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    整体烧结金刚石锯片热裂纹分析及改善措施

    答案

    摘要:

     

        本文系统总结分析了单质及预合金雷电竞raybet体系的金刚石烧结锯片在生产过程中产生烧结裂纹的冶金及工艺因素,简要阐述了锯片裂纹与雷电竞raybet质量、粒度搭配、混料均匀性、低熔点物料的作用特性、胎体组织均匀性及胎体物相冷却收缩性等影响因素的关系,并提出了解决问题的措施。

     

    关键词:金刚石烧结锯片 烧结热裂纹 影响因素 解决措施

     

    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

        金刚石锯片广泛应用于石材、陶瓷等的切割加工,种类繁多,按制备工艺的不同可划分为烧结类和焊接类两大系列制品。烧结锯片是将粉冶坯体(刀头)与钢质基体冷压为一体后在炉中加热烧结制备而成,其结构型式、工艺装备及刀头的配方体系多种多样,按齿型划分为分齿式和连续齿式;烧结工艺有加压烧结和无压烧结;烧结装备主要是钟罩炉和隧道炉;刀头配方体系分为单质金属雷电竞raybet和预合金雷电竞raybet。在烧结类锯片的实践生产中,最常见的问题就是烧结裂纹,裂纹的出现不仅降低了成品率,增加了生产成本,而且严重影响了锯片的安全及使用性能,是广大生产厂家极为关注而又难于避免的问题,特别是对裂纹产生的原因缺乏足够的认识,导致烧结裂纹在生产中反复出现,影响正常生产。针对这一问题,本文重点探讨锯片烧结裂纹的分类、产生原因及改善措施,以利于生产厂家借鉴改进。

     

    二.烧结裂纹的原因分析

    烧结裂纹基本可分为疏松开裂、夹渣开裂、脆性收缩开裂及应力开裂等几大类。导致烧结开裂的因素众多,主要与金属雷电竞raybet质量状态、制备工艺及装备有关。具体说来,烧结裂纹与雷电竞raybet原材料质量(氧含量、杂质含量)、粒度搭配、投料量、雷电竞raybet烧结收缩特性、混料均匀性、低熔点物料分布的均匀性、烧结工艺(升温曲线、还原气氛)、烧结模具状态、炉温均匀性、冷压状态(冷压致密度)、冷压模具状态(齿根漏料)、混料机结构(决定混料均匀性及是否对树枝状电解铜粉造成破坏)、混料氧化、锯片基体洁净状态(氧化及除油)、镀铜层氧化、基体冷加工残余应力大、润湿剂(液体石蜡、机油质量差时,金刚石表面发黑)质量等众多因素有关。而裂纹的产生,往往不是单一因素所致,而是上述众多影响因素中的某一项起主导的诱因作用,从而引发系列因素共同作用,导致不同性质与形式的开裂。

     

    (一)单质金属雷电竞raybet体系

     

    1 雷电竞raybet原材料质量的影响

     

    单质金属雷电竞raybet胎体烧结裂纹约50%以上是由于雷电竞raybet质量差所引起的,尤其是与雷电竞raybet的氧含量、杂质含量及粒度分布有关(尤其是铁粉)。雷电竞raybet颗粒表面氧化膜阻碍雷电竞raybet颗粒界面间的结合,降低颗粒间的界面结合强度或界面间根本不结合(图1);而且,氧化膜的存在会导致低熔点物料的严重偏析,致使烧结胎体组织局部区域因缺少低熔点物料而出现“疏松干裂”现象(图2),导致胎体内部产生局部开裂,引发宏观裂纹。胎体出现这种现象时,其对金刚石的润湿性变差,与金刚石间的缝隙较大(图3),对金刚石的把持力严重受限,导致锯片的安全性及使用性均大幅度下降。雷电竞raybet氧化的原因大致可归结为: = 1 \* GB3 ①原始供货状态的氧含量高; = 2 \* GB3 ②储存氧化; = 3 \* GB3 ③混料时间过长;烧结过程中还原气量不足。

     

    图1 氧化雷电竞raybet颗粒间无界面结合      图2 缺乏低熔点物料区域的开裂

     

      

     

    图3 雷电竞raybet氧化胎体对金刚石把持不足    图4 氧化物夹杂多导致开裂

     

    烧结胎体中的氧化物夹杂按其分布形式可分为两大类,一类是单颗粒散布状态,此类夹杂对胎体质量的影响不大;另一类是吸附于金属雷电竞raybet颗粒表面的细颗粒,对烧结胎体质量及及金刚石把持力影响最大。表面吸附杂质影响金属雷电竞raybet颗粒间的界面结合,弱化结合强度,同时此类夹杂在低熔点液态物料在流动扩散过程中流经金属雷电竞raybet表面时,会将夹杂物集中冲洗至雷电竞raybet界面结合空隙处,形成夹渣偏聚(图4),冷却收缩时易导致夹渣开裂。

     

    上述雷电竞raybet氧化及夹渣开裂是实践生产中最常见的裂纹形式,通常是由于还原还原铁粉、磷铁粉等氧化、夹渣造成的。

     

    2. 低熔点物料分布均匀性的影响

     

    烧结类金刚石锯片胎体的组织性能在很大程度上取决于低熔点物料(主要是锡)的分布状态及其在烧结过程中的动态润湿及合金化、致密化行为。低熔点物料分布的均匀性与其自身的粒度、形状有关,影响其在烧结前的混料均匀性。较粗的条棒状锡粉及较细的颗粒聚集团都易导致烧结过程中的锡偏聚,易导致缺锡区域中高熔点物料(主要是铁粉)雷电竞raybet颗粒间界面结合强度差而形成的“干裂”(图5);或富锡区域中因脆性化合物数量多而导致的收缩脆裂,常见于铜、锡含量较高的制品中,尤其是电解铜粉粗颗粒比例过多时,更易发生。

     

    图5 缺锡区域的开裂                图6 脆性物相收缩开裂

     

    3. 粗细雷电竞raybet粒度搭配的影响

     

    现行的烧结锯片基本为铁基胎体,-200/-300目还原铁粉为主要原材料,但由于供货厂家众多,质量差异较大,除用户重点关注的氧含量及杂质含量外,其粒度分布对制品的影响也很大,尤其是粗颗粒的比例。粗颗粒偏多,往往会引起“架桥”孔洞数量偏多(图7);同时当其与细颗粒的预合金雷电竞raybet或-300目以细的锌粉或羰基铁/羰基镍配合应用时,也易引起细颗粒雷电竞raybet的烧结收缩裂纹(图8)。这是由于细颗粒雷电竞raybet的烧结活性好,烧结收缩能力强,而与之接邻的粗颗粒雷电竞raybet烧结收缩性较差,导致粗/细雷电竞raybet颗粒间的烧结收缩不一致而在粗/细颗粒接触界面区域中产生收缩裂纹(图8)。

     

    图7 粗颗粒架桥孔洞裂纹       图8 细颗粒雷电竞raybet偏聚收缩开裂

     

    4. 雷电竞raybet烧结收缩性的影响

     

        铁基胎体锯片中铁粉的比例较高,相应的烧结温度也较高,其热膨胀系数较铜/锡高,烧结后的冷却收缩小;而铜、锡在烧结冷却后的收缩量较铁大,尤其是高温长时间保温后铜-锡间易形成粗大块状金属间化合物,其冷却收缩性更强,若锯片出炉冷却速度过快,则粗大块状金属间化合物极易开裂,产生收缩断裂(图9),尤其是混料不均时,在铜/锡偏聚区域更易出现此类裂纹,特别是无压烧结锯片。另外,当粗颗粒的还原铁粉与超细铁粉、羰基镍粉在一起混用,尤其是在潮湿环境下进行长时间混料时,亦易出现细颗粒雷电竞raybet的偏聚,在烧结过程中粗/细雷电竞raybet颗粒团间的冷却收缩能力不同,二者间往往会出现结合界面分裂而导致裂纹(图10)。

     

    图9 铜-锡块状金属间化合物开裂      图10 粗/细雷电竞raybet颗粒团界面开裂

     

    5. 投料准确性的影响

     

    配方体系理论密度计算不准确,投料量不足,在烧结过程中经常会引起疏松裂纹。这种现象常见于中小客户的制品中,其往往按经验而不是理论密度的准确计算配料,时常会出现此类裂纹(图11),同时也会导致胎体疏松,对金刚石的把持力不足(图12)。

     

    图11 投料不足的胎体疏松裂纹     图12 疏松胎体对金刚石把持力不足

     

    6. 混料均匀性的影响

     

        由于混料不均而导致锯片开裂是生产中常见的现象,也是往往被容易被忽略且不易查找的开裂原因。混料不均与混料装置的结构型式、装料量、雷电竞raybet粒度搭配、混料时间、雷电竞raybet吸潮量、润湿剂的种类/添加量及质量等诸多因素有关。许多中小厂家采用自制的混料桶,加装焊有短钢棒/钢片的搅拌轴,经长时间搅拌碰撞后,树枝状结构的铜粉枝杈中的球状颗粒易被钢棒/钢片打散为单颗粒,树枝状结构遭到破坏,从而失去了调整混料均匀性的作用,同时也恶化了冷压成型性。被打散的铜颗粒在润湿剂的作用下极易团聚,在冷压过程中会形成宏观裂纹或隐藏于内部的暗裂纹,在烧结冷却过程中形成热裂纹。

     

    7. 低熔点物料分布的影响

     

        锯片中的低熔点物料主要为锡和锌,以锡为主。目前市场供应的锡粉和锌粉中的球状/类球状颗粒数目较多,在混料过程中容易偏聚,尤其是细颗粒的球状锌粉,更易团聚偏析。锡粉的偏聚会导致缺锡区域的“干裂”及富锡区域的收缩脆裂。锌粉的偏聚主要易导致两类裂纹:一类是细颗粒氧化锌粉堆聚造成的疏松孔洞开裂(图13),另一类是未氧化锌粉在加热挥发受阻后在雷电竞raybet界面空隙处形成絮状氧化物结晶而导致的雷电竞raybet颗粒团间的间隙开裂(图14)。

     

    图13 氧化锌粉导致的孔洞开裂     图14 絮状挥发锌造成的间隙开裂

     

    8. 烧结工艺装备的影响

     

        在钟罩炉中生产无压烧结锯片时,由于缺乏压力作为烧结合金化的驱动力,上述各种性质的裂纹都会经常出现。此时,雷电竞raybet的质量状态、混料均匀性、粒度搭配、炉温的均匀性及还原气氛等因素影响较大。而在钟罩炉中加压生产锯片时,除上述因素外,加热温度和压力的配合及高温保温时间对裂纹的形成也有很大影响。在隧道炉中生产时,根据配方体系的特点,在处于自由烧结状态下的各区段的保温温度及时间对是否产生裂纹影响较大。此外,钢垫和石墨垫的质量状态对裂纹的产生也有影响,使用时间长、表面氧化膜厚的钢垫易导致开裂;而石墨垫的开裂倾向相对减少,但烧结致密度受限。

     

    9. 钢质基体加工残余应力的影响

     

        冷冲基体中存在较多加工残余应力,在加热烧结过程中残余应力会随温度的升高而逐渐释放,引发基体变形,当这种应力变形与其它各种不利因素相叠加时,也会引发烧结胎体的局部开裂,尤其是基体较薄的波纹锯片,更易产生裂纹,通常沿锯齿根部呈周向开裂。

     

    10. 润湿剂的影响

     

        最常用的润湿剂为无色透明的液态石蜡,也有厂家采用机油等。若石蜡/机油因含杂质而变色时,挥发后的残留杂质会附着在金属雷电竞raybet颗粒表面,阻碍雷电竞raybet颗粒间的烧结联结,导致雷电竞raybet间的烧结开裂;同时,也会导致