燒結設備對鋸片性能的影響及在生產中的應用研究

彭乃聰,張翠芳,張智強,梁亞青

(河北小蜜蜂工具集團有限公司，河北 石家莊 050800)

隨著燒結金剛石鋸片市場需求的不斷變化，近年來異形齒產品、超薄波紋片、瓷磚片、熱壓波紋片等產品的需求不斷增長。產品形式、規格的變化，各種預合金粉的使用，對燒結設備、燒結工藝都提出了更高的要求；生產效率高、勞動強度低、燒結質量穩定、外觀效果好、后序加工簡便，這些都是各廠家普遍關注的問題。

我公司作為國內專業的金剛石圓鋸片生產廠家，一直密切關注著行業設備的發展動態，與同行業其他廠家對比，公司燒結設備在種類上較為齊全，目前國內使用較多的鐘罩爐(自制)、四柱式熱壓爐、隧道式連續爐三種設備[1]，公司均有多年使用經驗。本文主要通過對以上三種設備應用特點、燒結后產品尺寸、性能等方面進行對比分析，探討不同燒結產品如何選擇燒結設備、燒結工藝，從而達到理想的燒結狀態和使用效果。

1 燒結設備簡析

1.1 鐘罩爐(自制)

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

優點：熱電偶在爐膽內，測溫準確，精度高；設備投資小，工藝靈活，不同型號的鋸片可以組合裝爐；產量高，根據產品燒結是否需要進行加壓，裝爐數量分別為800～1200片/爐,1200～1600片/爐。

缺點：上、中、下區溫差偏大，易出現偏生、偏厚的產品；千斤頂加壓需人工操作，勞動強度大，加壓質量取決于工人熟練度，要求較高；爐罩循環升、降溫，熱量損失較大，能耗較高。

1.2 四柱式燒結爐

四柱式燒結爐，以鄭州金海威公司生產的燒結爐為代表，分帶膽、不帶膽兩種，是目前國內使用較為普遍的一種燒結設備。設備測溫和加熱分三區(上、中、下)獨立進行，下頂式加壓，可實現全程加壓燒結，壓力測量采用應變式壓力傳感器，專用壓力控制器實現壓力閉環控制。

優點：升溫快，生產效率高；可以在燒結過程中通過液壓系統施加穩定、可控的壓力，燒結產品的致密度高，這是該設備最大的優勢所在；后期改進產品采用高溫電熱帶，爐絲使用壽命、溫度均勻性、升溫效率均有所提高。

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

1.3 隧道式熱壓連續爐

隧道式熱壓連續爐也是目前國內使用較為普遍的一種燒結設備，采用隧道式電爐結構，隧道內四面電爐絲加熱，整臺電爐設置三段預燒區、四段燒結區共七段溫區(后期產品改進為八段溫區)，這種結構便于調整燒結工藝。燒結區與冷卻區之間設置加壓裝置，采用單舟加壓的方式進行加壓，壓力及壓頭行程可控。冷卻區分為自然冷卻和水冷卻結合、可控風冷卻和水冷卻結合、水冷卻三段組成，便于調整冷卻工藝[1]。

圖3 隧道式熱壓連續爐Fig．3 Tunnel furnace

優點：爐管內溫度控制精度高、溫度均勻，燒結產品穩定性好；燒結區較多，便于工藝微調，可根據實際情況靈活設置，滿足不同的燒結需求；燒結后可加壓，產品致密度較高；保溫性能好，熱量損失小，能耗小。

缺點：溫差較大的工藝調整需要時間較長；部分特殊產品采用出爐后加壓的方式效果不理想；燒結產品致密度較四柱式燒結爐仍有差距；工人勞動強度偏大，自動化程度有待進一步提高。

2 燒結設備對產品的影響

根據公司生產和國內外市場情況，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品，采用不同設備燒結后隨機抽取一定數量產品進行測試對比。對比參數選擇有較大影響的產品外徑、刀頭厚度、刀頭硬度(注：以上參數測量均為垂直交叉測量)，并進行對比切割測試。

2.1 燒結后產品參數對比

(1)外觀尺寸

產品外徑尺寸：四柱式燒結爐>鐘罩爐(自制)>隧道式連續爐(圖4)

刀頭厚度：隧道式連續爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結爐(圖5)

產品尺寸均勻度：隧道式連續爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結爐

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

圖4 產品外徑對比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爐；隧道式連續爐由于是在燒結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。

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

此外鋸片平面度、內孔也是鋸片外觀尺寸控制的重要數據，內孔公差、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]。根據公司生產統計，采用隧道式連續爐燒結，絕大多數鋸片基體平面度≤0.1mm，達到技術要求，內孔公差也在技術要求范圍內，不需要再進行校平和鉸孔加工；采用四柱式燒結爐和鐘罩爐(自制)燒結，鋸片基體變形量及變形產品的數量都明顯增加，內孔也普遍偏小，增加了后續校平、鉸孔工序的工作量。這主要是由于隧道式熱壓爐冷卻區較長，冷卻速度較慢，避免了急速冷卻，鋸片內孔和基體平面度受到的影響較小，而四柱式燒結爐和鐘罩爐生產的產品刀頭外側冷卻速度較基體快，導致內孔收縮量、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：隧道式連續爐>鐘罩爐(自制)>四柱式燒結爐。

刀頭硬度對比得出的結果與我們日常的認知有較大的出入，理論分析四柱式燒結爐燒結致密度應該是三者中最高的，電鏡下胎體組織的檢測也印證了這一點，但結果相同產品其刀頭硬度反而最低，我們分析認為這主要與其胎體合金化程度有關。產品采用四柱式燒結爐燒結時，由于整個燒結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，所以其燒結工藝設定溫度較連續爐、鐘罩爐(自制)要低，從而使其胎體合金化程度較其他設備偏低，導致硬度也略低[4]；此外，燒結氣氛對合金化的影響也是可能的一個因素，連續爐密封性最好，燒結氣氛最穩定，刀頭合金化程度最好。

2.2 切割性能對比

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

2.3 刀頭斷面組織對比

對三種設備燒結產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爐產品致密度明顯最好，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)、隧道式連續爐燒結產品相近，均存在較多孔洞，封閉式孔洞結構在工具實際使用中，有利于提高產品的鋒利度，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果，使得三種設備燒結出的產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干片強度檢測的統計，三種設備燒結的產品強度均滿足安全要求，但平均刀頭強度鐘罩爐(自制)>隧道式連續爐>四柱式燒結爐，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 結論與建議

(1)鐘罩爐、隧道式連續爐、四柱式燒結爐通過合理的工藝設定，燒結后可以達到相近的性能。

(2)隧道式連續爐燒結產品幾何尺寸偏差小，穩定性最好，后續加工工作量小，有利于降低加工成本。

隧道式連續爐保溫性能較好，爐內溫度變化較慢，如果燒結工藝溫度差別較大，調整工藝時耗時較長，且頻繁調整溫度對設備有一定影響，因此更適合批量規模生產，如果生產廠家生產品種較多、產量小、燒結工藝、燒結溫度變化較大，不建議選擇。

(3)四柱式燒結爐燒結產品致密度最好，總體使用效果略優于其他兩種設備。

四柱式燒結爐(無爐膽)，因出爐時無保護，工裝易氧化，不宜采用石墨工裝。

(4)在燒結瓷磚片、熱壓渦輪片、超薄波紋片等要求性能較高的產品時，宜優先采用四柱式燒結爐，但應注意裝爐量和工藝設置，減少爐溫不均造成的產品尺寸偏差。如生產量較大，可以采用隧道式熱壓連續爐，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、四柱式燒結爐上、中、下三區溫差偏大，需對下區進行有效的保溫措施減少散熱并對爐座進行改進，減少爐座吸熱量(目前丹陽地區生產的兩柱式下加壓鐘罩爐，在此方面有一定改進，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，還可有效減少下區燒結產品偏生偏厚現象。