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