FAM代鈷預合金粉末在液相燒結條件下的性能研究

鄭日升,萬隆,曾成文,宋冬冬,譚靜,李桂榮

(1.湖南富櫳新材料有限公司,湖南瀏陽 410313;2.湖南大學,長沙 410082)

FAM代鈷預合金粉末在液相燒結條件下的性能研究

鄭日升1,萬隆2,曾成文1,宋冬冬2,譚靜1,李桂榮1

(1.湖南富櫳新材料有限公司,湖南瀏陽 410313;2.湖南大學,長沙 410082)

設計FAM及其與低熔點金屬及合金的配合的燒結曲線實驗,分別研究了(1)FAM101;(2) FAM102;(3)FAM102+FeCu;(4)FAM101+Cu+Zn;(5)FAM101+FeCu NiSn;(6)FAM102+FeCu-NiSn+Cu+Zn等體系,通過熱壓燒結繪出燒結曲線。分別研究了各組粉末燒結體的密度、硬度、抗彎強度性能,探討不同方法生產的預合金粉末在金剛石工具胎體配方中的協同作用。

金剛石工具;代鈷預合金粉末;液相燒結;FAM

0 引言

固相燒結獲得高致密的燒結體[1],而有液相參與的燒結過程,黏性流動、潤濕、溶解、沉淀等快速傳質過程,可以消除幾乎所有的縫隙,從而獲得高密度、高性能的燒結產品。液相燒結包括不溶系和互溶系兩種類型,前者是指固相顆粒在液相中不溶解或溶解度很小,其特點是等溫燒結過程中自始至終有液相存在,主要有Cu-W、Cu-C以及金屬-氧化物復合材料;后者是指固相顆粒在液相中有一定的溶解度,若液相較少,固體又能大量溶解形成固溶體或化合物,則可能造成保溫燒結后期液相消失,如WC-Co, TiC-Ni,Cu-Pb,Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Ni,W-Cu-Ni, Fe-Ni-Al等。

FAM系列代鈷預合金粉末[2],是一種納米尺寸蜂窩結構的鐵鎳鈷合金粉末,它的蜂窩結構、納米尺寸、鐵鎳代鈷特性在金剛石工具制造中具有難得的應用價值。在固相燒結條件下獲得的燒結體中,有時會留下大量的毛細孔,從而使得燒結體大量露出新鮮的表面吸附水分,時間一長表面便會顯示出銹斑,嚴重影響銷售和應用。因此,研究FAM代鈷預合金粉末在液相燒結條件下的表現,是探索其應用價值的主要途徑。

本文通過FAM與各低熔點金屬的配合,得到不同配方體系的預合金粉末,利用熱壓燒結實驗,得到不同混合粉末的燒結體材料。通過研究塊燒結體的性能,討論FAM與各不同粉末的協同作用。通過FAM系列粉末與低熔點金屬的配合,降低燒結溫度,調整硬度、強度等值,使之符合具體鋸切的需要,從而制備出符合不同需求的金剛石鋸片。

1 實驗條件及方法

選用FAM系統粉末及各低熔點金屬作為實驗粉末,各粉末性能如下表所示。將FAM系列粉末與其他粉末按一定比例配合,利用自制三維混料機混合均勻。采用SM/3熱壓機燒結,燒結溫度范圍在600℃～920℃之間,間隔溫度40℃,不同粉末的燒結溫度不同,600℃暫停1分鐘,燒結溫度保溫2分鐘, FAM101粉末燒結分別采用30MPa和40MPa壓力,其余混合粉末壓力為30MPa,制備燒結體樣品。

表1 各預合金粉末及單質粉末的基本性能Table 1 basic properties of the pre alloy powders and the elemental powders

采用排水法測定燒結體密度;使用HR-150DT洛氏硬度儀檢測燒結體硬度,使用標準為HRB;利用DKZ-5000型電動抗折試驗機檢測燒結體抗折強度,跨距為28mm。

2 實驗結果及討論

2.1 FAM101

圖1為30MPa和40MPa壓力下FAM101燒結體的基本性能。從圖1中可以看出,隨著溫度的升高,各性能都得到提升。當燒結壓力一定時,燒結體的硬度、強度、密度,都隨著燒結溫度的提高而提高,顯然是顆粒之間的縫隙隨燒結溫度的升高而縮小,直到消失,然后出現一個緩慢變化期,再接著出現一個拐點,性能迅速提升,這個過程的出現,是粉末顆粒內部蜂窩要在較高溫度下消失造成的。強度可達1400MPa以上,硬度在100以上。提高壓力和溫度,可以得到更高強度和硬度的燒結體。壓力的影響非常明顯,40MPa下的基本性能明顯大于30MPa,原因主要是FAM粉末不含低熔點相,在一定溫度和時間內燒結,難以生成液相,燒結體的致密化需要依靠粉末之間的擴散進行燒結,而壓力越大,粉末的燒結驅動力越大,從而更加致密。所以,強度和硬度得到顯著提高。通過在FAM101中添加低熔點相,使之達到具體的使用性能,同時又有成本上的優勢。

2.2 FAM102

圖2中可以看出,隨著溫度升高,硬度和密度都增大,FAM102的燒結曲線在一個較寬的范圍小幅變化,650℃～850℃之間燒結時,燒結體的性能不會發生太大改變,這對于制備性能穩定的金剛石工具具有非常重要的意義。硬度和密度的變化曲線非常一致,兩者的變化具有非常大的關聯性。

圖2 FAM102燒結體的基本性能Fig.2 basic properties of FAM102 sintered compact

FAM102與FAM101比較,唯一的差別是氧含量高,燒結曲線的差異較大,這種差異說明,氧的存在,尤其是蜂窩內氧化物的存在,阻礙了蜂窩的消失,同時蜂窩結構發達的粉末,也降低了粉末顆粒之間的縫隙消失的溫度,故出現了650℃～850℃區間的性能穩定區。進一步提高燒結溫度和壓力,同樣可以得到高強度高硬度的燒結體。

2.3 FAM101+FeCu50

向FAM101中加入鐵銅合金,考察燒結過程中的變化情況,結果如圖3。

圖3 FAM101+FeCu50燒結體的基本性能Fig.3 basic properties of FAM101+FeCu50 sintered compact

FAM101+FeCu50,不含Zn、Sn等低熔點相,可以作為過渡層使用。圖3中,在760℃時強度已達800MPa,而隨著溫度升高,強度在1000MPa以上。從密度上發現,760℃以后,溫度對密度的影響增大,說明溫度升高,對致密度的影響較大,所以提高溫度有助于強度及硬度的提升。圖3所示這樣的結果說明,FAM101+FeCu50在較低溫度下就可以將顆粒之間的縫隙實現致密化燒結,并且在760℃左右燒結體系出現液相,液相進入蜂窩可迅速再次致密化,同時完成合金化過程,提高燒結體強度和硬度。

2.4 FAM102+Cu+Zn

向FAM102中加入電解銅粉和鋅粉,引入低熔點金屬鋅,燒結過程變化如圖4。從圖4中可以看出,720℃時,強度達690MPa,且隨溫度升高變化趨于穩定。而硬度在760℃以上開始穩定,達80HRB以上。密度在760℃變化開始趨緩,所以可以選擇溫度在720℃～760℃燒結,制備鋒利型的胎體。配方中添加Cu和Zn低熔點相,對于降低燒結溫度具有很大的幫助。Zn的熔點為419.73℃,且飽和蒸汽壓過高,易揮發,但燒結過程中并未出現大量揮發和流失現象。原因是FAM具有蜂窩狀結構,燒結過程中,鋅進入FAM的蜂窩結構中并進行合金化形成高熔點合金,防止了鋅的揮發,使燒結過程不易流料。這對于大量使用低價的鋅金屬,降低配方成本具有非常重要的意義。鋅的加入,降低了FAM的強度和硬度,降低了燒結溫度,通過調整鋅的用量可以得到能夠滿足各種需要的鋒利型的胎體。

圖4 FAM102+Cu+Zn燒結體的基本性能Fig.4 basic properties of FAM102+Cu+Zn sintered compact

2.5 FAM101+FeCu NiSn

向FAM101中加入FeCu NiSn,燒結過程和燒結體的性能變化很大,實驗結果如圖5。

圖5中可以看出,強度與密度的變化非常一致,在780℃～860℃之間,燒結過程處于一個比較穩定的狀態,可見,FAM101+FeCu NiSn配方能夠在較寬的范圍燒結。其硬度在740℃時,就已達101HRB。強度可達1200～1300MPa,這對于制備高強度胎體具有重要意義。配方中Sn能夠快速促進粉末的燒結,使燒結體具有較高的致密度。但溫度過高時,易出現熔融,密度降低,強度開始下降,所以該配方的溫度應在900℃以下。FAM101+FeCu NiSn在比較寬的燒結溫度范圍內得到高強度高硬度的燒結體,是制造耐磨型金剛石工具的優良胎體材料。

2.6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn

同時引入錫和鋅來弱化FAM的實驗結果如圖6。

從圖6中發現,840℃時,各性能出現拐點,880℃時性能大幅下降。該配方強度和硬度較低,適合于較軟的材質。而密度在760℃開始升高,所以燒結溫度可以選擇在760℃～840℃。FAM102+FeCu NiSn+ Cu+Zn配方體系的燒結溫度變得更低,合金化得到的合金熔點低,容易流失。

圖5 FAM101+FeCu NiSn燒結體的基本性能Fig.5 basic properties of FAM101+FeCu NiSn sintered compact

圖6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn燒結體的基本性能Figure 6 basic properties of FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn sintered compact

3 應用結果

(1)FAM在鉆探工具上的應用

地質鉆頭要經受沖擊載荷、彎扭、沖蝕、高正壓力和巖石的軟硬互層變化等惡劣工作條件,所以地質鉆頭要用質量優異的金剛石,用耐磨耐沖擊又能確保金剛石出刃高度的胎體材料。對于工程薄壁鉆、耐火材料加工鉆頭等,工況都比地質鉆頭好。鉆頭都要求胎體對金剛石把持力強且耐磨。以往的鉆頭采用碳化鎢制造高耐磨胎體,用青銅創造液相燒結條件,加鎳鈷粉末與碳化鎢合金化且增強對金剛石的把持力。改用FAM101取代鎳和鈷粉,與鐵銅鎳錫配合使用,更容易實現液相燒結,同時強化胎體,可以適當減少碳化鎢的用量,更重要的是降低燒結溫度減少了金剛石的熱傷害。利用FAM101的高溫特性,許多鉆頭廠商制造出了適應性特強、耐磨性特好的鉆頭。

(2)FAM在鋸切工具上的應用

鋸切工具工作壓力比地質鉆頭小,軟硬變化不大,但切削速度高,存在沖擊磨損也不如地質鉆頭嚴重。胎體材料對金剛石的把持力要好是毫無疑問的,胎體的耐磨性與加工對象的硬度和摩擦性能及切割速度相關。對于切割花崗巖的大鋸片,用高鋅配方非常鋒利,鐵粉加銅粉加鋅粉的配方,金剛石濃度高,燒結時有鋅揮發,切削時有金剛石脫落。改用FAM102加銅粉加鋅粉,則不會有鋅的揮發,切割時金剛石掉砂很少。對于中徑鋸片,采用FAM101加FAM201加鐵銅合金都可以獲得既鋒利又耐磨的性能穩定的產品。對于小切割片,尤其是超薄波紋片,需要增強胎體對金剛石的把持力,確保燒結過程不變形,并有合理的收縮率,用好FAM102及FAM201,同樣能做出性能最佳的產品。

(3)FAM在磨削工具上的應用

對于金剛石磨削工具,加工面接觸面積大,工作壓力低,要求加工精度高,磨削速度快,大都采用鐵鎳銅錫配方,改用FAM102加銅加鋅(或錫),能夠確保金剛石出刃高又不掉砂,從而獲得更好的效果。如利用FAM102紅硬性好的特點,制作干磨輪,成本低于青銅磨輪,壽命又高于青銅磨輪。

4 結論

(1)FAM代鈷預合金粉末,在較高燒結溫度和較高燒結壓力下,自身蜂窩消失,可以獲得高強度高硬度的燒結體,可以用于高耐磨性高安全性工具;

(2)FAM代鈷預合金粉末,加入熔點較低的鐵銅合金,可以加快自身蜂窩的消失,在較低溫下形成高強度燒結體;

(3)FAM代鈷預合金粉末,加鋅可以獲得鋒利型胎體;

(4)FAM代鈷預合金粉末,在液相燒結條件下,可以在較低溫度下實現致密化燒結;

(5)FAM代鈷預合金粉末,可以用于各類金剛石工具;

(6)按照目前情況產值倍增,明年的產值可達1.2億元。然后發展速度調整為年度倍增,后年產值達到2.4億元。

[1] 王秦生.金剛石燒結制品[M].北京:中國標準出版社,2000, 175-176.

[2] 劉一波,等.石材[J].2010(7):1-3.

[3] 孫毓超,等.金剛石工具與金屬學基礎[M].北京:中國建材工業出版社,1999,235-239.

[4] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社,2011.11.

[5] 宋月清,劉一波.超硬材料工具手冊[M].北京:冶金工業出版社,2014.1.

富耐克立方氮儀硼產能規模大

在武陟縣產業集聚區,有這樣一家民營企業:它是超硬磨料立方氮化硼國家標準的起草單位,擁有河南省工程技術研究中心和立方氮化硼及制品院士工作站;它專注于立方氮化硼及制品技術創新,擁有專利技術200多項,產能規模全國第一,位列全球前十。

這家企業,就是河南富耐克超硬材料股份有限公司。據介紹,該公司主導產品為立方氮化硼(cBN)系列超硬磨料及超硬刀具,其產品廣泛應用于航空航天、汽車、軌道交通、冶金、風電等行業的磨削和車削加工。

該公司在超硬磨削材料和超硬切削工具領域與多家世界五百強企業建立了長期穩定的合作關系,其產品遠銷日、美、韓、俄和歐洲等國家和地區。由該公司牽頭建設的武陟縣磨料磨具及超硬材料基地項目,總投資30億元。據悉,該項目全部達產達效后,年可實現銷售收入100億元、利稅10億元,出口創匯12億元以上,占全國市場份額的17%。屆時,武陟將成為全國最大的磨料磨具、超硬材料、cBN刀具等系列產品研發、生產基地和物流集散中心。

(焦作日報)

Study of the Performance of FAM Cobalt Replacing Prealloy Powder under Liquid Sintering Condition

ZHENG Ri-sheng1,WAN Long2,ZENG Cheng-wen1,SONG Dong-dong2, TAN Jing1,LI Gui-rong1
(1.Hunan Forlong Advanced Materials Co.,Ltd,Liuyang,Hunan 410313,China; 2.Hunan university,Changsha 410082,China)

Systems of(1)FAM101,(2)FAM102,(3)FAM102+FeCu,(4)FAM101+Cu+ Zn,(5)FAM101+FeCu NiSn and(6)FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn etc have been studied through FAM design and its sintering curve experiment with low melting point metal and alloy.Sintering curve has been drawn through hot pressed sintering.Density,hardness,bending strength of the sintered compacts of different group of powders have been studied separately and the synergistic effect of the prealloy powders prepared by different techniques in the formula of diamond tool matrix has been discussed.

diamond tools;cobalt replacing prealloy powder;liquid sintering,FAM

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0007-06

2015-08-12

鄭日升,男,工學博士,高級工程師。從事超硬材料行業工作30余年,撰寫論文30余篇,出版專著1部(排名第三),主持省部級課題10項,獲專利授權6項。現為湖南富櫳新材料有限公司總經理。

鄭日升,萬隆,曾成文,等.FAM代鈷預合金粉末在液相燒結條件下的性能研究[J].超硬材料工程,2015,27(4):7-12.