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铁镍纳米晶的性能及其在金刚石工具制造的应用

2018年01月31日09:35
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  一、引言
  
  铁镍纳米晶具有良好的烧结活性,其工艺性能和使用性能,取决于纳米多晶结构,纳米晶粒尺寸越细,烧结活性越高。为了让铁镍纳米晶在粉末冶金过程中充分发挥其特别功能,需要比较全面的系统研究和广大用户探索。铁镍纳米晶的氧含量对烧结温度和烧结密度的影响很大,只是和“常规”情况相反,氧含量越高,压制性越好,烧结密度越高,烧结温度越低,抗弯强度越高,硬度影响不大。对锋利度的影响不大,对耐磨性的影响很大,对压制性的影响很大。一个反常规的东西才可能是一个创新,它是纳米结构材料的性质使然。采用铁镍纳米晶与低熔点合金配合做配方可以在700℃左右安全性良好的耐磨胎体,可以更好调整金刚石工具的锋利度和耐磨性及工作恒稳性,它将改变金刚石制造的主流工艺,进一步提高中国金刚石工具的性价比。
  
  二、实验条件
  
  实验采用SM/3热压机烧结,烧结温度范围在600℃-840℃之间,保温4分钟,压力为20KN,研究铁镍纳米晶及其使用在配方中的胎体密度、硬度、抗弯强度随烧结温度变化规律。
  
  采用排水法测定胎体密度,采用HR-150DT洛氏硬度仪检测胎体硬度,使用标准为HRB,采用DKZ-5000型电动抗折试验机检测胎体抗折强度,跨距为28mm。
  
  铁镍纳米晶的粉末结构形貌如图1:
 
 
   
  Fe80Ni20纳米晶在还原过程中聚集成微米级的小颗粒。FAM1010的粒度峰值D50约35微米左右,SEM照片取到的是一个粉末表面的形貌,它说明这个大颗粒是由许多小颗粒在高温还原的过程中粘接聚集起来的。这样的结构,粉末的流动性和压制性肯定不错,烧结过程低熔点合金容易填充颗粒间的缝隙,从而形成性能均匀的胎体。FAM1021的形状更复杂,呈现出多种形状,主体粉末结构依然是细小颗粒粘接而成,宏观粒度尺寸亦小,但依然有很好的流动性,成形性能更好。烧结曲线实验表明,烧结温度比FAM1010低50℃,比单质铁粉低100℃左右。FAM1032宏观粒度尺寸细小,松装密度小,比表面积大,性能稳定,适合做高档工具和激光焊接过渡层。FAM1041铁镍锰硅磷合金,则能确保刀头形状和锋利度俱佳。
  
  考查不同型号铁镍纳米晶对烧结工艺的影响,采用的配方考虑了还原铁粉不超过35%时对工艺稳定性影响较小的实验经验,因而使用了超细铁粉。考查氧含量和锋利剂的影响使用的配方如下:
  
  配方g 25%FAM1000,12%电解铜粉,25%超细铁粉,32%还原铁粉,3%锡,3%FAM1041
  
  配方k 25%FAM1000,12%电解铜粉,25%超细铁粉,30%还原铁粉,3%锡,5%FAM1041
  
  三、实验结果与讨论
  
  3.1 不同氧含量对性能的影响
 
 
  
  还原前为10微米粒径的粉末,还原后不同氧含量的产品分为:FAM1020 0.5%,FAM1021  1.0% ,FAM1022  1.5%
  
  根据实验结果和客户的使用情况,FAM1022+Cu即可制造高耐磨性和长寿工具,并且锋利度很好。
  
  从烧结曲线看,FAM1022和我们早期的客户说是鸦片的SB-1的性能一致,硬度能做到高于110HRB,抗弯强度达到1600MPa以上,但不再有790-850℃的一个平台,说明铁镍纳米晶保留了,我们确实炸开了原来的蜂窝。烧结温度降低了,是纳米多晶存在的应用价值所在。这也是我们可以做低温烧结配方秘诀。相反,FAM1020氧含量低,几乎没有代钴功能,只比羰基铁粉之类的超细粉末强化胎体功能强一点,烧结温度和目前市场上流行的粉末倒是很匹配。这是TF20有一定市场空间的原因。FAM1021的性能接近FAM1022,说明氧含量大于1%后,氧含量的影响变得不敏感。
  
  3.2 FAM1020、FAM1021、FAM1022在同一配方中的表现
  
  图3 不同配方性能对比图
 
 
  
  在配方g中的表现,铁镍纳米晶的氧含量对烧结温度和烧结密度的影响很大,只是和“常规”情况相反,氧含量越高,压制性越好,烧结密度越高,烧结温度越低,抗弯强度越高,硬度影响不大。也就是说对锋利度的影响不大,对耐磨性的影响很大,对压制性的影响很大。一个反常规的东西才可能是一个创新,它是纳米结构材料的性质使然。
  
  3.3 粒度尺寸的影响
 
 
  
  图4 不同粒度尺寸性能影响对比图
  
  FAM1010、TF20还原前的粒度峰值是30微米,氧含量分别是1%和0.5%,FAM1020、FAM1021、FAM1022都是10微米。烧结曲线实验结果表明,我们常说的粗一点像镍,细一点像钴与实验结果一致。粒度细的硬度高一点,强度低一点,粒度越细,烧结温度越低。在这个配方体系,纳米多晶更容易和硅锰磷成形硬脆合金。
  
  3.4 FAM1041的用量影响
  
  图5 不同FAM1041的用量性能影响对比图
 
 
  
  FAM1041的用量对胎体性能的影响,反应极其敏感。增加一点FAM1041胎体立即变得硬脆。并且确实可以大大减少铜用量,阻止锡的流失,提高工艺稳定性,提高锋利度。它将是我们的产品走进千家万户的利器。
  
  3.5 低温烧结配方的研究
  
  选取量组有代表性的实验结果来讨论低温烧结配方的设计方法,用铁镍纳米晶和低熔点合金组合构成FAM3010,微调FAM3010配方添加锰合金形成FAM3012,两者都非常锋利,耐磨性则差别很大。
  
  FAM3010用到钻头等要求耐磨性好的工具中,提高锋利度而不影响耐磨性。FAM3012则是提高磨边轮锋利度及其胎体对金刚石的把持力的好材料。
  
  FAM3010的组成 FeCu25Ni14Sn2P2
  
  FAM3012的组成 FeCu30Ni12Sn4.5Mn2.4P2.5
  
  图6 低温烧结性能影响对比图
 
 
  
  从多次多组烧结曲线实验结果看,成分差别对胎体性能的影响大,但工艺稳定性,胎体性能稳定性非常好,这些优点都来自低温液相合金化更均匀,更稳定。通过调整配方成分,我们可以从FAM3012到FAM3010之间制造各种适合目前市场需求的胎体配方。烧结温度在720-780℃之间,并且具有很好的工艺性能和使用性能。
  
  3.6.铁镍纳米晶与雾化粉末配合使用
  
  用铁镍纳米晶FAM1022和含锡高铜熔点较低的雾化粉末制备两个通用配方lfgp和lfpt,它们的成分组成和基本性能如下。
  
  (1)lfgp
  
  成分组成Cu39Ni5Sn 4P 1Fe(余量)
  
  理论密度8.079  g /cm³
  
  松装密度2.7-2.9  g /cm³
  
  氧含量0.6- 0.8%
  
  (2)lfpt
  
  成分组成Cu27Ni5Sn 4P 1Fe(余量)
  
  理论密度7.861  g /cm³
  
  松装密度2.7-2.9  g /cm³
  
  氧含量0.6- 0.8%
  
  烧结曲线实验结果是,680℃时,lfgp和lfpt的烧结体就都可以获得
  
  图7 铁镍纳米晶与雾化粉末配合使用性能影响对比图
 
 
  
  100HRB左右的硬度,800MPa以上的抗弯强度,烧结温度达到800℃时,抗弯强度都能达到1100MPa以上,继续提高烧结温度,两者的硬度继续缓慢升高,lfpt的抗弯强度继续升高,但lfgp的抗弯强度开始缓慢下降。相对而言,lfgp会比lfpt更锋利。从它们的组成看,lfgp是一个中性配方,lfpt是一个耐磨型配方,都可以帮助单质粉配方提高硬度和强度,增强胎体对金刚石的把持力。适合于提高各类金刚石工具的综合性能。
  
  3.7.锋利型工具的开发
  
  铁镍纳米晶在较低温度条件下开始熔化,液相铁镍优先亲润金刚石表面,并且在胎体内部能够形成一个牢固的骨架,我们在制造自锐性胎体或使用粘结材料时就不会破坏胎体对金刚石的把持力,从而确保金刚石工具具有令人满意的吃入高度和使用寿命。
  
  FAM2020和FAM2021就是按照这个思路设计,得到了客户迅速认可和广泛使用。这里我们以两款可以用于磨边轮或者大刀头的配方供大家参考:
 
 
  
  烧结曲线实验结果如下。
 
 
  
  四、结论
  
  1、能够大幅度降低烧结温度才是纳米多晶,铁镍纳米晶能够在较低烧结温度条件下获得高强度金刚石工具胎体。
  
  2、FAM1022,保留了纳米颗粒间的氧化膜,阻止了纳米颗粒的长大,纳米特性最强,它可以在较低的温度下熔化亲润金刚石表面,提高胎体对金刚石的把持力,当铁镍纳米晶用量能够成为胎体中的骨架时,选用低熔点的粘结材料或脆性材料,即可用效调整胎体的耐磨性,而不影响胎体对金刚石的把持力。从而确保金刚石工具具有令人满意的吃入深度和使用寿命,使得配方体系变得更加简单,制造工艺变得更加稳定。
  
  3、铁镍纳米晶能够使微量元素的作用变得更敏感,同时又更稳定。FAM1041,即铁镍锰硅磷合金,可以保证自由烧结工具的尺寸只有厚度方向收缩,可以减少配方中铜的用量,从而大大降低金刚石工具制造成本。
  
  4、用铁镍纳米晶做配方时,只要考虑纳米结构的影响比氧含量及粒度的影响大多了,就能明白它对工艺稳定性的作用,选择烧结温度匹配的粘结剂即可做出性价比高的金刚石工具。
  
  5、目前本产品应用技术越来越成熟,应用面的范围也越来越广泛。但随着市场需求的变化,一个替代价位很高或较高的需求也越来越明显。本产品正是这类原料很好的替代品,相信它越来越会引起金刚石工具企业更多的关注。 
 
 
 

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