Ni对自由烧结金刚石工具胎体性能的影响①

卢安军,秦海青,雷晓旭,蒙光海,林峰,程煜

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林,541004; 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林,541004; 3.广西超硬材料重点实验室,广西桂林,541004)

Ni对自由烧结金刚石工具胎体性能的影响①

卢安军1,2,3,秦海青1,2,3,雷晓旭1,2,3,蒙光海1,2,3,林峰1,2,3,程煜1,2,3

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林,541004; 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林,541004; 3.广西超硬材料重点实验室,广西桂林,541004)

在传统的热压烧结金刚石工具制品中,添加一定量的Ni,可以明显提高胎体的强度以及韧性,而在自由烧结所制的胎体中,却显示出不同的效果。实验在其它烧结工艺不变条件下,在以M粉为主要粘结剂的金刚石工具胎体中添加羰基Ni,开展羰基Ni对自由烧结胎体性能影响的试验研究。试验结果表明:随着胎体中Ni含量的依次增加,胎体的相对密度、洛氏硬度先提高后下降,在Ni含量为5 wt.%附近出现拐点,而胎体的抗弯强度却一直呈下降趋势;同时,胎体内晶粒由细变粗,且胎体的韧性逐渐减弱,脆性逐渐增强。

Ni粉;自由烧结;力学性能;金刚石工具;脆性断裂

采用金属作为结合剂的金刚石工具是有效加工硬脆非金属材料的一种工具,随着我国经济的不断发展,金刚石工具不仅被广泛用于民用建筑与土木工程、石材加工、汽车、交通、地勘与国防工业等领域和其它现代高新技术领域,而且在宝石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶瓷和复合非金属材料等众多新领域也得到推广,社会对金刚石工具的需求量正在逐年大幅提高[1]。目前,这类金刚石工具的工作层刀头传统制作工艺主要有电镀法以及热压烧结法,其中热压烧结法因具有制品性能稳定、产品外形规整、工艺灵活多变等优点而被大多数金刚石工具生产企业采用,但随着企业规模的不断扩大以及对产品成本的降低要求,热压烧结工艺的低产率、高能耗、劳动密集等缺点凸显。而自由烧结(亦称无压烧结)由于具有高产能、低能耗等显著优势,其工艺技术成为近几年金刚石工具行业科技工作者研究的热点课题。但截至目前,国内有关自由烧结金刚石工具的相关报道却甚少,为此,我们开展了自由烧结金刚石工具相关技术的研究,并取得了一定的阶段性成果。本文将采用自主研制专用于自由烧结金刚石工具胎体的超细合金粉末作为主要结合剂,在冷压工艺、烧结温度、保温时间、升温速率、烧结气氛等烧结工艺不变的条件下,研究不同含量的羰基Ni对自由烧结金刚石工具胎体性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

以自主研制的专用于自由烧结金刚石工具胎体的超细合金粉末(下文称M粉,主要含有Fe、Cu、Sn等)为主要原料,并分别添加3wt.%、4 wt.%、5 wt.%、6 wt.%、7 wt.%的羰基Ni粉,均匀混合后以酒精为湿润剂,再加入30%砂轮浓度的金刚石磨粒(粒度:40/45),在三维混料机中均匀混合。

1.2 样品获得

分别称取一定量的上述混合生料装入冷压模具(每模具装载4个试样),采用CP100冷压机在25k N压力、并保压5s条件下分别冷压成生坯(冷压模具示意如图1所示),所得生坯尺寸为:(29.5×11.5×4. 5)mm3,生坯相对密度67%～69%。

将上述所得分别含有3wt.%、4wt.%、5wt.%、6wt.%、7 wt.%羰基Ni的5组(每组4个试样块)生坯平放于不锈钢载料舟皿中,再置于经预热的带有保护、还原性气氛的烧结炉中进行烧结,从550℃开始匀速升温(升温速率为200℃/h),当炉温达到875℃时保温1h,再缓慢降温,待炉温降至675℃后将试样推至带冷却水的冷却区进行冷却10min,最后即可获得自由烧结胎体试样块。

图1 冷压模具示意图Fig.1 Schematic diagram of cold pressing mold

1.3 测试仪器、方法

以阿基米德排水法测量并计算上述自由烧结胎体试样块的相对密度;采用TH300型洛氏硬度计测定胎体试样的洛氏硬度;用CMT4304液压万能材料试验机检测胎体的三点抗弯强度;用日本S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对胎体抗弯试样的断口形貌进行分析。

2 结果与讨论

2.1 Ni含量对胎体相对密度、洛氏硬度、三点抗弯强度的影响

表1中列出了不同Ni含量胎体的相对密度、硬度、抗弯强度实验结果。

表1 不同Ni含量胎体的相对密度、硬度与抗弯强度值Tab.1 Relative density,Rockwell hardness and flexure strength of the Matrix with different content of Ni

从表1可见,随着胎体中Ni含量的递增,胎体的相对密度、洛氏硬度、三点抗弯强度亦有相应的变化,如图3中的(a)、(b)、(c)所示。在胎体相对密度、洛氏硬度变化趋势方面,随着胎体中Ni含量的不断增加,胎体相对密度以及洛氏硬度均呈现出先递增后递减的趋势。根据粉末冶金原理[2]及Ni-Cu,Ni-Fe二元合金相图[3],在烧结过程中,Ni主要沿着临近Cu、Fe的晶界以及表面进行扩散迁移,逐步形成均一的固溶体;此外,部分Ni弥散于合金当中,改善M粉中Sn等低熔点料的流动性,使合金晶粒得到细化,促进烧结过程的致密化,从而提高胎体的烧结硬度;当继续增加Ni含量后,“过剩”的Ni未能充分合金化,作为单质相弥留在胎体中,反而阻碍扩散的进行,胎体收缩受阻,相对密度急剧下降,导致胎体的硬度逐渐降低。在传统的热压烧结工艺中,Ni加入Cu、Sn、Fe合金中,能起固溶强化与弥散强化的作用,能有效提高胎体的三点抗弯强度[3-5],但在本自由烧结试验中,Ni的添加超过一定量(3wt.%)后,反而使胎体的抗弯强度持续下降,因为添加的Ni粉在烧结时固相颗粒发生位置迁移、重排,而Ni在迁移过程中留下的空位由于没有外压力的“挤压”,过剩的空位堆积沉淀,进而使胎体的空隙形成与长大,在图4(b)可以明显看出含7wt.%Ni的胎体断口形貌中不均匀的晶粒以及大空隙,故过多的Ni在胎体中反而增加了胎体的脆性,图3(a)、(b)、(c)分别为含4wt.%、5wt.%、7wt.%的Ni的胎体力-位移曲线,从图中可以看出,随着Ni含量的增加,胎体的脆性增强。

图2 Ni粉含量对胎体相对密度、硬度及抗弯强度的影响Fig.2 Influence of the different content of Ni powders on the relative density,hardness and flexural strength of the matrix

图3 不同Ni含量的胎体的力-位移曲线Fig.3 The force-displacement curve of the matrix at different content of Ni

图4 不同Ni含量胎体断口的SEM照片Fig.4 SEM images of matrix fracture at different content of Ni

2.2 胎断裂断口SEM形貌分析

对其中两个典型胎体断口试样进行微观组织形貌分析,图4(a)、(b)分别为含5 wt.%、7 wt.%Ni粉的两个胎体断口SEM照片。

从图4(a)中看出,胎体中存在小韧窝,并且分布比较均匀,属等轴韧窝与卵形韧窝,同时,胎体内空隙很少,未观察到有大空隙,说明在烧结时,Ni在胎体中的晶界扩散与表面扩散,使合金晶粒得到细化,同时,扩散迁移过程中产生的空位在晶界中通过攀移、消失,故胎体比较致密;图4(b)中观察到断口晶界模糊,晶粒比图4(a)中较大且不均匀,没有明显的韧窝,断裂时主要以穿晶断裂为主,沿晶断裂为辅,部分裂纹在晶粒内部扩展,但胎体中有大小不一的空隙存在,说明Ni在扩散过程中留下的空位中聚集并长大,形成的大空隙在胎体中反而起不利的“钉扎”作用,胎体断裂时呈现较强的脆性。综合以上两张断口SEM照片,当胎体中Ni含量为5wt.%时,胎体晶粒较细且均匀,断裂时有沿晶界断裂也有穿晶断裂,显示一定的韧性断裂,胎体中Ni含量提高到7wt.%时,胎体内空隙较多,断裂方式为脆性断裂。因此,在冷压工艺、烧结温度、保温时间、升温速率、烧结气氛等不变的烧结工艺条件下,在主要粘结剂为M粉的自由烧结金刚石工具胎体中,随着Ni含量的递增,胎体的韧性逐渐减弱,脆性逐渐增强。

3 结论

在冷压工艺、烧结温度、保温时间、升温速率、烧结气氛等不变的烧结工艺条件下,在以M粉为主要粘结剂的金刚石工具胎体中添加羰基Ni粉,研究羰基Ni含量对自由烧结胎体性能影响,试验结果表明:

(1)随着胎体中Ni含量的依次递增,胎体的相对密度、洛氏硬度先提升后下降,在Ni含量为5 wt.%附近出现拐点,而胎体的抗弯强度却一直呈下降趋势。

(2)随着胎体中Ni含量的依次递增,自由烧结胎体内晶粒由细变粗,同时胎体的韧性逐渐减弱,脆性逐渐增强。

[1] 吴婉萍.金刚石工具的现状与发展趋势[J].东方企业文化,2014 (1):247-251.

[2] 黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1982:265-267.

[3] 孙毓超,等.金刚石工具与金属学基础[M].北京:中国建材工业出版社,1999:432-434.

[4] 孙毓超,等.金刚石工具制造理论与实践[M].郑州:郑州大学出版社,2005:6.

[5] 刘一波,等.镍粉粉末形貌及粒度对胎体性能的影响[C].2006中国超硬材料行业技术发展论坛.福建厦门,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

卢安军(1983-),男,工程师。主要从事合金粉末的研制及金刚石工具制造的研究工作。E-mail:luanjuns@126.com.

广西科学研究与技术开发计划(合同编号:桂科能1270010);广西区直科技型企业科研成果转化(合同编号:2011-1-20)

秦海青(1979-),男,高级工程师。研究方向为超细合金粉体和纳米金属粉体的研发及其在金刚石制品领域的推广应用。