大直径硬质合金圆盘切刀烧结坯的变形控制.pdf
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1、第 38 卷第 1 期 Vol.38,No.12023 年 2 月 China Tungsten Industry Feb.2023 收稿日期:20230104 作者简介:仇 伟(1973),男,四川梓潼人,工程师,主要从事硬质合金的生产与销售。DOI:10.3969/j.issn.1009-0622.2023.01.009 大直径硬质合金圆盘切刀烧结坯的变形控制 仇 伟(厦门金鹭特种合金有限公司,福建 厦门 361021)摘 要:为了解决直径大、厚度小硬质合金圆盘切刀烧结坯椭圆变形和弯曲变形的问题,本研究探讨了压制料盒设计、石墨舟皿槽型设计、烧结涂料选择和涂刷方式等因素对烧结坯变形的影响。结
2、果表明,缩小料盒存料空间、增加进料面积、减小出料口面积的料盒设计能有效改善制粒料下料不均现象,进而改善产品的椭圆变形,外径椭圆变形值可降至 0.3 mm,内径椭圆变形值可降至 0.4 mm;通过石墨舟皿的槽型设计,增强烧结过程中烧结坯表面与炉内气氛的接触,有利于防止烧结坯的弯曲变形;采用惰性氧化物取代含碳有机物涂料对石墨烧结舟皿进行防黏处理,可使烧结坯弯曲变形值降至 0.1 mm;对石墨舟皿进行双面涂刷对烧结坯弯曲变形控制的效果优于单面涂刷。关键词:硬质合金;大直径;圆盘切刀烧结坯;碳气氛;变形控制 中图分类号:TF124;TG135.5 文献标识码:A 硬质合金圆盘切刀因具备分切质量好、加工
3、效率高等优点,被广泛应用于电磁钢板、锂电池极片、瓦楞纸、电工电讯、办公机械等行业 12。绿色低碳经济发展模式对金属板材精密分切加工技术提出了更高要求,锂电是目前和今后最重要的清洁新能源产品之一,其关键核心技术之一是其正负极片的分切,一旦出现毛刺极易导致正负极的接触而爆炸,所以对分切刀具精度要求非常高36。圆盘切刀坯的变形程度会影响成品刀的加工精度和加工效率,而大直径硬质合金圆盘切刀坯在烧结过程中极易发生变形,变形方式一般分为椭圆变形和弯曲变形78。尽管部分弯曲变形可以通过返烧进行矫正处理,但返烧不可避免地给硬质合金的组织结构和性能带来不利影响9。硬质合金产品变形主要与成形和烧结过程有关,主要的
4、变形因素有以下两个方面:一方面,单个产品中不同位置压坯密度不同,在烧结收缩过程中对应的实际收缩系数不一致,从而引起产品变形1011。另一方面,烧结过程中局部碳气氛差异会造成产品的各部分不能同时出现液相或液相量有差异,进而引起产品变形1517。除此之外,压坯在烧结过程中温度不均、烧结时支撑面是否处于水平、石墨舟皿的涂料状态等1819,也是影响硬质合金产品变形的因素。本研究的对象为大直径薄片产品,由于直径与厚度方向的尺寸差异过大,更易放大压坯密度不均的情况1214;大直径圆盘切刀坯产品比表面积大,与石墨舟皿接触面易获得碳补充而非接触面易失去碳,造成上下表面有较大含碳量差异,碳含量差异影响出现液相的
5、温度,导致产品收缩不同步引起弯曲变形。本研究从改善烧结坯密度均匀性以及碳含量差异入手,对料盒设计和石墨舟皿的槽型、涂料及涂料方式进行探讨,以降低大直径硬质合金圆盘切刀烧结坯的变形,提升产品合格率。1 试验部分 试验选用厦门金鹭特种合金有限公司生产的高结晶度亚微细 WC 粉末、Co 粉末为原料,成分配比为 85%WC15%Co,以外径 130 mm,内径 88 mm,高度 1.0 mm 圆盘切刀坯产品作为研究对象。试验用石墨舟皿均为国产高纯冷等静压石墨板(辽阳兴旺石墨制品有限公司),密度 1.85 g/cm3。第 1 期 仇 伟:大直径硬质合金圆盘切刀烧结坯的变形控制 59 压制设备选用伺服液压
6、机(中山市远大液压机械有限公司,FHP-300CNC 四柱液压机配自制浮动模架),送料方式为自动往复推料,压制方式为浮动同步双向压制。烧结设备选用国产脱蜡一体式低压烧结炉(湘潭新大粉末冶金技术有限公司),烧结工艺为 6 MPa 压力下 1 420 烧结 1 h。产品内外径使用数显游标卡尺测量(Mitutoyo,CD-P20MW,分辨率为 0.01 mm);弯曲变形程度使用标准塞尺测量(Mitutoyo,184 系列),产品弯曲一次合格率控制标准为0.15 mm(即厚度0.15 mm的塞尺通过则判定为不合格)。大直径硬质合金圆盘切刀毛坯制造工艺流程见图 1。图 1 大直径硬质合金圆盘切刀毛坯制造
7、工艺流程 Fig.1 Manufacturing process of large diameter carbide disc cutter blank 2 结果与讨论 2.1 压坯密度分布均匀性改善 试验采用往复推料的送料方式,其料盒填料原理是利用粉末的重力势能和上下粉末之间的挤压来下料。如图 2 所示,由于料斗和料管中待压制粉末的挤压,在送料管出口对应区域形成一个锥形的粉末高速流动区,当下料口经过模具型腔上方,高速流动区对应的下料量会大于其他区域。圆盘切刀坯高度方向尺寸小,水平方向尺寸大,所以粉末在压制过程中横向流动的阻力较大,下料量偏差极难在压制过程中通过粉末流动来消除,进而放大了下料不
8、均问题对压坯密度的影响效应。为了改善下料量偏差,本研究对传统料盒做了如下三个方向的改进:(1)如图 2(b)和 2(d)所示,新型料盒横向送料管数量从 2 根增加至 4 根,增加横向进料面积,使粉末高速流动区相互重叠,减少料腔内粉末流速差异;(2)如图 2(c)所示,新型料盒减小了料腔容积,增加了前后引流斜坡,将低速流动区粉料收拢至料管中粉末能挤压的位置,使整个料腔内粉末流速均匀且较快;(3)如图 3 所示,新型料盒的下料口面积更小,减少了往复送料时下料口附近的待压制粉料与压机面板的反复摩擦。(a)传统料盒侧面;(b)传统料盒正面;(c)新型料盒侧面;(d)新型料盒正面 图 2 料盒内部剖面图
9、 Fig.2 Internal structure of press feeding boxes 60 第 38 卷 (a)传统料盒;(b)新型料盒 图 3 压制料盒出口示意图 Fig.3 Schematic diagram of press feeding boxes outlet 使用新旧料盒所制备产品的椭圆变形值如图 4所示,从图 4 的内外径变形数据可以看出,料盒改善前后产品的椭圆变形得到明显改善,外径椭圆变形平均值从 0.8 mm 下降至 0.3 mm,内径椭圆变形平均值从 0.8 mm 下降至 0.4 mm,且内外径的椭圆波动值明显减小。2.2 碳气氛均匀性改善 真空烧结条件下,气
10、氛相对纯净,有害杂质易被带走。与此同时,在升温过程中,炉内碳气氛以及压坯中化合氧与碳反应产生的 CO 也会被抽走,从而破坏 MeO+C=Me+CO 的反应平衡,使反应更易正向进行15。大直径圆盘切刀坯产品比表面积大,在脱蜡阶段成形剂较易脱除使残碳少,且在以上化学反应平衡中更易失碳;同样因为比表面积大,与石墨舟皿接触面积也大,容易在石墨板上获得碳的补充,形成合金上下表面较大含碳量差异,进而影响出现液相的温度。根据 WC-Co 相图分析,在一定范围内,烧结体出现液相的温度随其含碳量的提 高而降低,因而在较低的温度下完成收缩20。因此,产品上下表面含碳量的差异会带来收缩的不同步,进而造成产品的弯曲变
11、形。2.2.1 石墨舟皿槽型设计 为减小烧结过程中烧结坯上下表面含碳量的差异,本研究从改变压坯与石墨板的接触面积、改变压坯下表面与炉气氛空间的连通两个方面进行研究。试验设计了五种石墨板槽型(AE),如图 5所示。方案 A 设计为直槽槽板,为现有批量生产方案,方案 B 设计为穿透的孔板,方案 C 设计为环形槽+穿透孔,方案 D 设计为环形槽+十字槽贯通板边缘,方案 E 设计为环形槽+米字槽贯通板边缘,试验所用舟皿涂料均为含碳有机物涂料。本研究采用塞尺来判断产品弯曲合格率,厚度0.15 mm 的塞尺可通过则判定为不合格,图 6 所示为方案 A方案 E 烧结弯曲合格率数据。从图 6 可以看出,合格率
12、最高的是方案 B 的穿透孔板,说明穿透孔利于减小弯曲变形;同为环形槽设计的 C、D、(a)外径;(b)内径 图 4 使用新旧料盒的产品椭圆变形值 Fig.4 Oval deformation value of products using traditional and new design boxes 第 1 期 仇 伟:大直径硬质合金圆盘切刀烧结坯的变形控制 61 (a)方案 A;(b)方案 B;(c)方案 C;(d)方案 D;(e)方案 E 图 5 石墨舟皿槽型设计方案 Fig.5 Design scheme for graphite boat tank type 图 6 石墨舟皿槽型设
13、计对烧结坯弯曲变形控制 合格率的影响 Fig.6 Effect of graphite tray groove design on the bending deformation control pass rate of the as-sintered products E 方案中,有穿透孔的 C 方案略有优势也能印证增强产品下表面与整个炉气氛空间连通的槽型设计方案有利于弯曲变形的改善,但是五组槽型方案的弯曲变形情况仍较差,不能满足工业生产的要求。另一方面,试验设计之初预计产品与石墨板接触面积越大,会使产品排气更不畅,且产品收缩所受摩擦力更大使得变形更差。从试验结果看,接触面积最大的 B 方案
14、合格率最高;D、E 方案比较,E 方案的接触面积更小,但两个方案的合格率皆为零,说明产品与石墨板的接触面积大小不是影响产品弯曲变形的主要因素。2.2.2 石墨舟皿涂料选择与涂刷方式 烧结舟皿涂料对碳的隔离能改变烧结过程中烧结坯上下面的碳势差。试验组选用现有批量生产方案 A,以含碳有机物为涂料,使用直槽石墨板;方案 F 在方案 A 基础上对石墨板背面进行涂刷,实现两面碳气氛相近;方案 G、H 改用惰性氧化物涂料,分别使用单面、双面涂刷,考虑涂刷方便等因素,改用石墨平板。具体对照方案如表 1 所示。表 1 石墨舟皿槽型、涂料类型与涂刷方式 Tab.1 Groove type,coating typ
15、e and brushing method of graphite boats 试验方案 槽型 涂刷方式 涂料类型 A 直槽 单面涂刷 含碳有机物 F 直槽 双面涂刷 含碳有机物 G 平板 单面涂刷 惰性氧化钨 H 平板 双面涂刷 惰性氧化钨 图 7 为 A、F、G 和 H 涂料方案的产品烧结弯曲合格率数据。从图 7 可以看出,改用惰性氧化物涂料的 G、H 方案产品合格率有了显著提高,合格率分别为 86.70%和 90.00%,基本满足批量工业生产的要求。A 和 F 方案、G 和 H 方案的对照结果表明了双面涂刷较单面涂刷产品弯曲合格率更高,碳气氛均匀性更好。图 8 是用标准塞尺标定的弯曲变形
16、数据,检测时使用厚度跨度 0.01 mm 的多个塞尺,当相邻两个等级的塞尺出现较薄塞尺通过而较厚塞 62 第 38 卷 图 7 石墨舟皿涂料方案对烧结坯弯曲变形控制 合格率的影响 Fig.7 Influence of graphite boat coating scheme on qualified rate of bending deformation control of sintered billet 尺不通过时,将较厚塞尺的厚度记录为此时的弯曲变形值。从图 8 数据可以看出,氧化物方案的变形量从原始方案的 0.25 mm 左右降至 0.1 mm 左右,弯曲变形有了明显改善。含碳有机物涂
17、料在进入高温时裂解残留较多游离碳,易被产品吸收,致使槽型设计不能根本解决碳气氛差异问题,而惰性氧化物涂料不但不会在高温阶段产生游离碳,而且能有效隔绝石墨板中碳对产品的影响,更利于产品上下表面含碳量的一致,改善效果较好。3 结 论 通过分析产品在压制、烧结过程的物理化学变化过程,结合大直径硬质合金圆盘切刀坯的形状特点,本研究通过改变压制料盒设计、石墨舟皿槽型设计、舟皿涂料选择及涂刷方式这三个方向探索烧结坯变形控制方法,得出如下结论:(1)缩小料盒存料空间、减小出料口面积、增加横向进料面积的新型料盒设计,能有效改善待压制粉末原料下料不均的问题,进而降低产品的椭圆变形,外径椭圆变形平均值可降至 0.
18、3 mm,内径椭圆变形平均值可降至 0.4 mm。(2)不同的石墨板槽型设计会影响产品的弯曲变形,其中增强产品下表面与整个炉气氛空间连通的设计有利于弯曲变形的改善。(3)石墨板涂料双面涂刷相较于单面涂刷,更利于产品弯曲变形的改善。使用含碳有机涂料时,(a)方案 A;(b)方案 F;(c)方案 G;(d)方案 H 图 8 石墨舟皿的涂料方案对烧结坯弯曲变形值的影响 Fig.8 Influence of coating scheme of graphite boat on bending deformation value of sintered blank 第 1 期 仇 伟:大直径硬质合金圆盘
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