預(yù)燒結(jié)對(duì)鈷基胎體性能的影響

甄春剛，覃光明，謝 吉，金鑫蕾，鄧禮軍

(長(zhǎng)沙百川超硬材料工具有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

1 引言

近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，金剛石工具行業(yè)也獲得了飛躍式的發(fā)展。發(fā)展至今，金剛石工具的種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，既有涉及礦山石材開(kāi)采切割、混凝土建筑拆除等大型工程的工具，也有應(yīng)用于陶瓷等材料的磨削、單晶硅切割等精密加工的工具。金剛石工具根據(jù)不同制作方法分為：燒結(jié)金剛石工具、釬焊金剛石工具和電鍍金剛石工具等[1-4]。在燒結(jié)金剛石工具中，結(jié)合劑胎體材料是其中不可或缺的關(guān)鍵部分，其性能決定著金剛石工具的性能。燒結(jié)工序是燒結(jié)金剛石工具制備過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)，燒結(jié)工藝直接決定胎體材料的性能，進(jìn)而影響到最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量[5-7]。目前，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家熱壓燒結(jié)采用的保溫時(shí)間一般在2～10min左右，由于燒結(jié)時(shí)間短，胎體很難實(shí)現(xiàn)合金化，延長(zhǎng)保溫時(shí)間出于能耗和生產(chǎn)效率的考慮，經(jīng)濟(jì)效益又不劃算，也不利于大批量生產(chǎn)。本文重點(diǎn)研究在熱壓燒結(jié)前通過(guò)網(wǎng)帶爐提前進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，通過(guò)合理調(diào)整預(yù)燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)胎體的合金化，從而提升胎體的綜合性能，為最終獲得穩(wěn)定高性能的金剛石工具提供有利保障。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

蘇州騰龍的TLHL-12混料機(jī)、南通華東油壓機(jī)械的YHL32-63B冷壓機(jī)、SM80真空燒結(jié)機(jī)、XB-MBF-180-6網(wǎng)帶燒結(jié)爐。

2.2 原材料和胎體配方

原材料的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 原材料粉末

胎體配方配比見(jiàn)表2。

表2 胎體配方

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 試驗(yàn)樣品的壓制成型

首先按表2胎體配方成分配比分別稱(chēng)取所需的粉料，然后再進(jìn)行混合、稱(chēng)料、裝模、冷壓成型。其中混合所用的設(shè)備為蘇州騰龍的TLHL-12混料機(jī)，混料工藝：快速混合1h；冷壓成型所用的設(shè)備為南通華東油壓機(jī)械的YHL32-63B冷壓機(jī)，冷壓所用的模具尺寸為30mm×12mm，試樣理論尺寸30mm×2.5mm×12mm,壓坯致密度60%～65%。

2.3.2 試驗(yàn)采用的燒結(jié)工藝

燒結(jié)工藝：1#工藝采用不預(yù)燒結(jié)，直接熱壓燒結(jié)工藝；2#工藝預(yù)燒溫度600℃，2#工藝預(yù)燒溫度600℃，3#至6#依次增加50℃，7#工藝達(dá)到熱壓燒結(jié)溫度，詳細(xì)工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)工藝

3 結(jié)果分析與討論

3.1 預(yù)燒結(jié)工藝對(duì)鈷基胎體力學(xué)性能的影響

燒結(jié)試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光處理后，方可檢測(cè)；試樣制備完畢后，根據(jù)排水法測(cè)密度的原理采用DahoMeter AR-200g密度計(jì)完成各配方燒結(jié)密度的檢測(cè)工作，并核算燒結(jié)致密度；采用洛氏硬度計(jì)完成各配方硬度的檢測(cè)工作；采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)完成各配方抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)工作；采用游標(biāo)卡尺通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)條拉伸前與拉伸后長(zhǎng)度的變化完成各配方延伸率的檢測(cè)工作，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、圖1。

表4不同預(yù)燒結(jié)工藝下試樣胎體力學(xué)性能

Table4themechanicalpropertyofmatrixondifferentsinterations

工藝編號(hào)HRB硬度抗拉強(qiáng)度(MPa)延伸率(%)備注1#105.1695.11.42#105.5710.61.63#106.1760.81.74#106.3850.61.95#106.4875.72.16#105.7810.42.0

圖1 不同預(yù)燒結(jié)工藝條件下試樣胎體力學(xué)性能對(duì)比Fig.1 comparison of mechanical property for matrix on different sinterations

從圖表可以看出: 隨著預(yù)燒結(jié)溫度的升高，致密度在750℃(0.90*熱壓溫度)和800℃(0.95*熱壓溫度)達(dá)到最大值98.3%，硬度在800℃(0.95*熱壓溫度)達(dá)到最大值HRB106.4，抗拉強(qiáng)度和延伸率在800℃(0.95*熱壓溫度)達(dá)到最大值875.7和2.1%,但隨著溫度進(jìn)一步升高，在850℃時(shí)，致密度降為97.8%，硬度降為HRB105.7，強(qiáng)度降為810.4MPa,延伸率為2.0%略微下降。

預(yù)燒結(jié)工藝對(duì)鈷基胎體性能影響很大，隨著預(yù)燒結(jié)溫度的升高，胎體的力學(xué)性能先升高后下降。隨著預(yù)燒結(jié)溫度的提高，液相的比例增大，同時(shí)粉末的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增加，組元擴(kuò)散速度加快，胎體的致密度、硬度、強(qiáng)度、延伸性能都隨著提升；在預(yù)燒結(jié)溫度800℃(0.95*熱壓溫度)時(shí)，力學(xué)性能達(dá)到最佳值。隨后隨著預(yù)燒結(jié)溫度繼續(xù)升高，胎體力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)溫度過(guò)高時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間的保溫過(guò)程中，晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)胎體中的低溫液相逐漸流失，導(dǎo)致燒結(jié)體的力學(xué)性能下降。

3.2 預(yù)燒結(jié)工藝對(duì)鈷基胎體顯微結(jié)構(gòu)的影響

從試樣斷口SEM形貌圖片可以看出：1#直接熱壓燒結(jié)，孔洞較多，部分鈷粉還保持了原有形貌，未形成燒結(jié)頸，合金化程度低。2#、3#、4#、5#隨著預(yù)燒結(jié)溫度的增加，胎體組織孔隙率逐步降低，孔隙尺寸減小，組織均勻性逐漸變好，合金化程度提高；經(jīng)800℃預(yù)燒結(jié)的5#試樣，胎體組織中各組分?jǐn)U散基本完成，試樣斷口細(xì)致均一，無(wú)明顯孔洞，有明顯晶粒撕裂留下的韌窩，展現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。6#試樣與5#相比，胎體組織晶粒變得粗大，液相流失后留下孔洞，致使胎體力學(xué)性能下降。

4 結(jié)論

綜上所述，預(yù)燒結(jié)工藝可以改善鈷基結(jié)合劑胎體性能，隨著預(yù)燒結(jié)溫度的升高，胎體的致密度、硬度、強(qiáng)度、延伸性能都有所提高，顯微結(jié)構(gòu)也有所改善，在800℃(0.95*熱壓溫度)預(yù)燒結(jié)處理后，胎體合金化基本完成，組織均勻、晶粒細(xì)小，力學(xué)性能達(dá)到最佳值；隨后隨著預(yù)燒結(jié)溫度升高，晶粒長(zhǎng)大，液相在保溫過(guò)程中逐漸流失，留下孔洞，組織均勻性變差，最終導(dǎo)致力學(xué)性能下降。