FAM代钴预合金粉末在液相烧结条件下的性能研究

郑日升,万隆,曾成文,宋冬冬,谭静,李桂荣

(1.湖南富栊新材料有限公司,湖南浏阳 410313;2.湖南大学,长沙 410082)

FAM代钴预合金粉末在液相烧结条件下的性能研究

郑日升1,万隆2,曾成文1,宋冬冬2,谭静1,李桂荣1

(1.湖南富栊新材料有限公司,湖南浏阳 410313;2.湖南大学,长沙 410082)

设计FAM及其与低熔点金属及合金的配合的烧结曲线实验,分别研究了(1)FAM101;(2) FAM102;(3)FAM102+FeCu;(4)FAM101+Cu+Zn;(5)FAM101+FeCu NiSn;(6)FAM102+FeCu-NiSn+Cu+Zn等体系,通过热压烧结绘出烧结曲线。分别研究了各组粉末烧结体的密度、硬度、抗弯强度性能,探讨不同方法生产的预合金粉末在金刚石工具胎体配方中的协同作用。

金刚石工具;代钴预合金粉末;液相烧结;FAM

0 引言

固相烧结获得高致密的烧结体[1],而有液相参与的烧结过程,黏性流动、润湿、溶解、沉淀等快速传质过程,可以消除几乎所有的缝隙,从而获得高密度、高性能的烧结产品。液相烧结包括不溶系和互溶系两种类型,前者是指固相颗粒在液相中不溶解或溶解度很小,其特点是等温烧结过程中自始至终有液相存在,主要有Cu-W、Cu-C以及金属-氧化物复合材料;后者是指固相颗粒在液相中有一定的溶解度,若液相较少,固体又能大量溶解形成固溶体或化合物,则可能造成保温烧结后期液相消失,如WC-Co, TiC-Ni,Cu-Pb,Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Ni,W-Cu-Ni, Fe-Ni-Al等。

FAM系列代钴预合金粉末[2],是一种纳米尺寸蜂窝结构的铁镍钴合金粉末,它的蜂窝结构、纳米尺寸、铁镍代钴特性在金刚石工具制造中具有难得的应用价值。在固相烧结条件下获得的烧结体中,有时会留下大量的毛细孔,从而使得烧结体大量露出新鲜的表面吸附水分,时间一长表面便会显示出锈斑,严重影响销售和应用。因此,研究FAM代钴预合金粉末在液相烧结条件下的表现,是探索其应用价值的主要途径。

本文通过FAM与各低熔点金属的配合,得到不同配方体系的预合金粉末,利用热压烧结实验,得到不同混合粉末的烧结体材料。通过研究块烧结体的性能,讨论FAM与各不同粉末的协同作用。通过FAM系列粉末与低熔点金属的配合,降低烧结温度,调整硬度、强度等值,使之符合具体锯切的需要,从而制备出符合不同需求的金刚石锯片。

1 实验条件及方法

选用FAM系统粉末及各低熔点金属作为实验粉末,各粉末性能如下表所示。将FAM系列粉末与其他粉末按一定比例配合,利用自制三维混料机混合均匀。采用SM/3热压机烧结,烧结温度范围在600℃～920℃之间,间隔温度40℃,不同粉末的烧结温度不同,600℃暂停1分钟,烧结温度保温2分钟, FAM101粉末烧结分别采用30MPa和40MPa压力,其余混合粉末压力为30MPa,制备烧结体样品。

表1 各预合金粉末及单质粉末的基本性能Table 1 basic properties of the pre alloy powders and the elemental powders

采用排水法测定烧结体密度;使用HR-150DT洛氏硬度仪检测烧结体硬度,使用标准为HRB;利用DKZ-5000型电动抗折试验机检测烧结体抗折强度,跨距为28mm。

2 实验结果及讨论

2.1 FAM101

图1为30MPa和40MPa压力下FAM101烧结体的基本性能。从图1中可以看出,随着温度的升高,各性能都得到提升。当烧结压力一定时,烧结体的硬度、强度、密度,都随着烧结温度的提高而提高,显然是颗粒之间的缝隙随烧结温度的升高而缩小,直到消失,然后出现一个缓慢变化期,再接着出现一个拐点,性能迅速提升,这个过程的出现,是粉末颗粒内部蜂窝要在较高温度下消失造成的。强度可达1400MPa以上,硬度在100以上。提高压力和温度,可以得到更高强度和硬度的烧结体。压力的影响非常明显,40MPa下的基本性能明显大于30MPa,原因主要是FAM粉末不含低熔点相,在一定温度和时间内烧结,难以生成液相,烧结体的致密化需要依靠粉末之间的扩散进行烧结,而压力越大,粉末的烧结驱动力越大,从而更加致密。所以,强度和硬度得到显著提高。通过在FAM101中添加低熔点相,使之达到具体的使用性能,同时又有成本上的优势。

2.2 FAM102

图2中可以看出,随着温度升高,硬度和密度都增大,FAM102的烧结曲线在一个较宽的范围小幅变化,650℃～850℃之间烧结时,烧结体的性能不会发生太大改变,这对于制备性能稳定的金刚石工具具有非常重要的意义。硬度和密度的变化曲线非常一致,两者的变化具有非常大的关联性。

图2 FAM102烧结体的基本性能Fig.2 basic properties of FAM102 sintered compact

FAM102与FAM101比较,唯一的差别是氧含量高,烧结曲线的差异较大,这种差异说明,氧的存在,尤其是蜂窝内氧化物的存在,阻碍了蜂窝的消失,同时蜂窝结构发达的粉末,也降低了粉末颗粒之间的缝隙消失的温度,故出现了650℃～850℃区间的性能稳定区。进一步提高烧结温度和压力,同样可以得到高强度高硬度的烧结体。

2.3 FAM101+FeCu50

向FAM101中加入铁铜合金,考察烧结过程中的变化情况,结果如图3。

图3 FAM101+FeCu50烧结体的基本性能Fig.3 basic properties of FAM101+FeCu50 sintered compact

FAM101+FeCu50,不含Zn、Sn等低熔点相,可以作为过渡层使用。图3中,在760℃时强度已达800MPa,而随着温度升高,强度在1000MPa以上。从密度上发现,760℃以后,温度对密度的影响增大,说明温度升高,对致密度的影响较大,所以提高温度有助于强度及硬度的提升。图3所示这样的结果说明,FAM101+FeCu50在较低温度下就可以将颗粒之间的缝隙实现致密化烧结,并且在760℃左右烧结体系出现液相,液相进入蜂窝可迅速再次致密化,同时完成合金化过程,提高烧结体强度和硬度。

2.4 FAM102+Cu+Zn

向FAM102中加入电解铜粉和锌粉,引入低熔点金属锌,烧结过程变化如图4。从图4中可以看出,720℃时,强度达690MPa,且随温度升高变化趋于稳定。而硬度在760℃以上开始稳定,达80HRB以上。密度在760℃变化开始趋缓,所以可以选择温度在720℃～760℃烧结,制备锋利型的胎体。配方中添加Cu和Zn低熔点相,对于降低烧结温度具有很大的帮助。Zn的熔点为419.73℃,且饱和蒸汽压过高,易挥发,但烧结过程中并未出现大量挥发和流失现象。原因是FAM具有蜂窝状结构,烧结过程中,锌进入FAM的蜂窝结构中并进行合金化形成高熔点合金,防止了锌的挥发,使烧结过程不易流料。这对于大量使用低价的锌金属,降低配方成本具有非常重要的意义。锌的加入,降低了FAM的强度和硬度,降低了烧结温度,通过调整锌的用量可以得到能够满足各种需要的锋利型的胎体。

图4 FAM102+Cu+Zn烧结体的基本性能Fig.4 basic properties of FAM102+Cu+Zn sintered compact

2.5 FAM101+FeCu NiSn

向FAM101中加入FeCu NiSn,烧结过程和烧结体的性能变化很大,实验结果如图5。

图5中可以看出,强度与密度的变化非常一致,在780℃～860℃之间,烧结过程处于一个比较稳定的状态,可见,FAM101+FeCu NiSn配方能够在较宽的范围烧结。其硬度在740℃时,就已达101HRB。强度可达1200～1300MPa,这对于制备高强度胎体具有重要意义。配方中Sn能够快速促进粉末的烧结,使烧结体具有较高的致密度。但温度过高时,易出现熔融,密度降低,强度开始下降,所以该配方的温度应在900℃以下。FAM101+FeCu NiSn在比较宽的烧结温度范围内得到高强度高硬度的烧结体,是制造耐磨型金刚石工具的优良胎体材料。

2.6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn

同时引入锡和锌来弱化FAM的实验结果如图6。

从图6中发现,840℃时,各性能出现拐点,880℃时性能大幅下降。该配方强度和硬度较低,适合于较软的材质。而密度在760℃开始升高,所以烧结温度可以选择在760℃～840℃。FAM102+FeCu NiSn+ Cu+Zn配方体系的烧结温度变得更低,合金化得到的合金熔点低,容易流失。

图5 FAM101+FeCu NiSn烧结体的基本性能Fig.5 basic properties of FAM101+FeCu NiSn sintered compact

图6 FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn烧结体的基本性能Figure 6 basic properties of FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn sintered compact

3 应用结果

(1)FAM在钻探工具上的应用

地质钻头要经受冲击载荷、弯扭、冲蚀、高正压力和岩石的软硬互层变化等恶劣工作条件,所以地质钻头要用质量优异的金刚石,用耐磨耐冲击又能确保金刚石出刃高度的胎体材料。对于工程薄壁钻、耐火材料加工钻头等,工况都比地质钻头好。钻头都要求胎体对金刚石把持力强且耐磨。以往的钻头采用碳化钨制造高耐磨胎体,用青铜创造液相烧结条件,加镍钴粉末与碳化钨合金化且增强对金刚石的把持力。改用FAM101取代镍和钴粉,与铁铜镍锡配合使用,更容易实现液相烧结,同时强化胎体,可以适当减少碳化钨的用量,更重要的是降低烧结温度减少了金刚石的热伤害。利用FAM101的高温特性,许多钻头厂商制造出了适应性特强、耐磨性特好的钻头。

(2)FAM在锯切工具上的应用

锯切工具工作压力比地质钻头小,软硬变化不大,但切削速度高,存在冲击磨损也不如地质钻头严重。胎体材料对金刚石的把持力要好是毫无疑问的,胎体的耐磨性与加工对象的硬度和摩擦性能及切割速度相关。对于切割花岗岩的大锯片,用高锌配方非常锋利,铁粉加铜粉加锌粉的配方,金刚石浓度高,烧结时有锌挥发,切削时有金刚石脱落。改用FAM102加铜粉加锌粉,则不会有锌的挥发,切割时金刚石掉砂很少。对于中径锯片,采用FAM101加FAM201加铁铜合金都可以获得既锋利又耐磨的性能稳定的产品。对于小切割片,尤其是超薄波纹片,需要增强胎体对金刚石的把持力,确保烧结过程不变形,并有合理的收缩率,用好FAM102及FAM201,同样能做出性能最佳的产品。

(3)FAM在磨削工具上的应用

对于金刚石磨削工具,加工面接触面积大,工作压力低,要求加工精度高,磨削速度快,大都采用铁镍铜锡配方,改用FAM102加铜加锌(或锡),能够确保金刚石出刃高又不掉砂,从而获得更好的效果。如利用FAM102红硬性好的特点,制作干磨轮,成本低于青铜磨轮,寿命又高于青铜磨轮。

4 结论

(1)FAM代钴预合金粉末,在较高烧结温度和较高烧结压力下,自身蜂窝消失,可以获得高强度高硬度的烧结体,可以用于高耐磨性高安全性工具;

(2)FAM代钴预合金粉末,加入熔点较低的铁铜合金,可以加快自身蜂窝的消失,在较低温下形成高强度烧结体;

(3)FAM代钴预合金粉末,加锌可以获得锋利型胎体;

(4)FAM代钴预合金粉末,在液相烧结条件下,可以在较低温度下实现致密化烧结;

(5)FAM代钴预合金粉末,可以用于各类金刚石工具;

(6)按照目前情况产值倍增,明年的产值可达1.2亿元。然后发展速度调整为年度倍增,后年产值达到2.4亿元。

[1] 王秦生.金刚石烧结制品[M].北京:中国标准出版社,2000, 175-176.

[2] 刘一波,等.石材[J].2010(7):1-3.

[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,1999,235-239.

[4] 方啸虎,邓福铭,郑日升.现代超硬材料与制品[M].杭州:浙江大学出版社,2011.11.

[5] 宋月清,刘一波.超硬材料工具手册[M].北京:冶金工业出版社,2014.1.

富耐克立方氮仪硼产能规模大

在武陟县产业集聚区,有这样一家民营企业:它是超硬磨料立方氮化硼国家标准的起草单位,拥有河南省工程技术研究中心和立方氮化硼及制品院士工作站;它专注于立方氮化硼及制品技术创新,拥有专利技术200多项,产能规模全国第一,位列全球前十。

这家企业,就是河南富耐克超硬材料股份有限公司。据介绍,该公司主导产品为立方氮化硼(cBN)系列超硬磨料及超硬刀具,其产品广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、冶金、风电等行业的磨削和车削加工。

该公司在超硬磨削材料和超硬切削工具领域与多家世界五百强企业建立了长期稳定的合作关系,其产品远销日、美、韩、俄和欧洲等国家和地区。由该公司牵头建设的武陟县磨料磨具及超硬材料基地项目,总投资30亿元。据悉,该项目全部达产达效后,年可实现销售收入100亿元、利税10亿元,出口创汇12亿元以上,占全国市场份额的17%。届时,武陟将成为全国最大的磨料磨具、超硬材料、cBN刀具等系列产品研发、生产基地和物流集散中心。

(焦作日报)

Study of the Performance of FAM Cobalt Replacing Prealloy Powder under Liquid Sintering Condition

ZHENG Ri-sheng1,WAN Long2,ZENG Cheng-wen1,SONG Dong-dong2, TAN Jing1,LI Gui-rong1
(1.Hunan Forlong Advanced Materials Co.,Ltd,Liuyang,Hunan 410313,China; 2.Hunan university,Changsha 410082,China)

Systems of(1)FAM101,(2)FAM102,(3)FAM102+FeCu,(4)FAM101+Cu+ Zn,(5)FAM101+FeCu NiSn and(6)FAM102+FeCu NiSn+Cu+Zn etc have been studied through FAM design and its sintering curve experiment with low melting point metal and alloy.Sintering curve has been drawn through hot pressed sintering.Density,hardness,bending strength of the sintered compacts of different group of powders have been studied separately and the synergistic effect of the prealloy powders prepared by different techniques in the formula of diamond tool matrix has been discussed.

diamond tools;cobalt replacing prealloy powder;liquid sintering,FAM

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0007-06

2015-08-12

郑日升,男,工学博士,高级工程师。从事超硬材料行业工作30余年,撰写论文30余篇,出版专著1部(排名第三),主持省部级课题10项,获专利授权6项。现为湖南富栊新材料有限公司总经理。

郑日升,万隆,曾成文,等.FAM代钴预合金粉末在液相烧结条件下的性能研究[J].超硬材料工程,2015,27(4):7-12.