烧结工艺对Fe基金属结合剂性能的影响_张许红.pdf

第3 5卷 第2期 超 硬 材 料 工 程V o l.3 52 0 2 3年4月S U P E RHA R D MA T E R I A L E NG I N E E R I NGA p r.,2 0 2 3烧结工艺对F e基金属结合剂性能的影响张许红,王成军,吴海优,郭子豪,左二刚(河北省金刚石工具工程技术研究中心,河北 石家庄 0 5 0 0 3 5)摘 要:以F e基金属结合剂为研究对象,分别采用热压机和罩式炉烧结工艺制备烧结试样,设定保温温度和保压压强分别为9 0 0和3 0 MP a,研究不同保温保压时间对烧结试样密度、硬度、抗弯载荷-挠度和组织形貌的影响。在以上研究的基础上,采用上述制备烧结试样的工艺制备薄壁工程钻头,通过钻切试验测试其对钻头性能的影响。实验结果表明:对比罩式炉烧结保温保压3 0 m i n与热压机烧结保温保压1 0 m i n所制备的试样,两者硬度和抗弯强度相当,但前者的断裂挠度仅为后者6 0%左右,通过E D S测试F e/C u结合界面,发现C u元素扩散到F e粉末颗粒基体中,表明在F e/C u结合界面存在原子的相互扩散;对比罩式炉烧结保温保压2 0 m i n与热压机烧结保温2.5 m i n所制备的薄壁工程钻头产品,前者比后者锋利度提高5%,寿命降低5%。关键词:F e基金属结合剂;热压机;罩式炉;金刚石薄壁工程钻头中图分类号:TQ 1 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3-1 4 3 3(2 0 2 3)0 2-0 0 0 8-0 5E f f e c t o f s i n t e r i n g p r o c e s s o n p r o p e r t i e s o f F e-b a s e d m e t a l b o n dZ HANG X u h o n g,WANG C h e n g j u n,WU H a i y o u,GUO Z i h a o,Z UO E r g a n g(D i a m o n d T o o l s E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r o f H e b e i,S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 3 5,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,F e-b a s e d m e t a l b i n d e r s a r e u s e d t o p r e p a r e s i n t e r e d s a m p l e s w i t h h o t p r e s s m a c h i n e a n d b e l l-t y p e f u r n a c e.T h e h o l d i n g t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e a r e s e t a t 9 0 0a n d 3 0 MP a,r e s p e c t i v e l y.I t i s s t u d i e d t h a t h o w h o l d i n g t i m e i n f l u e n c e s s a m p l e d e n s i t y,h a r d n e s s,b e n d i n g l o a d-d e f l e c t i o n a s w e l l a s m i c r o s t r u c t u r e.F u r t h e r m o r e,t h i n-w a l l e n g i n e e r i n g b i t s a m p l e s a r e p r e p a r e d b y t h e a b o v e-m e n t i o n e d p r o c e s s.T h e t e s t r e-s u l t s h o w s t h a t t h e h o l d i n g t i m e f o r b e l l-t y p e f u r n a c e a n d h o t p r e s s m a c h i n e a r e 3 0 m i n a n d 1 0 m i n,r e s p e c t i v e l y.T h e f r a c t u r e d e f l e c t i o n o f t h e f o r m e r s a m p l e i s o n l y a b o u t 6 0%o f t h a t o f t h e l a t t e r o n e.T h e F e/C u i n t e r f a c e o f t h e t w o k i n d s o f s a m p l e s a r e a l s o i n v e s t i-g a t e d w i t h E D S,a n d t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e r e i s a t o m d i f f u s i o n a t t h e F e/C u i n t e r f a c e.T o c o m p a r e t h e t h i n-w a l l e d e n g i n e e r i n g b i t s p r e p a r e d b y b e l l-t y p e f u r n a c e s i n t e r i n g a n d p r e s s u r e p r e s e r v a t i o n f o r 2 0 m i n w i t h t h a t b y h o t p r e s s s i n t e r i n g a n d p r e s s u r e p r e s e r v a-t i o n f o r 2.5 m i n,t h e s h a r p n e s s o f t h e f o r m e r i s 5%h i g h e r t h a n t h a t o f t h e l a t t e r,a n d t h e l i f e o f t h e f o r m e r i s 5%l o w e r.K e y w o r d s:F e-b a s e d m e t a l b i n d e r,h o t p r e s s m a c h i n e,b e l l-t y p e f u r n a c e,d i a m o n d t h i n-w a l l e n g i n e e r i n g b i t收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9作者简介:张许红(1 9 8 2),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为超硬材料制品与应用。E-m a i l:2 5 1 2 7 0 4 3 3q q.c o m引文格式:张许红,王成军,吴海优,等.烧结工艺对F e基金属结合剂性能的影响J.超硬材料工程,2 0 2 3,3 5(2):8-1 2.近几年,由于国内市场上金刚石工具产品价格下跌,金刚石工具制造企业为了降低产品制造成本,经济型F e基金属结合剂得到了愈加广泛的研究和应用。采用F e基结合剂虽然可以降低产品的成本,却也引入了一些新的问题,粉料的成型性和烧结性变得更差,需要提高成型压力和烧结温度,才能保证产品性能的稳定。在实际生产过程中发现,F e基金属结合剂对生产的工艺参数非常敏感,压制工序压坯容易出现裂纹和掉块现象,烧结工序容易出现过烧、金刚石碳化等问题。烧结是制备金属结合剂制品最基本的工序之一,对最终产品的性能起着决定性的作用,烧结是指在高温下粉末颗粒间发生冶金结合的过程,并经由原子的定向运动完成物质迁移1。目前,金刚石工具的烧结方式,按照烧结设备来分类,主要有热压机烧结、罩式炉烧结和连续炉烧结3种,不同的烧结方式具有不同的特点。热压机烧结通过给石墨模具加载电流和压力,实现快速升温的同时,可以给模具施加一定的压力,其最大的优点是可以显著降低成形压力和缩短烧结时间,烧结的粉末冶金结合剂具有较高的密度和较细的晶粒度。罩式炉和连续炉通过加热电阻丝的方式来提高炉体内的温度,其最大的特点是炉体烧结空间和装炉量较大,升温速率较低,烧结时间长,适合于大批量生产。李文生等2-4研究了烧结温度对C u-F e基胎体显微组织和硬度的影响,研究结果显示,随着烧结温度的升高,胎体合金化程度越高。关于热压机烧结和罩式烧结对金属结合剂性能的影响,朱元昌5对比研究了电阻炉和罩式炉烧结工艺对单质粉配方和预合金粉配方性能的影响,实验结果表明,罩式炉烧结的单质粉配方试样晶粒长大显著,硬度和抗弯强度明显下降,韧性提高,而预合金粉配方试样晶粒长大不明显,硬度及抗弯强度无显著变化,韧性提高。以F e单质粉作为主要组分,辅以少量的单质C u、N i、S n等作为研究的结合剂配方,研究了热压机和罩式炉烧结工艺对该结合剂的烧结密度、硬度、抗弯载荷-挠度和组织形貌的影响,对比分析了烧结工艺对F e/C u结合界面元素扩散差异的影响,并分别制备金刚石薄壁工程钻头,测试不同烧结工艺对钻头钻切性能的影响。1 实验方案1.1 实验原材料以目前常用的还原F e粉、电解C u粉、羰基N i粉、电解S n粉为原料,其技术指标见表1。表1 金属粉末技术指标T a b l e 1 T e c h n i c a l i n d e x o f m e t a l p o w d e r粉料粒度尺寸D 5 0/m氧质量分数/%松比/(gc m-3)F e1 83 00.51.83.0C u2 23 80.21.52.0N i2.22.80.30.50.8S n1 83 30.23.33.91.2 金属结合剂试样的制备F e基结合剂配方的组分如表2所示,按比例称取上述金属粉末,加入一定量的石蜡,装入三维混料机中混制1 h得到试验所需的粉料。表2 F e基结合剂配方的组分T a b l e 2 C o m p o s i t i o n o f F e-b a s e d b i n d e r f o r m u l a元素质量分数/%F e6 07 0C u2 02 5N i25S n13其他25设计烧结试样的尺寸为4 0 m m 1 5 m m 3.8 m m,按理论密度计算的料重称取粉料装入钢模具中,按照3 0 05 0 0 MP a的压强压制成形,再将压制好的生坯装入石墨模具中,按照表3所示的1#、2#、3#、4#、5#烧结工艺制备a、b、c、d、e结合剂试样。a、b、c试样采用热压机烧结,升温速率为1 0 0/m i n,测温方式为热电偶,烧结结束后,在空气中自然冷却至室温。d和e试样采用罩式炉进行烧结,测温方式为热电偶,将试样装炉后,通入氮氢混合气体,开始升温,升温速率为1 0/m i n,升至设定温度后保温保压2 0 m i n和3 0 m i n,烧结结束后在炉内自然冷却。表3 试样烧结工艺参数T a b l e 3 T e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f t h e s i n t e r i n g s a m p l e s工艺编号温度/保温时间/m i n保温压强/MP a1#9 0 01.53 02#9 0 02.53 03#9 0 01 03 04#9 0 02 03 05#9 0 03 03 01.3 金属结合剂试样性能测试及钻头性能测试采用H R-1 5 0 A型洛氏硬度计测试烧结试样的硬度,采用M S E 2 2 4 S型密度计测试试样的烧结密度,采用WDW 2 0 0型电子万能试验机来测试试样的抗弯载荷-挠度曲线,跨距为3 0 mm,加载速率为5 mm/m i n,采用4 X C型光学显微镜来观察试样的组织形貌。9第3 5卷 第2期 张许红等:烧结工艺对F e基金属结合剂性能的影响在结合剂烧结性能研究的基础上,在结合剂粉料中加入粒度代号为4 0/4 5、4 5/5 0两种金刚石,金刚石的体积分数为3 0%,在三维混料机中混匀后,将含金刚石的粉料装入压制钻头刀头的钢磨具中,在3 0 05 0 0 MP a压强下压制成型,再将成型的刀头生坯装入设计好的石墨模具中,按照表3所示的1#、2#、3#、4#、5#烧结工艺制备A、B、C、D、E工程薄壁钻头制品。采用自制的Z 1 Z-1 8 0 Q台式钻机(额定功率为2 8 0 0 W,额定空载转速1 2 0 0 r/m i n)加水钻切含有4层 1 8螺纹钢的C 4 0钢筋混凝土试验块,测试不同烧结工艺对钻头钻切性能的影响。2 试验结果及分析2.1 烧结工艺对金属结合剂试样烧结密度和硬度的影响不同烧结工艺对试样烧结密度和硬度的影响如表4所示,对于热压机烧结的a、b、c试样,随着保温时间的延长,其烧结密度和硬度均增加;而对于罩式炉烧结的d和e试样,其烧结密度高于热压机烧结a试样而低于热压机烧结的b和c试样。a、b、c试样,随着保温时间的延长,其烧结硬度逐渐增加,而对于罩式炉烧结的d和e试样,其烧结硬度均高于a试样的,随着保温时间的延长,e试样与c试样的硬度相当。表4 试样烧结密度和硬度T a b l e 4 D e n s i t y a n d h a r d n e s s o f t h e s i n t e r e d s a m p l e试样编号密度/(gc m-3)硬度/HR Ba8.0 3 86 07 0b8.3 3 88 08 5c8.3 4 69 09 5d8.1 5 68 09 0e8.2 9 49 01 0 02.2 烧结工艺对试样抗弯载荷-挠度的影响不同烧结工艺对试样抗弯载荷-挠度的影响如图1所示,随着热压机烧结保温时间的延长,a、b、c试样的抗弯强度分别为8 1 0 M P a、1 1 3 0 M P a和1 1 3 2 M P a,断裂挠度分别为2.6 mm、1.6 mm和1.4 mm,保温2.5 m i n以上,其抗弯强度和挠度趋于稳定。罩式炉烧结的d和e试样,其抗弯强度分别为6 0 5 MP a和9 7 5 MP a,其断裂挠度分别为0.5 mm和0.9 mm。对比罩式炉烧结保温保压3 0 m i n与热压机烧结保温保压1 0 m i n所制备的试样,两者硬度和抗弯强度相当,但前者的断裂挠度仅为后者6 0%左右。图1 烧结工艺对试样抗弯载荷-挠度曲线的影响F i g.1 E f f e c t o f s i n t e r i n g p r o c e s s o nb e n d i n g l o a d-d e f l e c t i o n c u r v e s o f s a m p l e s2.3 烧结工艺对试样组织形貌的影响在F e基结合剂中,F e粉和C u粉的质量总和占总质量的8 0%以上,F e/C u、F e/F e和C u/C u粉末颗粒之间结合界面的强度和组织将直接决定烧结结合剂的各项力学性能。采用光学显微镜,放大到2 0 0倍,观察不同烧结工艺对烧结试样金相组织形貌的影响(图2),灰色组织为F e粉末颗粒,浅色组织为C u粉末颗粒的烧结组织,黑色的点状为烧结气孔。热压机烧结的a、b、c试样,随着烧结时间的延长,F e粉与C u粉颗粒结合界面的颜色差异越来越小,表明F e/C u粉末颗粒接触界面发生了原子的相互扩散。c试样F e粉末颗粒内部出现了一些细小的孔隙,随着烧结时间的延长,这种细小的孔隙在d和e试样上更加显著,这可能主要是由于C u、N i、S n元素的存在而产生的,在烧结过程中C u、N i、S n元素扩散显著,而F e元素扩散较少6,这些孔隙主要是C u、N i、S n元素扩散到F e粉末颗粒中之后,其原来所在的位置形成小的孔隙。2.4 烧结工艺对F e/C u结合界面的影响在烧结过程中,不同组分的金属颗粒间发生的原子扩散、合金均匀化是极为缓慢的过程,通常比完成致密化需要更长的烧结时间。为了进一步研究F e原子和C u原子在F e/C u粉末颗粒结合界面的扩散情况,采用E D S对F e/C u结合界面两侧的C u元素分布进行线扫描,其测试结果如图3所示。结果表明:热压机烧结保温1.5 m i n和2.5 m i n,F e粉和C u粉结合界面,没有发现C u元素的扩散峰,热压机烧结保温1 0 m i n的试样,发现C u原子逐渐扩散到F e粉末颗粒中。采用罩式炉烧结的d试样,F e/C u结合界面,由于保温时间短,发现少量的C u原子扩散到F e粉末颗粒中,而延长保温时间的e试样,可以很清晰地看到C u元素在F e粉末颗粒中的扩散峰,C u向F e粉颗粒内部扩散形成置换固溶体,而在C u粉原来的位置会留下孔隙7。01超 硬 材 料 工 程 2 0 2 3年4月图2 烧结工艺对试样组织形貌的影响(2 0 0)F i g.2 E f f e c t o f s i n t e r i n g p r o c e s s o n m i c r o s t r u c t u r e a n d m o r p h o l o g y o f s a m p l e s(2 0 0)(a)a试样;(b)b试样;(c)c试样;(d)d试样;(e)e试样图3 烧结工艺对F e/C u结合界面C u元素分布的影响F i g.3 E f f e c t o f s i n t e r i n g p r o c e s s o n C u d i s t r i b u t i o n a t F e/C u i n t e r f a c e(a)a试样;(b)b试样;(c)c试样;(d)d试样;(e)e试样 在高温烧结的过程中,只要满足C u与F e相互扩散的热力学条件,F e/C u结合界面两侧将会发生原子的互相扩散行为,热压烧结保温1 0 m i n制备的c试样F e/C u结合界面发现C u的扩散现象,而罩式炉烧结保温2 0 m i n制备的d试样F e/C u结合界面没有发现C u的扩散现象,这说明热压机烧结F e/C u结合界面原子的扩散速率高于罩式炉烧结F e/C u结合界面原子的扩散速率,这主要是由于热压机烧结电场会促进原子的相互扩散,其扩散浓度满足公式(1),而罩式炉烧结其扩散的浓度满足公式(2),而公式(1)和(2)中的扩散系数D可通过公式(3)来确定8。ct=D2cX2+EcX(1)Ct=X(DCX(2)D=D0e-EDR T(3)式中:D为扩散系数,c m2/s;C为体积浓度,g/c m3;EcX 为F i c k第二定律中电场的作用项;D0为扩散11第3 5卷 第2期 张许红等:烧结工艺对F e基金属结合剂性能的影响常数,c m2/s;R为气体常数,为8.3 1 4 J/(m o lK);T为绝对温度,K、ED为扩散激活能,J/m o l。在同一烧结温度下,随着保温时间的延长,F e粉和C u粉颗粒结合界面,F e原子和C u原子相互扩散,最终达到平衡,形成F e-C u固溶体,随着F e-C u固溶体含量的增加,结合剂的脆性增加。2.5 烧结工艺对钻头性能的影响在研究烧结工艺对结合剂力学性能和组织形貌影响的基础上,采用钻切试验研究烧结工艺对金刚石工具产品性能的影响,其性能测试结果如图4所示,采用热压机烧结工艺制备的A、B、C钻头,随着保温时间的延长,其钻切速度先增加后降低,而其寿命轻微降低后大幅增加。采用罩式炉烧结D和E钻头,保温时间分别为2 0 m i n和3 0 m i n,D钻头锋利度最高而寿命最短,而E钻头速度有小幅下降,寿命有小幅的上升,与热压机烧结的B钻头锋利度和寿命相当。由于目前内贸市场对金刚石工具产品的锋利度要求较高,选用具有较高锋利度的D和B进行性能对比,图4 烧结工艺对钻头钻切性能的影响F i g.4 E f f e c t o f s i n t e r i n g p r o c e s s o n b i t d r i l l i n g p e r f o r m a n c eD比B锋利度提高5%,寿命降低5%。3 结论以F e基单质粉结合剂为研究对象,设定保温温度和保压压强分别为9 0 0和3 0 MP a,对比研究热压机烧结和罩式炉烧结保温保压时间对结合剂烧结力学性能、组织形貌和产品性能的影响,得出以下结论:(1)对比罩式炉烧结保温保压3 0 m i n与热压机烧结保温保压1 0 m i n所制备的试样,两者硬度和抗弯强度相当,但前者的断裂挠度仅为后者6 0%左右,通过E D S测试F e/C u结合界面,发现C u元素扩散到F e粉末颗粒基体中,表明在F e/C u结合界面存在原子的相互扩散。(2)对比罩式炉烧结保温保压2 0 m i n与热压机烧结保温2.5 m i n所制备的薄壁工程钻头产品,前者比后者锋利度提高5%,寿命降低5%。参考文献:1 阮建明,黄培云.粉末冶金原理M.北京:机械工业出版社,2 0 1 2.2 李文生,袁柯祥,路阳,等.C u-F e基金刚石复合材料的制备工艺及性能J.材料导报,2 0 1 0,2 4(2):7 8-8 0.3 杜全斌,龙伟民,钟素娟,等.烧结温度对F e C u基烧结胎体组织及性能的影响J.焊接,2 0 1 7(3):4 3-4 7.4 韦统彬,戴秋莲.烧结工艺对铁基胎体合金化程度影响的研究J.金刚石与磨料磨具工程,2 0 1 0,3 0(1):1 0-1 5.5 朱元昌.钟罩炉和电阻炉烧结金刚石工具胎体性能差异的分析J.超硬材料工程,2 0 2 0,3 2(4):1 8-2 1.6 路阳,董洪峰,李文生.冷压烧结C u-F e基金刚石超薄切锯胎体的组织和性能J.材料科学与工艺,2 0 1 4,2 2(4):1 9-2 4.7 党文龙,刘祥庆,汪礼敏,等.碳含量对F e-C u-C扩散预合金粉末烧结性能的影响J.粉末冶金技术,2 0 1 3,3 1(2):8 3-8 8.8 孙毓超.金刚石工具与金属学基础M.北京:中国建材工业出版社,1 9 9 9.碳纳米材料改善传感器中的氨传感特性采用石墨烯、单壁碳纳米管(SWC NT s)、多壁碳纳米管(MWC NT s)、石墨烯纳米带和还原氧化石墨烯来改善基于聚苯胺(P AN I)的 NH3传感器的气敏特性。由于聚苯胺和羧化碳纳米管之间的氢键,将SWC NT s并入聚苯胺有助于形成结构。这增强了NH3和SWC NT s-OH/P AN I复合材料之间的相互作用。带有羧基功能化的单壁碳纳米管用于氨检测。尽管MWC NT s很少用于检测NH3,但研究发现,包含MWC NT s、聚苯胺和金属氧化物(例如氧化铝和氧化钛)的纳米复合材料可显著改善对氨的传感行为。除了碳纳米管,碳纳米纤维(C N F s)也被用于检测NH3,值得注意的是,C N F s的孔隙率明显高于MWC NT s,这提升了它们的传感特性。使用L a n g m u i r-B l o d g e t t方法,在二氧化硅/二氧化硅衬底上的间甲苯甲酸功能化氧化石墨烯可以检测农田中的氨。由于周围空气中存在氧化干扰气体(O3和NO2)且湿度水平升高,大多数实际环境(例如菜地)中的传感器无法正常工作。这些缺点被催化转化法(C CM)克服,使用铂(P t)纳米颗粒催化剂将NH3转化为二氧化氮(NO2),并通过高性能NO2传感器检测该气体。基于差分催化转化法(D C CM)开发了一种便携式、低成本、稳定且灵敏的NH 3监测器。该装置可有效监测农业部门的氨气挥发,消除环境干扰。该传感器的关键传感材料是氧化铟(I I I)纳米粒子和氧化钨(WO3)纳米片。(复材资讯)21超 硬 材 料 工 程 2 0 2 3年4月