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        問題

        整體燒結金剛石鋸片熱裂紋分析及改善措施

        答案

        摘要:

         

            本文系統總結分析了單質及預合金粉末體系的金剛石燒結鋸片在生產過程中產生燒結裂紋的冶金及工藝因素,簡要闡述了鋸片裂紋與粉末質量、粒度搭配、混料均勻性、低熔點物料的作用特性、胎體組織均勻性及胎體物相冷卻收縮性等影響因素的關系,并提出了解決問題的措施。

         

        關鍵詞:金剛石燒結鋸片 燒結熱裂紋 影響因素 解決措施

         

        Analysis of heat crack in diamond saw blade and the related solving measures

         

        DONG Shushan1,LUAN Huisheng2,WANG Chengjun3,DONG Xiaolei4,QIAO Cuiya5

         

        (1.State key lab of superhard materials,Jilin University,Changchun 130012, China)

         

        (2.Haichuan diamond tool Co. Ltd.,Shijiazhuang 05000,China)

         

        (3.BOSUN tool Co. Ltd.,Shijiazhuang 05000,China)

         

        (4.XIAOMIFENG tool Co. Ltd.,Shijiazhuang 05000,China)

         

        (5.YAHAO new material and technology Co. Ltd.,Qinhuangdao 066200,China)

         

        Abstract:

         

          The metallurgical and process factors of heat crack in sintering diamond saw blade, which made by the mixture of pure element metal powder and the pre-alloyed metal powder, are systematically summarized and analyzed. The effect of the following factors, such as the quality of metal powders, metal particle size, mixing uniformity of metal powders, characteristics of low melting point metals, matrix uniformity and cooling shrinkage of matrix phase, etc. are elaborated, and thus the solving measures are put forward.

         

        Keywords: Diamond saw blade, Sintering heat crack, Effect factors, Solving measures

         

        一.前言

            金剛石鋸片廣泛應用于石材、陶瓷等的切割加工,種類繁多,按制備工藝的不同可劃分為燒結類和焊接類兩大系列制品。燒結鋸片是將粉冶坯體(刀頭)與鋼質基體冷壓為一體后在爐中加熱燒結制備而成,其結構型式、工藝裝備及刀頭的配方體系多種多樣,按齒型劃分為分齒式和連續齒式;燒結工藝有加壓燒結和無壓燒結;燒結裝備主要是鐘罩爐和隧道爐;刀頭配方體系分為單質金屬粉末和預合金粉末。在燒結類鋸片的實踐生產中,最常見的問題就是燒結裂紋,裂紋的出現不僅降低了成品率,增加了生產成本,而且嚴重影響了鋸片的安全及使用性能,是廣大生產廠家極為關注而又難于避免的問題,特別是對裂紋產生的原因缺乏足夠的認識,導致燒結裂紋在生產中反復出現,影響正常生產。針對這一問題,本文重點探討鋸片燒結裂紋的分類、產生原因及改善措施,以利于生產廠家借鑒改進。

         

        二.燒結裂紋的原因分析

        燒結裂紋基本可分為疏松開裂、夾渣開裂、脆性收縮開裂及應力開裂等幾大類。導致燒結開裂的因素眾多,主要與金屬粉末質量狀態、制備工藝及裝備有關。具體說來,燒結裂紋與粉末原材料質量(氧含量、雜質含量)、粒度搭配、投料量、粉末燒結收縮特性、混料均勻性、低熔點物料分布的均勻性、燒結工藝(升溫曲線、還原氣氛)、燒結模具狀態、爐溫均勻性、冷壓狀態(冷壓致密度)、冷壓模具狀態(齒根漏料)、混料機結構(決定混料均勻性及是否對樹枝狀電解銅粉造成破壞)、混料氧化、鋸片基體潔凈狀態(氧化及除油)、鍍銅層氧化、基體冷加工殘余應力大、潤濕劑(液體石蠟、機油質量差時,金剛石表面發黑)質量等眾多因素有關。而裂紋的產生,往往不是單一因素所致,而是上述眾多影響因素中的某一項起主導的誘因作用,從而引發系列因素共同作用,導致不同性質與形式的開裂。

         

        (一)單質金屬粉末體系

         

        1 粉末原材料質量的影響

         

        單質金屬粉末胎體燒結裂紋約50%以上是由于粉末質量差所引起的,尤其是與粉末的氧含量、雜質含量及粒度分布有關(尤其是鐵粉)。粉末顆粒表面氧化膜阻礙粉末顆粒界面間的結合,降低顆粒間的界面結合強度或界面間根本不結合(圖1);而且,氧化膜的存在會導致低熔點物料的嚴重偏析,致使燒結胎體組織局部區域因缺少低熔點物料而出現“疏松干裂”現象(圖2),導致胎體內部產生局部開裂,引發宏觀裂紋。胎體出現這種現象時,其對金剛石的潤濕性變差,與金剛石間的縫隙較大(圖3),對金剛石的把持力嚴重受限,導致鋸片的安全性及使用性均大幅度下降。粉末氧化的原因大致可歸結為: = 1 \* GB3 ①原始供貨狀態的氧含量高; = 2 \* GB3 ②儲存氧化; = 3 \* GB3 ③混料時間過長;燒結過程中還原氣量不足。

         

        圖1 氧化粉末顆粒間無界面結合      圖2 缺乏低熔點物料區域的開裂

         

          

         

        圖3 粉末氧化胎體對金剛石把持不足    圖4 氧化物夾雜多導致開裂

         

        燒結胎體中的氧化物夾雜按其分布形式可分為兩大類,一類是單顆粒散布狀態,此類夾雜對胎體質量的影響不大;另一類是吸附于金屬粉末顆粒表面的細顆粒,對燒結胎體質量及及金剛石把持力影響最大。表面吸附雜質影響金屬粉末顆粒間的界面結合,弱化結合強度,同時此類夾雜在低熔點液態物料在流動擴散過程中流經金屬粉末表面時,會將夾雜物集中沖洗至粉末界面結合空隙處,形成夾渣偏聚(圖4),冷卻收縮時易導致夾渣開裂。

         

        上述粉末氧化及夾渣開裂是實踐生產中最常見的裂紋形式,通常是由于還原還原鐵粉、磷鐵粉等氧化、夾渣造成的。

         

        2. 低熔點物料分布均勻性的影響

         

        燒結類金剛石鋸片胎體的組織性能在很大程度上取決于低熔點物料(主要是錫)的分布狀態及其在燒結過程中的動態潤濕及合金化、致密化行為。低熔點物料分布的均勻性與其自身的粒度、形狀有關,影響其在燒結前的混料均勻性。較粗的條棒狀錫粉及較細的顆粒聚集團都易導致燒結過程中的錫偏聚,易導致缺錫區域中高熔點物料(主要是鐵粉)粉末顆粒間界面結合強度差而形成的“干裂”(圖5);或富錫區域中因脆性化合物數量多而導致的收縮脆裂,常見于銅、錫含量較高的制品中,尤其是電解銅粉粗顆粒比例過多時,更易發生。

         

        圖5 缺錫區域的開裂                圖6 脆性物相收縮開裂

         

        3. 粗細粉末粒度搭配的影響

         

        現行的燒結鋸片基本為鐵基胎體,-200/-300目還原鐵粉為主要原材料,但由于供貨廠家眾多,質量差異較大,除用戶重點關注的氧含量及雜質含量外,其粒度分布對制品的影響也很大,尤其是粗顆粒的比例。粗顆粒偏多,往往會引起“架橋”孔洞數量偏多(圖7);同時當其與細顆粒的預合金粉末或-300目以細的鋅粉或羰基鐵/羰基鎳配合應用時,也易引起細顆粒粉末的燒結收縮裂紋(圖8)。這是由于細顆粒粉末的燒結活性好,燒結收縮能力強,而與之接鄰的粗顆粒粉末燒結收縮性較差,導致粗/細粉末顆粒間的燒結收縮不一致而在粗/細顆粒接觸界面區域中產生收縮裂紋(圖8)。

         

        圖7 粗顆粒架橋孔洞裂紋       圖8 細顆粒粉末偏聚收縮開裂

         

        4. 粉末燒結收縮性的影響

         

            鐵基胎體鋸片中鐵粉的比例較高,相應的燒結溫度也較高,其熱膨脹系數較銅/錫高,燒結后的冷卻收縮??;而銅、錫在燒結冷卻后的收縮量較鐵大,尤其是高溫長時間保溫后銅-錫間易形成粗大塊狀金屬間化合物,其冷卻收縮性更強,若鋸片出爐冷卻速度過快,則粗大塊狀金屬間化合物極易開裂,產生收縮斷裂(圖9),尤其是混料不均時,在銅/錫偏聚區域更易出現此類裂紋,特別是無壓燒結鋸片。另外,當粗顆粒的還原鐵粉與超細鐵粉、羰基鎳粉在一起混用,尤其是在潮濕環境下進行長時間混料時,亦易出現細顆粒粉末的偏聚,在燒結過程中粗/細粉末顆粒團間的冷卻收縮能力不同,二者間往往會出現結合界面分裂而導致裂紋(圖10)。

         

        圖9 銅-錫塊狀金屬間化合物開裂      圖10 粗/細粉末顆粒團界面開裂

         

        5. 投料準確性的影響

         

        配方體系理論密度計算不準確,投料量不足,在燒結過程中經常會引起疏松裂紋。這種現象常見于中小客戶的制品中,其往往按經驗而不是理論密度的準確計算配料,時常會出現此類裂紋(圖11),同時也會導致胎體疏松,對金剛石的把持力不足(圖12)。

         

        圖11 投料不足的胎體疏松裂紋     圖12 疏松胎體對金剛石把持力不足

         

        6. 混料均勻性的影響

         

            由于混料不均而導致鋸片開裂是生產中常見的現象,也是往往被容易被忽略且不易查找的開裂原因?;炝喜痪c混料裝置的結構型式、裝料量、粉末粒度搭配、混料時間、粉末吸潮量、潤濕劑的種類/添加量及質量等諸多因素有關。許多中小廠家采用自制的混料桶,加裝焊有短鋼棒/鋼片的攪拌軸,經長時間攪拌碰撞后,樹枝狀結構的銅粉枝杈中的球狀顆粒易被鋼棒/鋼片打散為單顆粒,樹枝狀結構遭到破壞,從而失去了調整混料均勻性的作用,同時也惡化了冷壓成型性。被打散的銅顆粒在潤濕劑的作用下極易團聚,在冷壓過程中會形成宏觀裂紋或隱藏于內部的暗裂紋,在燒結冷卻過程中形成熱裂紋。

         

        7. 低熔點物料分布的影響

         

            鋸片中的低熔點物料主要為錫和鋅,以錫為主。目前市場供應的錫粉和鋅粉中的球狀/類球狀顆粒數目較多,在混料過程中容易偏聚,尤其是細顆粒的球狀鋅粉,更易團聚偏析。錫粉的偏聚會導致缺錫區域的“干裂”及富錫區域的收縮脆裂。鋅粉的偏聚主要易導致兩類裂紋:一類是細顆粒氧化鋅粉堆聚造成的疏松孔洞開裂(圖13),另一類是未氧化鋅粉在加熱揮發受阻后在粉末界面空隙處形成絮狀氧化物結晶而導致的粉末顆粒團間的間隙開裂(圖14)。

         

        圖13 氧化鋅粉導致的孔洞開裂     圖14 絮狀揮發鋅造成的間隙開裂

         

        8. 燒結工藝裝備的影響

         

            在鐘罩爐中生產無壓燒結鋸片時,由于缺乏壓力作為燒結合金化的驅動力,上述各種性質的裂紋都會經常出現。此時,粉末的質量狀態、混料均勻性、粒度搭配、爐溫的均勻性及還原氣氛等因素影響較大。而在鐘罩爐中加壓生產鋸片時,除上述因素外,加熱溫度和壓力的配合及高溫保溫時間對裂紋的形成也有很大影響。在隧道爐中生產時,根據配方體系的特點,在處于自由燒結狀態下的各區段的保溫溫度及時間對是否產生裂紋影響較大。此外,鋼墊和石墨墊的質量狀態對裂紋的產生也有影響,使用時間長、表面氧化膜厚的鋼墊易導致開裂;而石墨墊的開裂傾向相對減少,但燒結致密度受限。

         

        9. 鋼質基體加工殘余應力的影響

         

            冷沖基體中存在較多加工殘余應力,在加熱燒結過程中殘余應力會隨溫度的升高而逐漸釋放,引發基體變形,當這種應力變形與其它各種不利因素相疊加時,也會引發燒結胎體的局部開裂,尤其是基體較薄的波紋鋸片,更易產生裂紋,通常沿鋸齒根部呈周向開裂。

         

        10. 潤濕劑的影響

         

            最常用的潤濕劑為無色透明的液態石蠟,也有廠家采用機油等。若石蠟/機油因含雜質而變色時,揮發后的殘留雜質會附著在金屬粉末顆粒表面,阻礙粉末顆粒間的燒結聯結,導致粉末間的燒結開裂;同時,也會導致

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