燒結(jié)設(shè)備對鋸片性能的影響及在生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

彭乃聰,張翠芳,張智強,梁亞青

(河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050800)

隨著燒結(jié)金剛石鋸片市場需求的不斷變化，近年來異形齒產(chǎn)品、超薄波紋片、瓷磚片、熱壓波紋片等產(chǎn)品的需求不斷增長。產(chǎn)品形式、規(guī)格的變化，各種預(yù)合金粉的使用，對燒結(jié)設(shè)備、燒結(jié)工藝都提出了更高的要求；生產(chǎn)效率高、勞動強度低、燒結(jié)質(zhì)量穩(wěn)定、外觀效果好、后序加工簡便，這些都是各廠家普遍關(guān)注的問題。

我公司作為國內(nèi)專業(yè)的金剛石圓鋸片生產(chǎn)廠家，一直密切關(guān)注著行業(yè)設(shè)備的發(fā)展動態(tài)，與同行業(yè)其他廠家對比，公司燒結(jié)設(shè)備在種類上較為齊全，目前國內(nèi)使用較多的鐘罩爐(自制)、四柱式熱壓爐、隧道式連續(xù)爐三種設(shè)備[1]，公司均有多年使用經(jīng)驗。本文主要通過對以上三種設(shè)備應(yīng)用特點、燒結(jié)后產(chǎn)品尺寸、性能等方面進(jìn)行對比分析，探討不同燒結(jié)產(chǎn)品如何選擇燒結(jié)設(shè)備、燒結(jié)工藝，從而達(dá)到理想的燒結(jié)狀態(tài)和使用效果。

1 燒結(jié)設(shè)備簡析

1.1 鐘罩爐(自制)

鐘罩爐(自制)，采用三區(qū)加熱，配置爐膽，爐座直徑有Φ400、Φ500兩種尺寸。可以利用燒結(jié)罩的自重在燒結(jié)過程中形成一定的壓力，也可以采用千斤頂在燒結(jié)過程中施加一定的壓力，達(dá)到更高的胎體致密度。

優(yōu)點：熱電偶在爐膽內(nèi)，測溫準(zhǔn)確，精度高；設(shè)備投資小，工藝靈活，不同型號的鋸片可以組合裝爐；產(chǎn)量高，根據(jù)產(chǎn)品燒結(jié)是否需要進(jìn)行加壓，裝爐數(shù)量分別為800～1200片/爐,1200～1600片/爐。

缺點：上、中、下區(qū)溫差偏大，易出現(xiàn)偏生、偏厚的產(chǎn)品；千斤頂加壓需人工操作，勞動強度大，加壓質(zhì)量取決于工人熟練度，要求較高；爐罩循環(huán)升、降溫，熱量損失較大，能耗較高。

1.2 四柱式燒結(jié)爐

四柱式燒結(jié)爐，以鄭州金海威公司生產(chǎn)的燒結(jié)爐為代表，分帶膽、不帶膽兩種，是目前國內(nèi)使用較為普遍的一種燒結(jié)設(shè)備。設(shè)備測溫和加熱分三區(qū)(上、中、下)獨立進(jìn)行，下頂式加壓，可實現(xiàn)全程加壓燒結(jié)，壓力測量采用應(yīng)變式壓力傳感器，專用壓力控制器實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

優(yōu)點：升溫快，生產(chǎn)效率高；可以在燒結(jié)過程中通過液壓系統(tǒng)施加穩(wěn)定、可控的壓力，燒結(jié)產(chǎn)品的致密度高，這是該設(shè)備最大的優(yōu)勢所在；后期改進(jìn)產(chǎn)品采用高溫電熱帶，爐絲使用壽命、溫度均勻性、升溫效率均有所提高。

缺點：上、中、下區(qū)溫差偏大；產(chǎn)量偏小(但后期產(chǎn)品的爐膛尺寸、裝爐高度加大，產(chǎn)能有所提高)；不帶膽燒結(jié)爐產(chǎn)品出爐時會短時間暴露在空氣中，產(chǎn)品、工裝氧化較重，工裝使用壽命短，后期帶爐膽的燒結(jié)爐在此方面有較大改善；爐罩循環(huán)升、降溫，熱量損失較大，能耗較高。

1.3 隧道式熱壓連續(xù)爐

隧道式熱壓連續(xù)爐也是目前國內(nèi)使用較為普遍的一種燒結(jié)設(shè)備，采用隧道式電爐結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)四面電爐絲加熱，整臺電爐設(shè)置三段預(yù)燒區(qū)、四段燒結(jié)區(qū)共七段溫區(qū)(后期產(chǎn)品改進(jìn)為八段溫區(qū))，這種結(jié)構(gòu)便于調(diào)整燒結(jié)工藝。燒結(jié)區(qū)與冷卻區(qū)之間設(shè)置加壓裝置，采用單舟加壓的方式進(jìn)行加壓，壓力及壓頭行程可控。冷卻區(qū)分為自然冷卻和水冷卻結(jié)合、可控風(fēng)冷卻和水冷卻結(jié)合、水冷卻三段組成，便于調(diào)整冷卻工藝[1]。

圖3 隧道式熱壓連續(xù)爐Fig．3 Tunnel furnace

優(yōu)點：爐管內(nèi)溫度控制精度高、溫度均勻，燒結(jié)產(chǎn)品穩(wěn)定性好；燒結(jié)區(qū)較多，便于工藝微調(diào)，可根據(jù)實際情況靈活設(shè)置，滿足不同的燒結(jié)需求；燒結(jié)后可加壓，產(chǎn)品致密度較高；保溫性能好，熱量損失小，能耗小。

缺點：溫差較大的工藝調(diào)整需要時間較長；部分特殊產(chǎn)品采用出爐后加壓的方式效果不理想；燒結(jié)產(chǎn)品致密度較四柱式燒結(jié)爐仍有差距；工人勞動強度偏大，自動化程度有待進(jìn)一步提高。

2 燒結(jié)設(shè)備對產(chǎn)品的影響

根據(jù)公司生產(chǎn)和國內(nèi)外市場情況，選取Φ230D干片、Φ110干片(高鐵配方，鐵含量>65%以上)、Φ105熱壓波紋片、Φ105超薄波紋片四種具有一定代表性的產(chǎn)品，采用不同設(shè)備燒結(jié)后隨機抽取一定數(shù)量產(chǎn)品進(jìn)行測試對比。對比參數(shù)選擇有較大影響的產(chǎn)品外徑、刀頭厚度、刀頭硬度(注：以上參數(shù)測量均為垂直交叉測量)，并進(jìn)行對比切割測試。

2.1 燒結(jié)后產(chǎn)品參數(shù)對比

(1)外觀尺寸

產(chǎn)品外徑尺寸：四柱式燒結(jié)爐>鐘罩爐(自制)>隧道式連續(xù)爐(圖4)

刀頭厚度：隧道式連續(xù)爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結(jié)爐(圖5)

產(chǎn)品尺寸均勻度：隧道式連續(xù)爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結(jié)爐

四柱式燒結(jié)爐由于燒結(jié)過程中可施加持續(xù)穩(wěn)定的壓力且壓力較大，燒結(jié)后產(chǎn)品外徑最大，刀頭厚度最薄，對于采用開放式工裝(外徑無限位)燒結(jié)產(chǎn)品(如Φ230D產(chǎn)品)而言，此特點尤為明顯，刀頭向外延

圖4 產(chǎn)品外徑對比Fig．4 Outer diameter contrast

圖5 刀頭厚度對比Fig．5 Comparison of Tool Head Thickness

展較多。對于封閉式工裝，由于外徑有限位，差別則較小。鐘罩爐(自制)燒結(jié)過程中也可施加壓力，但壓力相對較小，鋸片外徑變化小于四柱式燒結(jié)爐；隧道式連續(xù)爐由于是在燒結(jié)完成后施加壓力并保壓的，且在等待壓制的過程中，鋸片溫度會有一定程度降低，因此鋸片外徑變化相對最小。

產(chǎn)品均勻性方面，隧道爐爐溫均勻度較好，產(chǎn)品外徑、刀頭厚度均勻度最好，而四柱式燒結(jié)爐和鐘罩爐(自制)由于上、中、下區(qū)溫差偏大，所以燒結(jié)后產(chǎn)品偏差也較大。外徑偏差對產(chǎn)品性能影響不大，但會導(dǎo)致鋸片后續(xù)開頂刃時砂輪損耗大幅度增加，額外增加生產(chǎn)成本，影響不可小覷。

此外鋸片平面度、內(nèi)孔也是鋸片外觀尺寸控制的重要數(shù)據(jù)，內(nèi)孔公差、平面度超差的話，直接影響著鋸片使用時的手感和切割精度[2]。根據(jù)公司生產(chǎn)統(tǒng)計，采用隧道式連續(xù)爐燒結(jié)，絕大多數(shù)鋸片基體平面度≤0.1mm，達(dá)到技術(shù)要求，內(nèi)孔公差也在技術(shù)要求范圍內(nèi)，不需要再進(jìn)行校平和鉸孔加工；采用四柱式燒結(jié)爐和鐘罩爐(自制)燒結(jié)，鋸片基體變形量及變形產(chǎn)品的數(shù)量都明顯增加，內(nèi)孔也普遍偏小，增加了后續(xù)校平、鉸孔工序的工作量。這主要是由于隧道式熱壓爐冷卻區(qū)較長，冷卻速度較慢，避免了急速冷卻，鋸片內(nèi)孔和基體平面度受到的影響較小，而四柱式燒結(jié)爐和鐘罩爐生產(chǎn)的產(chǎn)品刀頭外側(cè)冷卻速度較基體快，導(dǎo)致內(nèi)孔收縮量、基體變形量均較大[3]。

(2)刀頭硬度

圖6 刀頭硬度對比Fig．6 Hardness contrast of knife head

刀頭硬度對比見圖6。綜合對比，刀頭硬度：隧道式連續(xù)爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結(jié)爐。

刀頭硬度對比得出的結(jié)果與我們?nèi)粘５恼J(rèn)知有較大的出入，理論分析四柱式燒結(jié)爐燒結(jié)致密度應(yīng)該是三者中最高的，電鏡下胎體組織的檢測也印證了這一點，但結(jié)果相同產(chǎn)品其刀頭硬度反而最低，我們分析認(rèn)為這主要與其胎體合金化程度有關(guān)。產(chǎn)品采用四柱式燒結(jié)爐燒結(jié)時，由于整個燒結(jié)過程中施加了較大的壓力，因此在較低的溫度下，配方中低熔點元素形成的液相即可以較為充分地流動填充，所以其燒結(jié)工藝設(shè)定溫度較連續(xù)爐、鐘罩爐(自制)要低，從而使其胎體合金化程度較其他設(shè)備偏低，導(dǎo)致硬度也略低[4]；此外，燒結(jié)氣氛對合金化的影響也是可能的一個因素，連續(xù)爐密封性最好，燒結(jié)氣氛最穩(wěn)定，刀頭合金化程度最好。

2.2 切割性能對比

通過對比試切數(shù)據(jù)，三種設(shè)備燒結(jié)產(chǎn)品總體性能相差不大，均在產(chǎn)品要求的正常范圍內(nèi)，四柱式燒結(jié)爐產(chǎn)品鋒利度、耐磨度比其它燒結(jié)爐略高，但產(chǎn)品性能波動性也較其他設(shè)備略大。隧道式燒結(jié)爐產(chǎn)品切割性能最穩(wěn)定(圖7、圖8)。

2.3 刀頭斷面組織對比

對三種設(shè)備燒結(jié)產(chǎn)品的切割性能刀頭斷面的電鏡圖做一個分析。通過胎體斷面組織圖，最直觀的印象就是四柱式燒結(jié)爐產(chǎn)品致密度明顯最好，胎體中孔洞最少，提高了胎體的耐磨性，金剛石把持力也較高，但由于合金化程度相對不足，低熔點元素填充在晶間，使得胎體脆性偏大，有利于提高產(chǎn)品鋒利度，但同時降低了胎體的耐磨性；鐘罩爐(自制)、隧道式連續(xù)爐燒結(jié)產(chǎn)品相近，均存在較多孔洞，封閉式孔洞結(jié)構(gòu)在工具實際使用中，有利于提高產(chǎn)品的鋒利度，但胎體致密度不夠，會加速胎體磨損，降低胎體的耐磨性，金剛石把持力也會受到一定影響，但其胎體合金化程度較好，又提高了胎體的耐磨性[5]。以上多種作用相互綜合的結(jié)果，使得三種設(shè)備燒結(jié)出的產(chǎn)品在使用性能方面的差異并不明顯(圖9)。

圖7 切割速度對比Fig．7 Cutting speed comparison

圖8 計算壽命對比Fig．8 Computational Life Comparison

圖10是對Φ230干片強度檢測的統(tǒng)計，三種設(shè)備燒結(jié)的產(chǎn)品強度均滿足安全要求，但平均刀頭強度鐘罩爐(自制)>隧道式連續(xù)爐>四柱式燒結(jié)爐，差別在5%～15%之間，這與我們上面對胎體組織的分析及試驗結(jié)果也是吻合的。

圖9 刀頭斷面組織圖Fig．9 Sectional profile

圖10 Φ230D干片刀頭強度對比Fig．10 Strength comparison of 230Ddry blade

3 結(jié)論與建議

(1)鐘罩爐、隧道式連續(xù)爐、四柱式燒結(jié)爐通過合理的工藝設(shè)定，燒結(jié)后可以達(dá)到相近的性能。

(2)隧道式連續(xù)爐燒結(jié)產(chǎn)品幾何尺寸偏差小，穩(wěn)定性最好，后續(xù)加工工作量小，有利于降低加工成本。

隧道式連續(xù)爐保溫性能較好，爐內(nèi)溫度變化較慢，如果燒結(jié)工藝溫度差別較大，調(diào)整工藝時耗時較長，且頻繁調(diào)整溫度對設(shè)備有一定影響，因此更適合批量規(guī)模生產(chǎn)，如果生產(chǎn)廠家生產(chǎn)品種較多、產(chǎn)量小、燒結(jié)工藝、燒結(jié)溫度變化較大，不建議選擇。

(3)四柱式燒結(jié)爐燒結(jié)產(chǎn)品致密度最好，總體使用效果略優(yōu)于其他兩種設(shè)備。

四柱式燒結(jié)爐(無爐膽)，因出爐時無保護(hù)，工裝易氧化，不宜采用石墨工裝。

(4)在燒結(jié)瓷磚片、熱壓渦輪片、超薄波紋片等要求性能較高的產(chǎn)品時，宜優(yōu)先采用四柱式燒結(jié)爐，但應(yīng)注意裝爐量和工藝設(shè)置，減少爐溫不均造成的產(chǎn)品尺寸偏差。如生產(chǎn)量較大，可以采用隧道式熱壓連續(xù)爐，如果使用石墨封閉墊工裝，裝爐時上下宜采用單面不銹鋼間隔墊，以減少石墨墊損壞。

(5)鐘罩爐、四柱式燒結(jié)爐上、中、下三區(qū)溫差偏大，需對下區(qū)進(jìn)行有效的保溫措施減少散熱并對爐座進(jìn)行改進(jìn)，減少爐座吸熱量(目前丹陽地區(qū)生產(chǎn)的兩柱式下加壓鐘罩爐，在此方面有一定改進(jìn)，效果較好)。

鐘罩爐安裝位置對其溫度均勻性也有較大影響，建議爐座安裝位置為地平面以下40～50cm，避免安裝在地面以上，減少空氣流動較快帶來的熱量損失，還可有效減少下區(qū)燒結(jié)產(chǎn)品偏生偏厚現(xiàn)象。