1、热压石墨模具损坏原因和对策 杨志彦 -15831132120 一、前言 石墨以其良好的物理和化学性能成为金刚石工具制造中,热压模具制作的首选材料。 做为热压模具所具有的优良特性:1.优良的导热及导电性能 2.线膨胀系数低等很好的热稳定性能及抗加热冲击性3.耐化学腐蚀与多数金属不易发生反应4.在高温下(在多数铜基胎体烧结温度800以上)强度随温度升高而增大。5.具有良好的润滑和抗磨性,6.易于加工,机械加工性能好,可以制作成形状复杂、精度高的热压模具。鉴于以上特性,石墨材料一直在金刚石烧结模具中被广泛的使用着。 但是,石墨模具的使用次数少、寿命短,一直困扰着金刚石工具制造企业。如G4石墨制作的模
2、具,在烧结铁基含碳化钨的胎体粉时;压头的使用次数为 2-4 次。使用寿命的长短直接影响着企业的生产效率、生产成本和产品质量;因此,提高石墨模具的使用寿命是金刚石工具生产企业十分关心的问题。 二、石墨模具损坏的成因 热压烧结有两种模式,电阻加热方式和中频感应加热。北方金刚石工具生产企业多用电阻加热方式进行热压烧结,我们知道电阻加热方式烧结时外层模具温度低,刀头及内层模具温度高。温度分布不匀决定了模具损坏的先后部位。 现以金刚石锯片及磨轮烧结时用的模具为例,并结合本人现场实际试验和经验,分析石墨模具损坏分为一下几类。 1.表面氧化及裂纹 由于热压烧结时没有还原气氛保护,石墨直接与空气接触;高温工况
3、下不可避免的会产生表面氧化现象,温度越高氧化速度越快;随着氧化的进行石墨模具的碳元素被逐渐消耗掉,只留下部分炭和灰分,实际生产现场可以发现在石墨模具在使用一段时间后表面会产生细孔及炭粉灰脱落。2.压溃 石墨模具直接与含金刚石的胎体粉接触,接触面为高压状态,裸露的金刚石与石墨模具挤压,由于硬度相差太大;与金刚石刀头接触的模具面会产生凹坑。3.压裂 此种损坏方式是因为,装金刚石刀头的侧板装卡不紧,导致压头上的压力降不平衡,产生侧向的剪切力。4.石墨模具磨损尺寸超差 部分胎体粉在熔融状态下将以薄膜状被挤压到模具表面与石墨材料发生粘附,在下次使用模具前必须将粘附金属残留物人工刮除,这就导致了模具形状和
4、尺寸超差。 5.敲打损坏型 由于烧结时,胎体粉在熔融状态浸润进入石墨模具的氧化空隙,造成刀头和模具粘连,脱模困难;只有反复敲打模具才能脱模,这样导致模具缺边掉角和金属坑。 生产中,这几种在损坏类型并不单独存在,而是相互作用,最后以一种表现形式集中体现出来,需要生产工程师根据实际状况分析。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 三、提高石墨模具寿命的对策 针对以上几种损坏方式,本人根据现场实践提出以下几种对策。 1.石墨材料的氧化是热压模具损坏的首要原因,因此抗氧化性能直接影响着石墨模具的使用寿命。 不同的石墨材料的氧化开始温度是不同的,普通的热压用石墨模具的氧化温度
5、在450左右。石墨材料的氧化过程与氧化气体的扩散速度有关,氧化速度受控于氧化气体的扩散率。因此模具的杂质含量越小越好,材料杂质中的金属元素,对石墨的氧化起催化作用;石墨中的灰分越少、材料的气孔率越低越好,特别是开孔气孔率。市场上石墨制品目前包括电化石墨和焙烧炭石墨制品,热压用模具一般采用焙烧石墨制品。焙烧石墨的开孔率与焙烧次数由关,焙烧次数越多,开孔率越低,体密度越高。建议采用三浸四焙的石墨制品,这种石墨模具性价比较高。另外,胎体粉的烧结湿度也是影响模具氧化速度的一个关键因素;工具的用途决定了胎体粉的成分,是不能改变的,但是胎体粉中的一些成型剂和造粒剂,它们是丙酮等有机物,热压时在300到40
6、0的排烟时间产生液滴和有机蒸汽;这些有机液滴和蒸汽,对石墨有着很强的溶解能力,蒸汽和液滴溶解了石墨模具中的炭,在模具表面的灰分脱落产生凹坑和孔洞,造成模具的损坏失效。因此,降低胎体粉中的成型剂等有机物的含量对增加模具寿命有着至关重要的作用,另外对胎体的相对密度和强度影响也很大。 2.石墨模具的压溃是热压烧结过程中经常见到的一种模具损坏方式。 这种损坏方式与石墨材料的抗压强度有直接关系。 石墨模具一般由抗压强度 Se 抗折强度 Sb 和抗拉强度 St 来表征机械性能。三者的比例为St/Sb=0.47-0.68,Se/Sb=1.61-2.9;我们习惯用抗压强度 Se表示;它具有明显的各向异性,并且
7、与石墨材料的体密度密切相关,体密度越大,抗压强度越大;成近似线性增长关系,一般体密度在1.6g/cm3以上的石墨其Se不低于20MPa,三浸四焙的石墨可大45 MPa以上。因此,选用体密度大的石墨材料制作热压模具,是解决模具抗压强度低、易压溃的明智之选。 热压工艺的参数也模具压溃的因素之一,影响着石墨模具的使用寿命。例如排烟时的压力大小不合适等,极易造成模具的压碎。建议根据模具的强度情况适量的调整热压工艺参数,增加模具使用次数,降低产品的生产成本。 3. 石墨模具的压裂,与热压模具卡紧不牢,压力降不匀有关。由于热压烧结工人的业务水平和职业道德参差不齐,装模水平差距较大;建议每月定期培训工人装模
8、注意事项,将模具费用乘系数考核进工人工资。 另外,模具的压裂损坏还与石墨材料的电阻率有关。模具的电阻率同时也表征材料的石墨化程度,与热导率成一定比例关系,电阻率越低热导率越高;升温越快;因为石墨材料的强度随温度的升高而增强,1000时石墨的强度比室温约增加20%,所以选用电阻率低的石墨材料,热压时间短升温快;与刀头接触的石墨模具强度很快升高,不容易产生压裂现象。同时热压烧结时间缩短,节约烧结成本;氧化时间减少,氧化损坏率下降,模具使用次数增加。 4.石墨模具的磨损造成尺寸超差, 这种损坏方式是由于模具本身的制作工艺和烧结工艺造成的。 模具制作宜采用磨削的方式加工,提高模具表面的光洁度,降低金属
9、熔液与石墨的粘连程度。 胎体粉的成分也是造成金属薄膜与石墨粘连的因素之一。由于铁是强脱碳剂;如果胎体是铁基的,在胎体和模具之间会发生强烈的反应和溶解现象,产生胎体熔液和石墨粘连,损坏石墨模具。 建议在烧结铁基胎体时,在刀头和模具表面刷强效的脱模剂,减少在卸模时的模具粘连现象,降低损坏程度,提高模具的使用寿命。 5.敲打损坏,这种损坏类型多为设计不合理,脱模不方便;和模具抗热震性能不强导致的。 材料的抗热震能力,常用其抗热震能力因数F来表征: PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 F= /P 式中,-抗张强度,热膨胀系数,K-热导率 E-杨氏模量, C-比热 ,P-体密度 由上式可以看出,热导率越高,抗热震性能越好; 热膨胀系数越小,抗震性能越好; 抗张强度越高,抗震性能越好。以上三个参数调整到最佳,则材料的热冲击性能大大提高,材料的热稳定性就高。 详细镜像图片和参数表格,由于时间和篇幅不在此列出。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建