎強(qiáng)度

結(jié)合圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)樣品在同一溫度下燒結(jié)時(shí)，相較于常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)的樣品，微波無(wú)壓燒結(jié)樣品的致密度和抗彎強(qiáng)度更高。這是因?yàn)槲⒉Y(jié)時(shí)，樣品溫度梯度和氣體逸出方向一致，有利于氣體從內(nèi)部逸出，減少了燒結(jié)體內(nèi)部孔洞的形成；固體顆粒在液相中快速重排，削弱液相流失對(duì)樣品致密度和抗彎強(qiáng)度的不利影響；微波作用下，金屬燒結(jié)體產(chǎn)生微區(qū)強(qiáng)化，樣品內(nèi)元素?cái)U(kuò)散更均勻，減少成分偏析[16]。

在850 ℃微波無(wú)壓燒結(jié)下獲得的樣品，其致密度和抗彎強(qiáng)度均優(yōu)于在900 ℃常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)下獲得的樣品的致密度和抗彎強(qiáng)度。這說(shuō)明微波無(wú)壓燒結(jié)需要的燒結(jié)溫度更低、燒結(jié)時(shí)間更短，這對(duì)于避免高溫對(duì)金剛石的熱損傷、降低能耗具有積極意義[17]。

2.2 樣品形貌分析

圖4反映了在850 ℃和900 ℃溫度下微波無(wú)壓燒結(jié)和常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)對(duì)樣品形貌的影響。從圖4可看出：各試樣中均有孔洞，但燒結(jié)溫度高的樣品中，孔洞小且少；燒結(jié)溫度更高的樣品，其各相的分布更均勻。

燒結(jié)溫度較低時(shí)，燒結(jié)體內(nèi)液相少，不能充分填充空隙，因而出現(xiàn)大而多的孔洞；液相表面張力較弱，導(dǎo)致固體顆粒重排不明顯，燒結(jié)體內(nèi)各相分布不夠均勻[17]。燒結(jié)溫度升高有利于液相生成，也有利于金屬原子的熱運(yùn)動(dòng)，所以在900 ℃燒結(jié)的樣品，各相分布更均勻、孔洞小而少。

進(jìn)一步對(duì)比圖4a～圖4d可以看出：相同燒結(jié)溫度下，微波無(wú)壓燒結(jié)的試樣中，各相分布更均勻、孔洞更小更少；在900 ℃微波無(wú)壓燒結(jié)下，樣品出現(xiàn)明顯的Fe和WC擴(kuò)散層，而在900 ℃常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散層并不明顯。這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述溫度梯度和固體顆粒重排的分析。微波在原子水平加熱更有利Fe和WC擴(kuò)散層的形成。

(a) 850 ℃常規(guī)無(wú)壓燒結(jié) (b) 900 ℃常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)(c) 850 ℃微波無(wú)壓燒結(jié) (d) 900 ℃微波無(wú)壓燒結(jié)圖4 不同燒結(jié)溫度、不同燒結(jié)工藝的樣品形貌

3 結(jié)論

以相同的金屬粉為原料，在相同的燒結(jié)溫度下比較了微波無(wú)壓燒結(jié)和常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)得到的樣品的致密度、抗彎強(qiáng)度等性能，并對(duì)比分析了微觀組織形貌，得出如下結(jié)論：

(1)微波無(wú)壓燒結(jié)更有利于樣品致密度及抗彎強(qiáng)度的提升，900 ℃燒結(jié)后金屬燒結(jié)體致密度和抗彎強(qiáng)度分別提高3.5%和7.7%，達(dá)到93.9%和816 MPa；從微觀組織形貌上看，微波燒結(jié)有利于組織物相的均勻分布。

(2)微波燒結(jié)因其獨(dú)特的加熱方式而表現(xiàn)出生產(chǎn)能耗低、產(chǎn)品性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的應(yīng)用前景。

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