冷卻方式對合成腔內(nèi)溫度場分布的影響

張 喆，張 俊

(1.桂林特邦新材料有限公司 ,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室，廣西 桂林 541004;3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西 桂林 541004)

1 引言

六面頂壓機為我國首創(chuàng)機型，有別于兩面頂壓機，其具有維修方便、生產(chǎn)效率高和合成成本低等優(yōu)點[1]，廣泛應用于高溫高壓制品，如聚晶立方氮化硼復合片(PcBN復合片)和聚晶金剛石復合片等。也正是由于這種六面加壓的結構設計，使其在高溫高壓合成中具有內(nèi)部溫度場分布不均、壓力傳遞效率差和產(chǎn)品形變量大等特點，不利于合成出高品質(zhì)高性能產(chǎn)品。且隨著六面頂壓機缸徑的擴大，所制復合片尺寸的增加，設備結構對產(chǎn)品的不利影響將進一步增大，尤其是在旁熱式組裝中。近年來，研究者們不斷對腔體內(nèi)溫度場的分布和控制方法進行研究[2-6]，從有限元分析可知[7-8]，旁熱式組裝高壓腔體內(nèi)溫度場分布為：四周高、中心低；中心高、兩端低。且從高壓腔體中間到兩端，合成片內(nèi)的溫度梯度逐漸減小(如圖1(a))。要改善溫度場的不均，需從溫度梯度最大的中間片著手(如圖1(b))，降低邊緣與中心的溫差，避免內(nèi)側復合片因壓力小且溫度高而產(chǎn)生的脫層現(xiàn)象，導致產(chǎn)品失效，產(chǎn)生直接經(jīng)濟損失。

圖1 溫度場模擬[7]Fig.1 Finite element simulation of temperature

本試驗試圖通過改善六面頂壓機的冷卻方式，由之前的兩缸通水改進為六缸通水，在對加熱錘冷卻的基礎上，增加對非加熱錘的冷卻，進行軸向溫度場的調(diào)控，提高腔體內(nèi)部溫度均勻性，使得產(chǎn)品成品率和性能穩(wěn)定性有所提升，這對提高企業(yè)利潤和市場競爭力有著重要的現(xiàn)實意義。

2 試驗方法及過程

選用平均粒度為1μm的TiN粉、平均粒度2μm的Al粉和平均粒度1.5μm的cBN粉末，均勻混合處理后裝料，并對其進行真空處理，按圖2的方式進行裝塊，最后在560mm六面頂壓機上進行高溫高壓合成。合成條件為：合成溫度1350℃～1400℃、壓力5～5.5GPa和燒結時間20～25min。試驗將560缸徑六面頂壓機冷卻方式作為研究變量，即通過對比兩缸通水和六缸通水的產(chǎn)品外觀、成品率和性能，研究冷卻方式的改變對內(nèi)部溫度場的影響規(guī)律。

圖2 樣品組裝圖Fig.2 Sample assembly map1-導電鋼圈；2、11、12-葉蠟石；3-白云石；4-鈦；5-陶瓷片；6、10-石墨；7-氯化鈉；8-硬質(zhì)合金；9-立方氮化硼

試驗采用四片裝旁熱式組裝結構，對合成后內(nèi)外側復合片進行觀察，查看冷卻方式的改變對內(nèi)部溫度場分布的影響；將樣品平面磨后標號放入馬弗爐中進行熱處理(300℃保溫3h 后爐冷)，加速復合片脫層，在Sonoscan D9500超聲波掃描儀上檢測界面，設置掃描速度為13.5mm/μs，查看冷卻方式的改變對產(chǎn)品成品率的影響；再將樣品通過線切割方式切成直角等腰三角形狀，分別對其進行焊刀、磨刀、倒角和倒棱處理，最后在型號為CAK4085的數(shù)控車床上進行切削測試，切削參數(shù)：棒料材質(zhì)為GCr12(HRC58～62)、線速度120m/min、切深0.2mm、進給0.2mm/轉(zhuǎn)、切削行程2000m，查看冷卻方式的改變對切削性能的影響。

3 試驗結果與討論

3.1 產(chǎn)品外觀

從圖2結構可知，由于采用是四片式組裝結構，內(nèi)側和外側復合片自身溫度梯度大。而兩缸通水冷卻對象為加熱錘(前后缸)，其與合成塊導電鋼圈直接相接，可通過調(diào)節(jié)冷卻水大小增大或減小導電鋼圈的散熱，達到對溫度場調(diào)控的目的。而六缸通水冷卻對象為加熱錘和非加熱錘，不僅可通過調(diào)節(jié)導電鋼圈還通過葉臘石的散熱，使之內(nèi)部溫度場均勻可控。

從圖3(a)可知，若兩缸通水冷卻水水流速偏大，則表現(xiàn)為冷卻過當，導電鋼圈帶走的熱量過多，使得合成腔外端位置溫度低于合成所需，則后缸外側復合片出現(xiàn)長斑現(xiàn)象，外觀表現(xiàn)為中心泛白，而內(nèi)側復合片溫度不受影響。若將六缸通水中非加熱錘的冷卻水流速增大，則表現(xiàn)為葉臘石散熱過多，使得中間位置溫度低于合成所需，前缸內(nèi)側復合片由于燒結不充分，出現(xiàn)長斑現(xiàn)象，而外側復合片溫度不受影響，如圖3(b)所示。由此可見，兩缸通水對溫度場的調(diào)節(jié)是軸向的，主要對外側復合片影響大，而對內(nèi)側溫度較高的復合片基本沒影響，無法解決中間復合片溫度偏高而產(chǎn)生的脫層問題。而六缸通水對溫度場的調(diào)節(jié)是多向的，既可通過調(diào)節(jié)加熱錘水流量對軸向溫度場進行調(diào)節(jié)，又可通過調(diào)節(jié)非加熱錘水流量對徑向溫度場進行調(diào)節(jié)，對內(nèi)側復合片影響顯著，可有效降低腔體中最高溫度區(qū)域，縮小邊緣與中心的溫差，使得溫度場整體均勻化，有利于生產(chǎn)與質(zhì)量控制，如圖3(c)所示。

圖3 PcBN復合片外觀圖Fig.3 The appearance of PcBN compacts

3.2 成品率

將同一功率下合成的復合片按標號放入馬弗爐中，隨爐升溫至300℃保溫3h后爐冷，達到加速PcBN復合片脫層的目的。再結合超聲波掃描儀檢查復合片界面情況，快速篩除因合成溫度過高而脫層的復合片比例，統(tǒng)計最終成品率。

由上圖可見，經(jīng)熱處理后，合成過當?shù)膹秃掀诓煌潭壬铣霈F(xiàn)了脫層現(xiàn)象，這利于將具有脫層傾向的復合片提前篩選出來。當合成溫度高于所需時，在兩缸通水的條件下(如圖4(a)所示)，即便是同一合成塊中，四片式組裝結構中的內(nèi)側復合片溫度明顯高于外側。經(jīng)熱處理后，中間兩片內(nèi)側復合片均出現(xiàn)邊緣脫層的情況，這與復合片外觀和內(nèi)部溫度場分布表現(xiàn)一致。在此種情況下，冷卻水流速調(diào)節(jié)對內(nèi)側復合片無法起到作用，而降低合成功率雖可對內(nèi)側復合片進行調(diào)節(jié)，但這將直接導致外側復合片溫度不足，出現(xiàn)長斑，內(nèi)外側復合片恒定存在一定溫度差。而在六缸通水的條件下(如圖4(b)所示)，當溫度過當時，靠近前缸的內(nèi)側和外側復合片均顯示偏高，而后缸的復合片合成良好。這表明六缸通水可以通過不同缸的冷卻水流量分別對內(nèi)側和外側復合片所處溫度場進行調(diào)節(jié)。當冷卻水流量偏小時，則溫度偏高出現(xiàn)脫層，當各缸流速調(diào)至適宜時，可達到圖3(c)外觀和圖4(c)界面，即表現(xiàn)為同一合成塊中四片復合片溫度場均勻。尤其是在氣溫炎熱的夏季，若不對非加熱錘進行適當冷卻，則會隨著合成數(shù)量的增加，錘溫不斷疊加，增大了內(nèi)側PcBN復合片脫層的概率。試驗采用兩種冷卻方式分別合成Φ35mmPcBN100片，并通過熱處理后超聲波掃描篩選，兩缸通水復合片脫層數(shù)量為19片，而六缸通水復合片脫層數(shù)量為8片，脫層率降低11%，更有利于生產(chǎn)管控和成本降低。

圖4 PcBN復合片界面圖Fig.4 The interface of PcBN compacts

3.3 切削性能

對不同冷卻方式合成的內(nèi)側PcBN復合片進行切削性能檢測，采用線切割從邊緣向中心連續(xù)取3個樣，其中每片為邊長6mm的直角等腰三角形，位置分別標為1#、2#和3#。將刀頭用高頻焊焊接在刀桿上，用磨床對刀具進行磨刀、倒角和倒棱處理，最后在數(shù)控車床上進行切削，并用帶有刻度的顯微鏡觀察其刃口測量其后刀面磨損量，結果如表1所示。

表1 不同冷卻方式及其部位的切削磨損量

從表中數(shù)據(jù)可知，無論是采用何種冷卻方式合成的復合片，其均呈中心3#位置處切削磨損量最大，而半徑中間2#位置處磨損量最小的規(guī)律。此外，六缸通水較兩缸通水后刀角磨損量均有所降低，尤其是邊緣處。分析其原因，對比同一復合片的不同位置時，由于旁熱式加熱，中心區(qū)域的溫度最低，加之采用博士帽堵頭，該區(qū)域壓力集中，壓力場影響溫度場，使得該處所需溫度進一步提高，最終導致中間燒結不充分、致密度低，所制刀具切削時較鈍，易出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象。而半徑中間區(qū)域溫度和壓力均較為適宜，粘結劑充分與cBN反應生成新物質(zhì)，且cBN顆粒之間互相成鍵，并在較高的壓力下晶粒細化形成致密的燒結體，具有良好的切削性能。對比不同復合片的相同位置時，由于六缸通水可對復合片邊緣溫度進行調(diào)控，有效降低內(nèi)側復合片的邊緣溫度，改善該區(qū)域因壓力小和溫度高出現(xiàn)的“過燒”現(xiàn)象，從而削弱晶粒增大對切削性能帶來的不良影響[9]。因此在冷卻方式對性能的影響中，該處的降幅也是最為顯著的，磨損量由0.39mm降至0.37mm，降幅可達5.13%。此外，同一復合片的平均磨損量也從0.383mm降至0.373mm，降低2.68%，性能波動從11.11%降低至8.33%，其平均磨損量和性能穩(wěn)定性均有所增加。

4 結論

六缸通水的應用，對于實現(xiàn)大直徑復合片內(nèi)部溫度場的調(diào)控具有重要意義。六缸通水不但可對腔體內(nèi)溫度場進行軸向調(diào)節(jié)也可進行徑向調(diào)節(jié)，尤其是徑向調(diào)節(jié)，這對于氣溫較高的季節(jié)以及設備連續(xù)不間斷合成的情況而言，是必不可少的。溫度場的均勻化，不僅可有效降低復合片的脫層率，提高產(chǎn)品利潤，而且還對平均性能和性能穩(wěn)定性的提升有所幫助。需根據(jù)季節(jié)的不同，對不同缸的水流量進行調(diào)控，如夏季時，則需加大六缸的冷卻水流速，特別是增大非加熱錘的散熱，避免因邊緣溫度高而產(chǎn)生的脫層現(xiàn)象；而冬季時，則六缸冷卻水均需下調(diào)，特別是非加熱錘，甚至可調(diào)至最小，避免錘冷而產(chǎn)生的放炮現(xiàn)象。此外，六缸通水水流量的大小應根據(jù)設備自身條件的不同而進行設定的，需不斷重復合成、觀察、檢測和調(diào)整這一過程，將不同缸的水流量優(yōu)化，方可使六缸通水發(fā)揮最大效益。