單質鋅粉在燒結石材小鋸片中的作用

欒會生,董書山,吳中延

(1.石家莊海川工具有限公司,石家莊 050000;2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長春 130012)

單質鋅粉在燒結石材小鋸片中的作用

欒會生1,董書山2,吳中延1

(1.石家莊海川工具有限公司,石家莊 050000;2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長春 130012)

闡述分析了單質鋅粉在單質及預合金配方體系中,分別在鐘罩爐及連續爐中制備花崗巖小鋸片時,鋅粉的作用特點及冶金與工藝因素對鋸片燒結質量、鋒利度和使用壽命的影響。

鋅粉;金剛石鋸片;燒結工藝;鋒利度;壽命

1 前言

鋒利度和使用壽命是衡量金剛石工具性能的基本指標,而且隨著用工成本的升高,各行業對加工效率也提出了越來越高的要求,因而對鋒利度的要求亦成為超硬材料制品的首要因素。燒結類金剛石石材鋸片是在國內外消費量最大的一類制品,生產廠家眾多,配方體系繁雜,調整鋸片鋒利度的手段也多種多樣,其中,添加鋅粉用以降低燒結溫度,弱化胎體磨損性,達到調節鋒利度的目的來提高鋒利度是最常用的方法之一。低熔點的單質鋅粉因其獨特的物理和化學性質,在燒結升溫過程中,依胎體組分及工藝條件的不同而發生不同的變化,對調整鋒利度既有有利的一面,同時也存在著諸多不利因素,特別是對工藝參數極為敏感,必須根據配方體系的不同特點來制定合適的燒結工藝,否則,將會帶來許多負面作用。簡言之,單質鋅粉的性質活潑,燒結過程中的影響因素多,需因地制宜的善加利用。因而,掌握鋅粉的燒結特性,特別是了解其與其它單質金屬粉末及預合金粉末間的配伍應用特點,是其能否發揮作用的關鍵。

2 實驗方案

分別以單質金屬粉末及水霧化預合金粉末為基礎,設計Φ114mm花崗巖小鋸片配方,在鐘罩爐及連續爐中加壓燒結制備,考察單質鋅在不同配方體系及工藝條件下的作用特點,配方設計見表1。

表1 含鋅花崗巖小鋸片實驗配方設計Tab.1 experimental compound design of zinc bearing small saw bit for granite cutting

圖1 高松比單質Zn粉的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of elemental zinc powder with high apparent density

圖2 低松比單質Zn粉的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of elemental zinc powder with low apparent density

采用2種不同松裝密度的鋅粉,A鋅粉為3.9g/ cm3,B鋅粉為3.5g/cm3,氧含量均為2200×10-6～2500×10-6。對燒結后的鋸片做干切比較試驗,切割600×20mm的三花板材,結合微觀組織狀態,分析I添加鋅粉對鋸片性能的影響。

3 結果討論

鋅為銀白色金屬,密度為7.13g/cm3,熔點為419.5℃,沸點906℃,在金剛石工具中也是常用的材料之一,可以與其它金屬間在不同條件下形成多種復雜化合物[1]。100℃～150℃時變軟,225℃時激烈氧化(爐中燒結時應排空后從起始加熱階段就通入還原氣氛)。可固溶于銅中形成黃銅合金,在400℃～623℃范圍內,在Fe中的固溶度極限為8%～20%,含量高時可與Fe形成多種金屬間化合物相,降低合金熔點。蒸汽壓高,容易揮發氣化,溫度越高,揮發速度越快,蒸汽壓也越高。

含鋅花崗巖小鋸片的燒結工藝與使用性能與鋅的上述特點密切相關。按試驗方案分別采用單質粉末和預合金粉末在鐘罩爐和連續爐中燒結制備花崗巖小鋸片,測試鋸片硬度及切割性能,相關試驗數據見表2。

表2 同工藝制備的含鋅小鋸片相關試驗數據Tab.2 Related experimental data of zinc bearing small saw bit manufactured by different types of process

對爐中燒結鋸片的影響因素較多,就本質而言,與冶金因素及工藝因素有關。工藝方面,與溫度曲線、壓力曲線、溫度均勻性、還原氣氛、高溫保溫時間、裝料數量、模具質量等諸多因素相關。冶金方面,與金屬粉末的粒度、結構、松比,尤其是氧含量密切相關[2,3],冶金因素還決定工藝的制定與執行。

在金剛石工具中加入鋅粉,其主要作用體現在:①適當降低燒結溫度,改善燒結工藝;②與銅粉作用形成固溶合金而強化胎體,但硬度不高,可調整胎體磨損性,改善鋒利度;③受熱揮發過程產生一定的蒸氣壓,阻礙粉末顆粒間的結合,弱化胎體磨損性,改善鋒利度。

鋅對鋸片質量影響主要與其粒度結構、松裝密度及氧含量這3個因素密切相關。

從表2的試驗結果可以看出:①鋅粉的粒度結構及松裝密度對鋸片的燒結工藝及性能有很大影響;②燒結裝備工藝對鋸片性能影響較大;③單質粉末與預合金粉末的合金體系對鋸片燒結工藝及性能有影響。

3.1 鋅粉粒度結構的影響

從表2的試驗數據中可以看出,粒度細、松比高的鋅粉對鋸片的燒結工藝及切割性能會帶來不利影響。

在相同配方體系下,無論是在鐘罩爐中還是在連續爐中燒結,細顆粒、高松比的鋅粉鋸片的硬度、切割速度及使用壽命均低于球形度差、低松比的鋅粉鋸片。

目前的市售鋅粉大都為蒸餾法所制備的粒度細、球形度高、松裝密度高的粉末。不同廠家的產品特性不同,其粒度分布的離散度較大,因而對鋸片的燒結工藝及燒結性能的影響也較大。此類粉末的突出缺點是:混料時的分散均勻性差,尤其是細顆粒粉末在添加潤濕劑后極易偏聚,在燒結過程中也特別容易氧化而導致胎體局部區域的疏松砂化,降低胎體對金剛石的把持力。總體來說,鋅粉對鋸片帶來的不利因素主要表現在三個方面:一是高溫時的過度揮發;二是氧化后的砂化;三是燒結偏析。

圖3是在鐘罩爐中燒結的含細顆粒、高松比鋅粉鋸片胎體組織及其對金剛石包鑲狀態的SEM圖。

圖3(a)為細顆粒鋅粉偏聚區域,可以看出,集中偏聚的細顆粒鋅粉氧化后完全被表面氧化膜包覆,失去表面活性,無法參與合金化進程,粉末自身呈松散的砂狀分布;同時,部分Zn蒸汽沉積其它粉末顆粒表面成為氧化物薄膜,也降低其它粉末顆粒的表面活性,使其它粉末顆粒間的界面結合力降低,二者綜合作用,導致制成的鋸片開裂。從圖3(b)可以看出,胎體對金剛石的包鑲較為疏松,無法有效把持金剛石,從而降低了鋸片的鋒利度和使用壽命。

在連續爐中燒結時,也存在類似情況,甚至鋸片的開裂傾向更大,成品率降低,鋸片性能下降。

而球形度差的低松比鋅粉混料均勻性好,可在一定程度上改善偏聚狀態,有利于合金化和致密化,改善燒結工藝狀態及鋸片使用性能。

3.2 燒結裝備工藝對鋸片性能的影響

鐘罩爐燒結工藝,有利有弊。有利之處在于:還原氣氛充足,升溫速度慢,還原時間長,有利于改善粉末表面活性,加強與鋅粉間的作用,促進合金化和致密化,胎體對金剛石的包鑲緊密度高,把持力強,不易產生裂紋;弊端在于:燒結時間過長,高溫保溫時間長,鋅揮發量大,易導致胎體疏松。

連續爐燒結工藝,亦利弊共存。有利因素為:燒結溫度穩定,批量生產的穩定性好,生產效率高;不足之處為:工藝調整困難,鋸片性能受工藝設置的影響較大。各升溫區段的溫差設定、升溫速度、還原氣氛等因素均對胎體合金化的進程與效果產生影響;尤其是高溫出爐后冷卻加壓時,胎體的合金化程度及固/液相的存在比例與狀態,均會對胎體的致密性、開裂傾向及最終的使用性能產生影響。

鋸片燒結溫度越高,鋅的揮發速度越快,揮發量也越大,對鋸片的不利影響越明顯。圖4為在連續爐中燒結時,鋸片胎體中鋅的揮發狀態的SEM圖。

圖4 連續爐燒結的鋸片胎體組織中揮發鋅的冷卻沉積狀態Fig.4 cooling deposition of volatile zinc in matrix structure of saw bit sintered by continuous furnace

揮發冷卻后的鋅,一部分以棱塊狀的單質-氧化物混合體的形式沉積在顆粒團界面裂隙處的其它粉末顆粒表面(圖4(a));還有一部分沉積于燒結收縮孔的內壁表面(圖4(b))。

當鋅的揮發速度過快、揮發量過多時,就極易產生圖3所示的揮發沉積,降低胎體的燒結致密度及其對金剛石的把持力,并導致鋸片的批量開裂。設備長時間運行后,揮發鋅易掛壁,形成掛壁瘤,污染爐膛,影響加熱速度及測溫精度,阻塞排氣通道,進而影響批量生產的穩定性。

3.3 單質粉末與預合金粉末配方體系的差異影響

單質金屬粉末普遍較預合金粉末的粒度粗、氧含量高,二者在性能上的差異會對燒結工藝及鋸片性能產生極大的影響。

單質粉末體系:粉末的表面質量不高,與鋅間的作用能力有限;粉末顆粒粗,其間的架橋孔洞及疏松通道數量多,鋅易揮發釋放,導致胎體疏松脆化,對金剛石的把持力下降。

預合金粉末體系:粉末表面活性高,與鋅間的作用能力增強,可有效吸納鋅而阻礙鋅的揮發,使更多的鋅參與合金化;粉末顆粒細,填縫能力強,鋅的揮發通道減少,抑制鋅的揮發量。

但在使用預合金粉末時,應特別注意配方與工藝間的調整配合。由于合金粉與單質粉間燒結活性的差異,合金粉在燒結升溫過程中可在較低溫度段先行燒結收縮致密化,單質粉末則會因燒結溫度較高而滯后,二者的燒結收縮同步性不匹配,導致鋅的合金化與揮發速度發生變化,合金粉的先行燒結收縮,給鋅的揮發讓出通道,鋅的揮發更加通暢,揮發速度加快,加劇合金化區域的不均勻性,也會導致因局部區域燒結收縮不一致而產生的收縮裂紋,導致鋸片成品開裂。因而,采用預合金粉末體系,在配方設計時就應充分考慮到鋅、銅及合金粉間的比例,并在工藝曲線的設置時做出相應調整,以保證鋸片的合金化與致密化,保證批量生產的穩定性。圖5為以基礎二元預合金粉末YF2104為主成分的燒結鋸片SEM形貌圖。

從圖5可以看出,在合適的工藝狀態下,鋸片胎體的組織及對金剛石的包鑲狀態有明顯改善,組織的均勻性、致密性提高,其對金剛石的包鑲較為緊密,把持能力增強,可明顯改善鋸片的鋒利度和使用壽命。

圖5 預合金配方體系的鋸片燒結胎體組織及其對金剛石的包鑲狀態SEM圖Fig.5 Sintering matrix structure of saw bit of pre-alloy formula system and its diamond inlaid status

4 結論

(1)單質鋅粉具有降低燒結溫度、改善胎體磨損性、提高鋸片鋒利度的作用;

(2)單質鋅粉的質量狀態,特別是氧含量和粒度結構對鋸片燒結工藝和燒結質量有著重要影響,是其在應用過程中應必須控制的關鍵要素;

(3)燒結工藝及裝備對含鋅鋸片的燒結質量影響頗多,在采用鐘罩爐及連續爐燒結時,應根據配方體系及裝備特點設置相應工藝,以保證燒結的合金化與致密化;

(4)單質粉末與合金粉末配方體系對含鋅鋸片的燒結工藝要求不同,應區別對待,以避免鋸片胎體的燒結疏松和開裂;

(5)預合金粉末的綜合燒結性能好,在合適的燒結工藝條件下,可有效提高鋸片胎體的合金化、致密度,提高鋸片的鋒利度和使用壽命。

[1] 孫毓超,等.金剛石工具金屬學基礎[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

[2] 董書山,劉曉旭,胡占峰,安文文.金屬粉末質量控制對金剛石工具性能影響的探討(上)[J].超硬材料工程,2011(10):14-17.

[3] 董書山,劉曉旭,胡占峰,安文文.金屬粉末質量控制對金剛石工具性能影響的探討(下)[J].超硬材料工程,2011(12):29-32.

The Function Of Elemental Zinc Powder In Sintering Of Small Saw Bit For Stone Cutting

LUAN Hui-sheng,DONG Shu-shan,WU Zhong-yan
(1.Shijiazhuang Hisun Tools Co,.Ltd.Shijiazhuang 050000,China; 2.National Key Laboratory of Superhard Materials of Jilin University,Changchun 130012,China)

The characteristcis of the function of elemental zinc powder of elemental formula and pre-alloy formula and the influence of metallurgical and technological factors on the sintering quality,sharpness and service life of the saw bit during the manufacturing process of small saw bit for granite cutting in bell-type furnace and continuous furnace respectively have been illustrated and analysed in this article.

Elemental zinc powder,Diamond saw bit,Sintering process,Sharpness,service life

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0017-05

2015-01-25

欒會生,男,1964年生,石家莊海川工具有限公司總工,從事金剛石制品的研發生產工作,特別擅長花崗巖小鋸片的研發與生產管理。E-mail:luanhuisheng1@163.com

欒會生,董書山,吳中延.單質鋅粉在燒結石材小鋸片中的作用[J].超硬材料工程,2015,27(1):17-21.