左宏森,王鹏飞,宁春旭

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450000;2.中国有色桂林矿产地质研究院,广西桂林541004)

预合金粉对金刚石节块性能影响研究①

左宏森1,王鹏飞1,宁春旭2

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450000;2.中国有色桂林矿产地质研究院,广西桂林541004)

对市场上销售的几种铁铜预合金粉末在使用中对金刚石节块力学性能的影响进行了实验比较。在元素配方比例不变的前提下,利用等量比例的预合金粉代替原初的单质混合粉,通过真空热压工艺进行试验后发现,使用预合金粉末后的节块的抗折强度与硬度远高于单质混合料热压后的值。在进一步对三种不同品种的铁铜预合金基础粉进行实验后发现,预合金粉随铜含量的增加,节块抗折强度在降低,而硬度虽有所降低但变化幅度较小。

预合金粉;合金粉;硬度;抗折强度;铁铜合金

1 引言

金刚石锯切工具是目前我国金刚石工具中占比例最大的产品之一,而金刚石工具中的金属粉末又是整个节块中占比例最大的一部分。金刚石锯切工具通常是通过冷压烧结工艺或热压焊接工艺来完成生产的。在使用单质混合粉生产金刚石工具的过程中,常出现烧结温度高、流料量大、晶粒长大或欠烧等现象。随着市场对金刚石工具质量要求的提高和生产成本降低的需要,金属粉末越来越多地从最初的单质粉末发展到预合金粉末。预合金粉末的使用具有许多单质金属粉末不具备的优点,本文以市场现有的几种铁铜合金粉末为例,通过进行对比实验,试图说明在使用预合金粉末替代单质混合粉末的过程中节块性能的变化特点,并认为不能只是单纯更换粉末,而应该从工艺上和配方上都进行适当调整,才能满足产品原材料更新换代的要求,实现产品质量的提高。

2 实验

2.1 原材料

Cu粉,电解法,-300;Fe粉,电解法,-300;Sn粉,雾化法,-300;Co粉,还原法,-300;Cr粉,还原法,-300;663青铜粉,雾化,-300;X3-320,雾化(氧含量≤0.5%),-300;X3-330,雾化(氧含量≤0.5%),-300;X3-340,雾化(氧含量≤0.5%),-300;液体石蜡。

2.2 实验仪器设备

洛氏硬度计,HR150;材料万能试验机, GHT4504;真空热压机,RYJ-2000K。

2.3 实验

实验过程在相同的配方与工艺下对完全为单质混合粉料与主要为预合金粉料的配方进行并行实验。实验配方为(FeCu)80Sn4Ni4Q6638.5,其它余量。

工艺过程:原材料粉末-配混料-装石墨模-真空热压-表面清理—硬度检测—强度检测。

热压工艺曲线如图1。

图1 实验热压工艺曲线Fig.1 curve graph of hot pressing process

图2 加入X3-320合金粉前后节块抗折强度的变化Fig.2 Change of segment flexural strength after addition of X3-320 alloyed powder

图3 加入X3-320合金粉前后节块硬度的变化Fig.3 Change of segment rigidity after addition of X3-320 alloyed powder

3 实验结果与讨论

3.1 合金粉使用前后的对比

320合金粉和330合金粉是含铜分别为20%和30%的基础预合金粉末。通过与使用单质混合粉的节块同步实验进行比较(图2～图5),发现在相同的配比与工艺条件下,无论是哪一种预合金粉末,在使用后,节块强度和硬度均远高于使用单质的粉末。可以确相信,这种结果与原材料预合金粉末的预合金化导致的合金硬度与强度高有直接的关系。另外在热压过程中,预合金粉末的使用几乎不需要在铁铜两种主金属之间进行明显的扩散,直接表面形成类似单元系的烧结颈即可完成,所以在热压过程中,可以认为预合金粉能大大缩短烧结时间,合金化程度明显提高。根据实验数据可以看出,对于某一预期力学指标的实现,在相同的力学性能要求下可以通过较低热压温度来获得单质混合料高温时才能实现的性能,也可以在相同的条件下通过缩短热压时间来完成。在实验中还发现使用纯单质粉末热压时经常出现的流料现象使用预合金粉末后明显减少。

图4 X3-330合金粉末使用前后节块强度的变化Fig.4 Change of segment flexural strength after addition of X3-330 alloyed powder

图5 加入X3-330合金粉前后节块硬度的变化Fig.5 Change of segment rigidity after addition of X3-330 alloyed powder

图6 不同类型的预合金品种使用前后强度的比较(T烧=760℃)Fig.6 Influence of different types of pre-alloy powders on the strength of segments(T烧=760℃)

图7 不同类型的预合金品种使用前后硬度的比较(T烧=760℃)Fig.7 Influence of different types of pre-alloy powders on the rigidity of segments(T烧=760℃)

3.2 预合金粉中铜含量变化对节块性能的影响

图6、图7是X3-320、X3-330、X3-340三种不同预合金粉横向试验对比结果(热压温度760℃),性能比较均在预合金粉末比例在80%的情况下进行。全单质粉试验时各元素含量与用预合金粉时的组分保持完全相同。预合金中含铁量越高,节块的硬度越高,但节块强度并不与铁含量的增加而同步提高,反而在适量时如X3-330预合金粉强度较高;单质混合粉中铁含量越高,强度和硬度都有所提高但变化幅度不大。这说明铁铜两种成分,在合适的热压条件下,成分比例的变化对硬度影响不大,重要的是强度的变化;另外,从强度实验结果看,使用预合金粉后节块的性能和纯单质粉混合料时单成分原料量的影响都有所变化。所以,对每一种型号的预合金粉使用结果不能用原来的单质粉的作用进行推断。

4 结论

经过一系列实验数据分析可以得出如下结论:

(1)预合金粉在热压过程中由于合金化程度高,晶粒细小,节块的抗折强度与硬度要远高于使用单质粉,用预合金粉替代单质粉可以大大降低热压温度或热压时间。

(2)铁铜组合形成的料与铁铜预合金粉在铜含量20%～40%之间,热压烧结后对节块的硬度影响很小,而对抗折强度的影响较大,预合金粉中30%铜含量时强度最高。

[1] 方啸虎,刘瑞平,温简杰,郑日升.预合金粉末技术与Fe基预合金粉的研究进展[C].2009中国超硬材料行业技术发展论坛论文集,2009.

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[3] [日]长崎诚三,平林真.二元合金状态图集[M].北京:冶金工业出版社,2004.

[4] 徐浩翔,麻洪秋,罗锡裕,等.雾化预合金胎体粉末的制备及其在金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(1).

[5] 姜荣超,郭和惠.预合金粉末在金刚石工具中的应用[C].2005中国超硬材料技术发展论坛,2005.

Powder on the Performance of Diamond Segment

ZUO Hong-sen1,WANG Peng-fei1,NING Chun-xu2
(1.Material Science and Engineering College of Henan University of Technology,Zhengzhou,China 450001) (2.China Nonferrous Metals(Guilin)Geology and Mining Co,.Ltd,Guilin,Guangxi,,China 541004)

The influnce of application of several Fe-Cu pre-alloyed powders form the current market on the mechanical properties of diamond segments has been compared through experiment.Under the same element formula ratio,the original elementary substance mixed powder has been substituted by pre-alloyed powder of equivalence ratio. Through the vacuum hot pressing experiment,it is found that the flexural Strength and rigidity of diamond segments with pre-alloyed powders are much better than that of the diamond segments with elementary substance mixed powder.Further experiment for three types of Fe-Cu pre-alloyed powders shows that the flexural Strength of the diamond segments decrease when the copper content in the pre-alloyed powders increases. The rigidity decreases also but the rangeability is relatively small.

pre-alloyed powder;alloyed powder;rigidity;flexural Strength;Fe-Cu alloy

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0015-04

2015-01-15

作者简介:左宏森,教授,河南工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系主任,主要从事超硬材料制品的教学与科研工作。