盧安軍,秦海青,雷曉旭,蒙光海,林峰,程煜

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林,541004; 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林,541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林,541004)

Ni對自由燒結金剛石工具胎體性能的影響①

盧安軍1,2,3,秦海青1,2,3,雷曉旭1,2,3,蒙光海1,2,3,林峰1,2,3,程煜1,2,3

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林,541004; 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林,541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林,541004)

在傳統(tǒng)的熱壓燒結金剛石工具制品中,添加一定量的Ni,可以明顯提高胎體的強度以及韌性,而在自由燒結所制的胎體中,卻顯示出不同的效果。實驗在其它燒結工藝不變條件下,在以M粉為主要粘結劑的金剛石工具胎體中添加羰基Ni,開展羰基Ni對自由燒結胎體性能影響的試驗研究。試驗結果表明:隨著胎體中Ni含量的依次增加,胎體的相對密度、洛氏硬度先提高后下降,在Ni含量為5 wt.%附近出現拐點,而胎體的抗彎強度卻一直呈下降趨勢;同時,胎體內晶粒由細變粗,且胎體的韌性逐漸減弱,脆性逐漸增強。

Ni粉;自由燒結;力學性能;金剛石工具;脆性斷裂

采用金屬作為結合劑的金剛石工具是有效加工硬脆非金屬材料的一種工具,隨著我國經濟的不斷發(fā)展,金剛石工具不僅被廣泛用于民用建筑與土木工程、石材加工、汽車、交通、地勘與國防工業(yè)等領域和其它現代高新技術領域,而且在寶石、醫(yī)療器械、木材、玻璃鋼、石材工藝品、陶瓷和復合非金屬材料等眾多新領域也得到推廣,社會對金剛石工具的需求量正在逐年大幅提高[1]。目前,這類金剛石工具的工作層刀頭傳統(tǒng)制作工藝主要有電鍍法以及熱壓燒結法,其中熱壓燒結法因具有制品性能穩(wěn)定、產品外形規(guī)整、工藝靈活多變等優(yōu)點而被大多數金剛石工具生產企業(yè)采用,但隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴大以及對產品成本的降低要求,熱壓燒結工藝的低產率、高能耗、勞動密集等缺點凸顯。而自由燒結(亦稱無壓燒結)由于具有高產能、低能耗等顯著優(yōu)勢,其工藝技術成為近幾年金剛石工具行業(yè)科技工作者研究的熱點課題。但截至目前,國內有關自由燒結金剛石工具的相關報道卻甚少,為此,我們開展了自由燒結金剛石工具相關技術的研究,并取得了一定的階段性成果。本文將采用自主研制專用于自由燒結金剛石工具胎體的超細合金粉末作為主要結合劑,在冷壓工藝、燒結溫度、保溫時間、升溫速率、燒結氣氛等燒結工藝不變的條件下,研究不同含量的羰基Ni對自由燒結金剛石工具胎體性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

以自主研制的專用于自由燒結金剛石工具胎體的超細合金粉末(下文稱M粉,主要含有Fe、Cu、Sn等)為主要原料,并分別添加3wt.%、4 wt.%、5 wt.%、6 wt.%、7 wt.%的羰基Ni粉,均勻混合后以酒精為濕潤劑,再加入30%砂輪濃度的金剛石磨粒(粒度:40/45),在三維混料機中均勻混合。

1.2 樣品獲得

分別稱取一定量的上述混合生料裝入冷壓模具(每模具裝載4個試樣),采用CP100冷壓機在25k N壓力、并保壓5s條件下分別冷壓成生坯(冷壓模具示意如圖1所示),所得生坯尺寸為:(29.5×11.5×4. 5)mm3,生坯相對密度67%～69%。

將上述所得分別含有3wt.%、4wt.%、5wt.%、6wt.%、7 wt.%羰基Ni的5組(每組4個試樣塊)生坯平放于不銹鋼載料舟皿中,再置于經預熱的帶有保護、還原性氣氛的燒結爐中進行燒結,從550℃開始勻速升溫(升溫速率為200℃/h),當爐溫達到875℃時保溫1h,再緩慢降溫,待爐溫降至675℃后將試樣推至帶冷卻水的冷卻區(qū)進行冷卻10min,最后即可獲得自由燒結胎體試樣塊。

圖1 冷壓模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold pressing mold

1.3 測試儀器、方法

以阿基米德排水法測量并計算上述自由燒結胎體試樣塊的相對密度;采用TH300型洛氏硬度計測定胎體試樣的洛氏硬度;用CMT4304液壓萬能材料試驗機檢測胎體的三點抗彎強度;用日本S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對胎體抗彎試樣的斷口形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 Ni含量對胎體相對密度、洛氏硬度、三點抗彎強度的影響

表1中列出了不同Ni含量胎體的相對密度、硬度、抗彎強度實驗結果。

表1 不同Ni含量胎體的相對密度、硬度與抗彎強度值Tab.1 Relative density,Rockwell hardness and flexure strength of the Matrix with different content of Ni

從表1可見,隨著胎體中Ni含量的遞增,胎體的相對密度、洛氏硬度、三點抗彎強度亦有相應的變化,如圖3中的(a)、(b)、(c)所示。在胎體相對密度、洛氏硬度變化趨勢方面,隨著胎體中Ni含量的不斷增加,胎體相對密度以及洛氏硬度均呈現出先遞增后遞減的趨勢。根據粉末冶金原理[2]及Ni-Cu,Ni-Fe二元合金相圖[3],在燒結過程中,Ni主要沿著臨近Cu、Fe的晶界以及表面進行擴散遷移,逐步形成均一的固溶體;此外,部分Ni彌散于合金當中,改善M粉中Sn等低熔點料的流動性,使合金晶粒得到細化,促進燒結過程的致密化,從而提高胎體的燒結硬度;當繼續(xù)增加Ni含量后,“過?！钡腘i未能充分合金化,作為單質相彌留在胎體中,反而阻礙擴散的進行,胎體收縮受阻,相對密度急劇下降,導致胎體的硬度逐漸降低。在傳統(tǒng)的熱壓燒結工藝中,Ni加入Cu、Sn、Fe合金中,能起固溶強化與彌散強化的作用,能有效提高胎體的三點抗彎強度[3-5],但在本自由燒結試驗中,Ni的添加超過一定量(3wt.%)后,反而使胎體的抗彎強度持續(xù)下降,因為添加的Ni粉在燒結時固相顆粒發(fā)生位置遷移、重排,而Ni在遷移過程中留下的空位由于沒有外壓力的“擠壓”,過剩的空位堆積沉淀,進而使胎體的空隙形成與長大,在圖4(b)可以明顯看出含7wt.%Ni的胎體斷口形貌中不均勻的晶粒以及大空隙,故過多的Ni在胎體中反而增加了胎體的脆性,圖3(a)、(b)、(c)分別為含4wt.%、5wt.%、7wt.%的Ni的胎體力-位移曲線,從圖中可以看出,隨著Ni含量的增加,胎體的脆性增強。

圖2 Ni粉含量對胎體相對密度、硬度及抗彎強度的影響Fig.2 Influence of the different content of Ni powders on the relative density,hardness and flexural strength of the matrix

圖3 不同Ni含量的胎體的力-位移曲線Fig.3 The force-displacement curve of the matrix at different content of Ni

圖4 不同Ni含量胎體斷口的SEM照片Fig.4 SEM images of matrix fracture at different content of Ni

2.2 胎斷裂斷口SEM形貌分析

對其中兩個典型胎體斷口試樣進行微觀組織形貌分析,圖4(a)、(b)分別為含5 wt.%、7 wt.%Ni粉的兩個胎體斷口SEM照片。

從圖4(a)中看出,胎體中存在小韌窩,并且分布比較均勻,屬等軸韌窩與卵形韌窩,同時,胎體內空隙很少,未觀察到有大空隙,說明在燒結時,Ni在胎體中的晶界擴散與表面擴散,使合金晶粒得到細化,同時,擴散遷移過程中產生的空位在晶界中通過攀移、消失,故胎體比較致密;圖4(b)中觀察到斷口晶界模糊,晶粒比圖4(a)中較大且不均勻,沒有明顯的韌窩,斷裂時主要以穿晶斷裂為主,沿晶斷裂為輔,部分裂紋在晶粒內部擴展,但胎體中有大小不一的空隙存在,說明Ni在擴散過程中留下的空位中聚集并長大,形成的大空隙在胎體中反而起不利的“釘扎”作用,胎體斷裂時呈現較強的脆性。綜合以上兩張斷口SEM照片,當胎體中Ni含量為5wt.%時,胎體晶粒較細且均勻,斷裂時有沿晶界斷裂也有穿晶斷裂,顯示一定的韌性斷裂,胎體中Ni含量提高到7wt.%時,胎體內空隙較多,斷裂方式為脆性斷裂。因此,在冷壓工藝、燒結溫度、保溫時間、升溫速率、燒結氣氛等不變的燒結工藝條件下,在主要粘結劑為M粉的自由燒結金剛石工具胎體中,隨著Ni含量的遞增,胎體的韌性逐漸減弱,脆性逐漸增強。

3 結論

在冷壓工藝、燒結溫度、保溫時間、升溫速率、燒結氣氛等不變的燒結工藝條件下,在以M粉為主要粘結劑的金剛石工具胎體中添加羰基Ni粉,研究羰基Ni含量對自由燒結胎體性能影響,試驗結果表明:

(1)隨著胎體中Ni含量的依次遞增,胎體的相對密度、洛氏硬度先提升后下降,在Ni含量為5 wt.%附近出現拐點,而胎體的抗彎強度卻一直呈下降趨勢。

(2)隨著胎體中Ni含量的依次遞增,自由燒結胎體內晶粒由細變粗,同時胎體的韌性逐漸減弱,脆性逐漸增強。

[1] 吳婉萍.金剛石工具的現狀與發(fā)展趨勢[J].東方企業(yè)文化,2014 (1):247-251.

[2] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1982:265-267.

[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(yè)出版社,1999:432-434.

[4] 孫毓超,等.金剛石工具制造理論與實踐[M].鄭州:鄭州大學出版社,2005:6.

[5] 劉一波,等.鎳粉粉末形貌及粒度對胎體性能的影響[C].2006中國超硬材料行業(yè)技術發(fā)展論壇.福建廈門,2006:89-92.

Influence of Ni on the Performance of Free Sintering Diamond Tool Matrix

LU An-jun1,2,3,QIN Hai-qing1,2,3,LEI Xiao-xu1,2,3,MENG Guang-hai1,2,3,LIN Feng1,2,3,CHENG Yu1,2,3
(1.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd,Guilin 541004,China; 2.National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin 541004,China; 3.Guangxi Key Laboratory of superhard material,Guilin 541004,China)

In the manufacturing process of traditional hot pressing sintering diamond tools, the strength and toughness of the matrix of diamond tools can be obviously increased when a certain amount of Ni is added,but different effects are displayed in the matrix of those diamond tools by free sintering.An experimental study is conducted to test the influence of nickel carbonyl on the performance of free sintering diamond tool matrix under the same sintering process by adding nickel carbonyl into the diamond tool matrix,of which the key agglomerant is M powder.The test result shows that as the Ni content in matrix increases,the relative density and Rockwell hardness of it get increased at the beginning and then declined.An inflection point arises when the content of Ni is around 5 wt.%.However,the flexural strength of the matrix keeps declining.Meanwhile,the grains inside the matrix change from fine to coarse,the toughness of the matrix keeps weakening and the brittleness of it get increased gradually.

Ni powder;free sintering;mechanical property;diamond tools;brittle fracture

TQ164

A

1673-1433(2014)02-0035-04

2014-06-23

盧安軍(1983-),男,工程師。主要從事合金粉末的研制及金剛石工具制造的研究工作。E-mail:luanjuns@126.com.

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃(合同編號:桂科能1270010);廣西區(qū)直科技型企業(yè)科研成果轉化(合同編號:2011-1-20)

秦海青(1979-),男,高級工程師。研究方向為超細合金粉體和納米金屬粉體的研發(fā)及其在金剛石制品領域的推廣應用。