方利靈,張靜雅,謝德龍,,鄧后遠(yuǎn),王成磊,王治國(guó),徐成福,徐道芬,王 瑞

(1.桂林華鉆新材料科技有限公司,廣西 桂林 541000;2.桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;3.桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境中,基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)金剛石工具的依賴程度越來(lái)越迫切,金剛石工具不僅僅要求能使用,而且越來(lái)越專業(yè)化。金剛石單晶技術(shù)和金屬粉末制法工藝不斷地改進(jìn),使得金剛石工具性能不斷提高,應(yīng)用越來(lái)越廣泛。從普通的混凝土路面、石材、高鐵橋梁,再到高精度陶瓷、玻璃深加工、半導(dǎo)體加工等都離不開(kāi)金剛石工具。特別是目前市面普遍使用的金剛石鋸片,眾多廠家為了保持各自產(chǎn)品優(yōu)勢(shì),不斷研發(fā)、優(yōu)化金剛石鋸片性能,降低鋸片制造成本,預(yù)合金粉末在金剛石鋸片胎體配方中應(yīng)用占比越來(lái)越大。普通單質(zhì)粉工藝配方體系,因每種金屬元素熔點(diǎn)差異大,燒結(jié)過(guò)程主要依靠金屬錫的流動(dòng)來(lái)達(dá)到半合金化的狀態(tài),并且單質(zhì)粉末容易氧化,在燒結(jié)過(guò)程中活性波動(dòng)大,經(jīng)常會(huì)在同等溫度條件下金剛石胎體出現(xiàn)不同程度的跑料,金剛石胎體均勻性變差,出現(xiàn)偏析問(wèn)題,最終導(dǎo)致金剛石鋸片性能波動(dòng)較大。CuFeCoRe 預(yù)合金通過(guò)高溫合金化,整個(gè)胎體均勻性更好,且 CuFeCoRe 預(yù)合金粉末經(jīng)過(guò)了高溫合金化,相比單質(zhì)金屬粉熔點(diǎn)要低得多,在燒結(jié)過(guò)程中只要溫度達(dá)到預(yù)合金粉末的液相線以上一點(diǎn)即可。通過(guò)加入一定比例 CuFeCoRe 預(yù)合金粉末,可以快速提高胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度、致密度和對(duì)金剛石潤(rùn)濕狀態(tài),從而提高金剛石胎體的整體均勻度,使金剛石鋸片在高速切割時(shí)相比普通單質(zhì)粉末配方更加穩(wěn)定,從而提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備的選擇

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5種金屬胎體配方,一種為單質(zhì)元素配方胎體,其他4種添加不同含量新型結(jié)合劑的配比。為統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),選用粒度為SMD 45/50,金剛石濃度統(tǒng)一為20% (采用400%制濃度),制成金剛石金屬結(jié)塊,采用統(tǒng)一尺寸:長(zhǎng)度×厚度×高度 = 40 mm×5 mm×5 mm,統(tǒng)一采用高純石墨模具,N型碳化硅砂輪,在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試?；A(chǔ)金屬配方為 Cu25Sn4Fe29Ni7Co30WC5,用代號(hào)A表示,CuFeCoRe 稀土預(yù)合金粉中Re為稀土元素中La或Ce中的一種或兩者的復(fù)合物,用代號(hào)B表示,密度為8.35 g/cm3,Cu粉粒度為300目,Sn粉粒度為200目,Fe粉粒度500目,Ni粉為300目,Co粉粒度為300目,WC粉粒度為300目,CuFeCoRe 稀土預(yù)合金粉粒度8～18 μm,詳見(jiàn)表1。

表1 五種配方胎體成分配比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

(1)金海威ASM80型熱壓燒結(jié)機(jī);

(2)TESCAN VEGA3 SBH 掃描電子顯微鏡;

(3)大同200噸冷壓機(jī);

(4)HQ-800紅外線橋式自動(dòng)切割機(jī);

(5)WILSON WOLPERT電動(dòng)洛氏硬度計(jì);

(6)德國(guó)飛羽LSM240激光焊接機(jī);

(7)REGER 10KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(抗折強(qiáng)度);

(8)扭力扳手;

(9)自制胎體密度測(cè)試儀。

2 試驗(yàn)步驟和結(jié)果

2.1 試驗(yàn)步驟

按照試驗(yàn)流程(圖1)制作出5種配方胎體,在同一條件下(混料時(shí)間為120 min,熱壓燒結(jié)〔單位面積壓力〕統(tǒng)一采用34 MPa,保溫時(shí)間為4 min)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)流程圖

2.2 各配方胎體燒結(jié)工藝參數(shù)

將組裝好的胎體放入ASM80型熱壓燒結(jié)機(jī)中,采用定壓定模燒結(jié),燒結(jié)工藝曲線見(jiàn)圖2,具體工藝數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖2 燒結(jié)工藝曲線圖

表2 各胎體結(jié)塊燒結(jié)工藝表

3 CuFeCoRe預(yù)合金粉末對(duì)胎體性能的影響

3.1 試驗(yàn)結(jié)塊基礎(chǔ)性能的測(cè)定

將燒結(jié)后的純金屬胎體結(jié)塊和含金剛石金屬結(jié)塊表面毛刺處理后進(jìn)行密度和硬度等基礎(chǔ)性能的測(cè)定,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4。

表3 純金屬胎體各配方結(jié)塊基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)

表4 含金剛石金屬胎體各配方結(jié)塊基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出,純金屬胎體的相對(duì)密度 1# <2# <5# <3# <4#。1#配方為基礎(chǔ)粉胎體,采用常規(guī)單質(zhì)金屬粉末,顆粒間合金化程度低,粉末之間固溶體結(jié)合不夠充分,空隙率大。由于2#開(kāi)始加入 CuFeCoRe 預(yù)合金粉,其合金化程度高,燒結(jié)溫度較低,在同樣燒結(jié)溫度下更容易熔化致密。隨著 CuFeCoRe 預(yù)合金粉加入量增大,金屬胎體的相對(duì)密度和硬度也逐步提高。

3.2 CuFeCoRe預(yù)合金粉對(duì)抗折強(qiáng)度影響

將試塊放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試臺(tái)的兩點(diǎn)支架上(圖3),設(shè)定試塊的相關(guān)參數(shù)后即可進(jìn)行試驗(yàn)并同時(shí)記錄程序自動(dòng)采集的抗折數(shù)據(jù)(表5、表6),其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 抗折強(qiáng)度測(cè)定模式

圖4 純金屬胎體抗折強(qiáng)度曲線圖

圖5 含金剛石金屬胎體抗折強(qiáng)度曲線圖

表6 含金剛石金屬胎體抗折強(qiáng)度(σdia)

由以上5種胎體抗折強(qiáng)度曲線分布可以看出,5種配方的含金剛石金屬胎體和純金屬胎體抗彎強(qiáng)度都呈1# <2# <5# <3# <4#增大趨勢(shì),但純金屬胎體增大幅度不明顯,而含金剛石胎體有較大幅度的增加。1# 基礎(chǔ)配方胎體抗彎強(qiáng)度最低,4#配方抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值,5#胎體由于取消了原配方中的Co,雖然抗折強(qiáng)度比3#、4#要低,從一定程度上可以反映出加入一定的CuFeCoRe預(yù)合金粉完全可以取代Co的性能。為了更加直觀地看出胎體對(duì)金剛石的把持力變化,引用一個(gè)胎體對(duì)金剛石粘結(jié)系數(shù)的公式(1):

(1)

式中:σ為純金屬胎體抗折強(qiáng)度,σdia為含金剛石胎體抗折強(qiáng)度,β為胎體對(duì)金剛石粘結(jié)系數(shù)。

結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 純金屬胎體與含金剛石金屬胎體抗折強(qiáng)度和粘結(jié)系數(shù)

1#配方為基礎(chǔ)胎體配方,因?yàn)閱钨|(zhì)金屬粉末胎體,顆粒間相對(duì)預(yù)合金粉末合金化程度低些,2#配方中開(kāi)始加入CuFeCoRe預(yù)合金粉,不僅提高了抗彎強(qiáng)度,同時(shí)也降低了胎體對(duì)金剛石粘結(jié)系數(shù)β,從而大大提高了胎體對(duì)金剛石的把持力。為了更直觀的對(duì)比,分別對(duì)1#～5#胎體微觀組織形貌進(jìn)行500×SEM觀察,如圖6所示。1#(圖6(a))金剛石胎體粉末顆粒粗大,顆粒均勻度不及4#(圖6(d))胎體均勻度,加入CuFeCoRe預(yù)合金粉的金剛石胎體晶粒更小,胎體與金剛石結(jié)合更加緊密,說(shuō)明CuFeCoRe預(yù)合金粉可以提高胎體對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性,使得金剛石和胎體結(jié)合更牢固。

圖6 微觀組織形貌(500×)

4 切割性能與壽命試驗(yàn)方法和結(jié)果

將上述5種胎體制成Φ350 mm×40 mm×3.2 mm×10 mm激光焊接鋸片,選用粒度為SMD45/50,金剛石濃度統(tǒng)一為20%(采用400%制濃度),采用HQ-800紅外線橋式自動(dòng)切割機(jī),設(shè)備功率15 kW,切割電流22～25 A,轉(zhuǎn)速3000 r/min,加水切割C30混凝土,混凝土厚度60 mm,冷卻水流量為1.5 L/min,為了排除其他參雜因素,每種鋸片先切10 m,然后開(kāi)始計(jì)量鋸片外徑和切割時(shí)間,每種再切割100 m,共計(jì)50刀,每刀2 m,切割機(jī)會(huì)自動(dòng)采集每刀的切割時(shí)間,設(shè)定同等電流下切割時(shí)間越短表明鋸片切割鋒利度越好。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 激光焊接鋸片切割測(cè)試數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出,1#(圖6(a))單質(zhì)粉配方由于燒結(jié)致密度很難到達(dá)很高的程度,導(dǎo)致胎體對(duì)金剛石的潤(rùn)濕始終不足,胎體對(duì)金剛石的把持力不夠,金剛石脫落嚴(yán)重,鋸片磨耗較大,同時(shí)帶來(lái)的鋸片刀頭需要不斷的被摩擦磨損,金剛石又無(wú)法達(dá)到一個(gè)比較理想的出刃高度,最終導(dǎo)致切割鋒利度不足。2#(圖6(b))通過(guò)加入10%比例的CuFeCoRe預(yù)合金粉已經(jīng)有一定程度的改善了胎體均勻性,通過(guò)金剛石脫落坑可以看出內(nèi)壁光潔、平整,胎體致密度有了一定的提高,切割數(shù)據(jù)可以反映出胎體致密度提高對(duì)提高金剛石鋸片切割鋒利度和壽命是有益的。

通過(guò)表5基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也看出金剛石結(jié)塊致密度和硬度的變化。隨著 CuFeCoRe 預(yù)合金粉比例提高到30%,3#(圖6(c))配方胎體微觀形貌可以看到胎體組織的致密度和硬度比2#(圖6(b))又有進(jìn)一步的提高,當(dāng)加入量達(dá)到50%,通過(guò)4#(圖6(d)) 配方微觀形貌可以看出:整個(gè)胎體由于CuFeCoRe預(yù)合金粉的加入,合金化程度大幅提高,胎體均勻,胎體對(duì)金剛石潤(rùn)濕性達(dá)到一個(gè)最佳的狀態(tài),金剛石棱角都被映襯的非常明顯,基于磨損機(jī)理,胎體與金剛石結(jié)合約緊密,金剛石越不容易脫落,金剛石利用率會(huì)大幅提高。從表8看出,隨著CuFeCoRe預(yù)合金粉加入比例不斷提高,鋸片鋒利度從每分鐘1.54 m提高到2.32 m,5#(圖6(e))配方胎體由于完全用CuFeCoRe預(yù)合金粉取代了鈷粉,相比于1# (圖6(a)) 胎體還是有很大的改善,從胎體金剛石脫落坑可以看出胎體致密度較1# (圖6(a))提高了很多,通過(guò)表5的基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)中的硬度和致密度也看到這點(diǎn),由此可以得出在胎體配方中適當(dāng)加入CuFeCoRe預(yù)合金粉不僅可以降低成本,還能提高鋸片的使用性能。我國(guó)鈷資源缺乏,鈷價(jià)一直居高不下,采用預(yù)合金粉末來(lái)代替金剛石工具胎體中鈷是大勢(shì)所趨,而且單獨(dú)加入單質(zhì)鈷粉,由于無(wú)法進(jìn)行充分的合金化,不能發(fā)揮出鈷的最佳性能,不僅浪費(fèi)資源,更重要的是無(wú)法提升金剛石工具的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

6 結(jié)論

(1) 隨著CuFeCoRe預(yù)合金粉的含量不斷增加,配方胎體的硬度和致密度都隨之提高,同時(shí)也降低對(duì)高溫對(duì)金剛石的腐蝕和損傷程度。

(2) 隨著CuFeCoRe預(yù)合金粉的含量不斷增加,配方胎體抗折強(qiáng)度和對(duì)金剛石的粘結(jié)系數(shù)也不斷提高,但純胎體配方抗折強(qiáng)度和含金剛石胎體抗折強(qiáng)度值隨加入CuFeCoRe預(yù)合金粉含量增加而越來(lái)越接近,說(shuō)明CuFeCoRe預(yù)合金粉對(duì)配方胎體與金剛石潤(rùn)濕作用非常明顯。

(3) 從1#與5#配方掃描電鏡500倍微觀形貌圖看出胎體對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)更好,在切割實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,CuFeCoRe預(yù)合金粉相比于單質(zhì)鈷粉在配方胎體中性能作用更好,并且成本更低,更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。