熱壓燒結(jié)和單刀頭鋼模燒結(jié)的胎體性能對比研究

李運(yùn)海

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，利用內(nèi)電阻熱壓燒結(jié)是目前孕鑲式金屬基金剛石制品的主要生產(chǎn)方法，它具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如通過石墨模具和胎體的內(nèi)電阻加熱，加熱速度快、溫度可控性好、燒結(jié)致密度高、生產(chǎn)規(guī)格安排靈活等，但是也有其缺點(diǎn)，例如單位能耗高、設(shè)備功率大、批量生產(chǎn)對電力電容要求高等；由于使用石墨模具組裝，組裝件多，需要較多的人力裝配，實(shí)現(xiàn)自動化難度大，工作環(huán)境石墨粉塵大等。這些缺點(diǎn)在綠色環(huán)保方面不夠友好，在人力成本方面偏高，不太符合現(xiàn)代制造業(yè)要求。

為了解決這些問題，德國Dr Fritsch公司和Fraunhof研究所共同研究，推出了單個刀頭燒結(jié)機(jī)SSP104(圖2)，即Single-segment Sintering Press意思是單個刀頭燒結(jié)，以下用這種燒結(jié)方式均稱為SSP燒結(jié)。這種設(shè)備采用耐熱鋼模燒結(jié)，可施加更高壓強(qiáng)，燒結(jié)時間更短；模具沒有降溫過程，工作中一直保持高溫；加熱部件功率低，更節(jié)能；刀頭自動上下模，不需人工裝模，更容易生產(chǎn)復(fù)雜形狀刀頭。目前歐洲金剛石工具公司已經(jīng)開始使用這種設(shè)備，其生產(chǎn)的刀頭在石材切割和混凝土切割上已經(jīng)應(yīng)用，使用效果良好，特別是在切割鋒利度方面有優(yōu)勢[1]。

國內(nèi)謝志剛等也進(jìn)行了類似的研究[2]，用金屬模具進(jìn)行燒結(jié)研究，采用低溫高壓的燒結(jié)方式，在內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)。結(jié)果表明，用金屬熱壓模具燒結(jié)溫度可降低60℃，制造出的鋸片胎體包鑲金剛石的能力比石墨模具強(qiáng)，且熱壓工藝中對金剛石的損傷比后者少。做出產(chǎn)品的切割壽命提高20%，切割電流僅提高6%。這將能充分發(fā)揮金屬材料抗氧化性強(qiáng)、低溫強(qiáng)度高的優(yōu)勢，從而使金屬材料能應(yīng)用于金剛石鋸片熱壓模具。之前王智慧等對石墨和兩種特殊金屬材料制作的熱壓燒結(jié)模具進(jìn)行了高溫下性能對比測試，得出其中金屬材料W的最高燒結(jié)溫度低于740℃為優(yōu)，金屬材料N的最高燒結(jié)溫度低于780℃為優(yōu)；金屬材料B的最高燒結(jié)溫度低于850℃為優(yōu)[3]。由于現(xiàn)代新金屬材料的發(fā)展，在高溫下仍具有高抗壓性能的金屬材料成本得到大幅度降低，在普通工業(yè)應(yīng)用中成為可能。當(dāng)然還有其他的燒結(jié)方式，例如翟向樂、蒙云開等采用熱等靜壓方法在金剛石工具中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究，證明熱等靜壓燒結(jié)制備的金屬胎體，在相對密度、抗沖擊強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、鋸切性能方面都有明顯提升[4]。

從燒結(jié)工藝來看，兩種燒結(jié)方式的主要差異是燒結(jié)的溫度、壓力和時間三個方面。普通的內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)使用石墨模具，模具可承受燒結(jié)溫度高，但可承受壓力較小，整體燒結(jié)致密需要的時間較長。而SSP燒結(jié)用耐高溫鋼做模具，模具可承受燒結(jié)溫度較低，但是可承受壓力大，燒結(jié)致密時間短。在這兩種不同的燒結(jié)條件下，同樣配方燒結(jié)的胎體力學(xué)性能有什么變化，該如何應(yīng)用調(diào)整呢？

本文設(shè)計同樣的胎體，用SSP方式燒結(jié)和內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)做對比，研究胎體性能，主要研究SSP燒結(jié)下胎體致密度、硬度和抗彎強(qiáng)度的變化。并用掃描電鏡觀察斷面狀況。

1 兩種燒結(jié)方式的對比

內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)(圖1)和SSP燒結(jié)機(jī)(圖2)，兩者的加熱原理存在差異，內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)是通過大電流(圖3)，利用內(nèi)電阻加熱石墨模具和刀頭，需要很大的電流，所以功率要求大，每燒結(jié)一次有升溫、保溫、降溫三個過程，能耗大；SSP燒結(jié)機(jī)用小型感應(yīng)爐加熱(圖4)，加熱到溫度后保持溫度不變，連續(xù)燒結(jié)，燒結(jié)能耗低[5]。

圖1 內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)

圖2 SSP燒結(jié)機(jī)

圖3 內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)燒結(jié)加熱過程

圖4 SSP燒結(jié)機(jī)燒結(jié)加熱過程

現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中，選擇生產(chǎn)方式不單只考慮生產(chǎn)性能優(yōu)劣，還從生產(chǎn)效率，能耗，環(huán)境等方面綜合考慮。兩種燒結(jié)方式的主要差異對比如表1所示。

從表1可以看出，SSP燒結(jié)方式在生產(chǎn)能耗上比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)有很大的優(yōu)勢。

表1 內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)和SSP燒結(jié)對比

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用試樣塊是30 mm×12 mm×6 mm尺寸的長方體節(jié)塊，配方為采用單質(zhì)金屬預(yù)混合的A配方，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為CuSn15，其余為Co、Fe、Cu。胎體先用三維混料機(jī)混1 h，再用模具冷壓成型；分別用內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)機(jī)和SSP燒結(jié)機(jī)燒結(jié)，燒結(jié)工藝如表2。最后用水重法分別測量節(jié)塊的燒結(jié)致密度，檢測HRB硬度，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)做三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度檢測，用掃描電鏡觀察斷面。

表2 內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)工藝

表3 SSP試樣快燒結(jié)工藝

3 結(jié)果與討論

胎體燒結(jié)后檢測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試樣塊燒結(jié)后檢測性能數(shù)據(jù)

3.1 燒結(jié)時間對胎體性能的影響

從上面的數(shù)據(jù)看，SSP方式在燒結(jié)溫度850℃，燒結(jié)壓力32 kN不變，在30～150 s的保溫時間下燒結(jié)，如圖5～圖7所示。燒結(jié)致密度從30 s時的94.7%提高到150 s的97.1%，與內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)97.8%接近，僅相差0.7%。胎體的燒結(jié)致密度隨時間增加而提高。

圖5 燒結(jié)時間對燒結(jié)致密度的影響

圖6 燒結(jié)時間對抗彎強(qiáng)度的影響

圖7 燒結(jié)時間對胎體硬度的影響

抗彎強(qiáng)度從30 s時的956 MPa提高到150 s的1255 MPa，強(qiáng)度略高于內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)1198 MPa。在保溫60 s和120 s期間，由于達(dá)到一定的致密度，需要更多的時間，或更大的壓力來消除空隙提高致密度，胎體的抗彎強(qiáng)度增加不明顯，甚至還有一定的波動，但到150 s后燒結(jié)達(dá)到一定的致密度后，由于燒結(jié)壓力大，其燒結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)。

胎體硬度從30 s時的HRB 93.4，提高到150 s的HRB 97.9，燒結(jié)硬度還低于內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)的硬度HRB 98.5。認(rèn)為由于燒結(jié)時間短，胎體內(nèi)的合金化程度相比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)程度低，而導(dǎo)致胎體硬度稍低。

3.2 燒結(jié)壓力對胎體性能的影響

燒結(jié)過程壓力是內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)方式與SSP方式燒結(jié)的最大區(qū)別之一。在保持850℃，保溫時間60 s，燒結(jié)壓力從11 kN到43 kN下的性能變化如圖8～圖10所示。

圖8 燒結(jié)壓力對胎體致密度的影響

從圖8看，燒結(jié)壓力從11 kN到32 kN，胎體燒結(jié)的致密度幾乎以線性快速提高，32 kN致密度達(dá)到96.6%后，提高變緩慢，但仍有提高。燒結(jié)過程增加壓力是有效提高致密度的手段。

從圖9看，隨著燒結(jié)壓力提高，胎體燒結(jié)強(qiáng)度在迅速提高，在32 kN后提高速度變慢，強(qiáng)度達(dá)到1155 MPa，與內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)的1198 MPa接近。提高到43 kN后，胎體強(qiáng)度達(dá)到1230 MPa，強(qiáng)度比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)的1198 MPa高出2.7%。

圖9 燒結(jié)壓力對胎體強(qiáng)度的影響

從圖10看，隨著燒結(jié)壓力提高，胎體燒結(jié)硬度在迅速提高，在32 kN后提高速度變慢，硬度到HRB 96.1，在壓力提高到43 kN后，硬度達(dá)到HRB 97.5，但硬度與內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)的HRB 98.5比，還是稍低。說明燒結(jié)時間短，胎體內(nèi)部的合金化程度稍有不足。

圖10 燒結(jié)壓力對胎體硬度的影響

3.3 胎體微觀組織分析

3.3.1 胎體微觀組織分析

圖11～圖13是SSP燒結(jié)6#、7#和8#胎體在5000x斷面圖片。從斷面可看出刀頭致密度從94.7%、96.0%到97.0%變化的斷面狀況，斷面松散和裂紋逐步減少，呈逐步致密的過程。

圖11 6#樣品斷面

圖12 7#樣品斷面

圖13 8#樣品斷面

3.3.2 金剛石刀頭燒結(jié)的對比

分別使用兩種方式燒結(jié)含金剛石的帶激光焊接層的刀頭，兩種刀頭均達(dá)到97.5%的致密度，斷面狀況如圖14和圖15所示。

圖14 SSP燒結(jié)刀頭斷面(鋼模燒結(jié))

圖15 內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)斷面(石墨模燒結(jié))

可以看出SSP燒結(jié)的刀頭金剛石表明顏色基本良好，而內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)斷面金剛石部分變黑；而且胎體斷面顏色SSP燒結(jié)的更淺，證明SSP燒結(jié)時間短，對金剛石損傷較小，對胎體的氧化程度也較少。結(jié)合前面SSP燒結(jié)胎體硬度偏低，也從側(cè)面反映了短時間SSP燒結(jié)的合金化程度比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)程度低。

4 結(jié)論

對比了SSP燒結(jié)方式和內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)，以試樣塊燒結(jié)方式胎體進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1)SSP燒結(jié)相對內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)能耗更低；

(2)SSP燒結(jié)在燒結(jié)適當(dāng)延長時間和提高壓力的條件下可以達(dá)到與內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)同級別的強(qiáng)度，在溫度850℃，時間60 s，壓力43 kN，強(qiáng)度可達(dá)到1230 MPa；在溫度850℃，時間150 s，壓力32 kN，強(qiáng)度可達(dá)到1255 MPa。

(3)SSP燒結(jié)的方式由于時間比較短，燒結(jié)的強(qiáng)度可以達(dá)到或超過內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)，但是其內(nèi)部的合金化程度相比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)程度低。

(4)SSP燒結(jié)的方式相比內(nèi)阻式熱壓燒結(jié)方式對金剛石表面的影響更少。