預合金粉末的研究

1胎體粉末預合金化的應用在鉆石工具行業，傳統的手工方法是用單元素金屬粉末機械混合。混合顆粒的表面很厚，粉末表面很容易氧化，分解活性很低。這種方法獲得的胎體燒結溫度高,胎體成分不均勻,有時不能達到完全合金化。為克服上述缺點,提高金剛石工具胎體的性能,人們開始研究胎體粉末的預合金化問題。自從二十世紀九十年代提出預合金粉概念以來,預合金粉在金剛石工具制造業的應用越來越廣泛。目前,大多數金剛石鋸片、取芯鈷頭等產品制造過程中,除了純鈷外,均使用相當比例的預合金粉,預合金粉已占據金剛石刀頭(節塊)所用金屬粉市場的25%,其應用領域不斷拓寬。2預合金粉末燒結預合金粉末制造方法分為霧化法、濕法冶金法。預合金粉末高壓霧化法是按照設計好的胎體配比,在燒結之前預先將各種成分的金屬熔煉成合金,然后霧化噴粉,得到所需粒度的胎體粉末。霧化法可采用水霧化或氣體霧化,氣體霧化可用空氣、氮氣或氬氣等氣體。氣體霧化冷卻速度快、粉末晶粒細、粉末收得率高、成本低。濕法冶金方法是將金屬離子在水中溶解,合金中的不同元素金屬(如鈷,銅,鐵亞鹽溶液)按正確的比例混合于溶液中形成金屬鹽,然后沉淀經還原而獲得很細的金屬合金粉末。預合金粉末由于每個粉末顆粒都包含組成合金的各種金屬元素,因此預合金粉成分均勻性相當好。由于其共熔點比合金中單元素熔點要低得多,燒結過程中,只要溫度達到預合金粉末的液相線以上一點時,整個粘結金屬成分的粉末熔化,所以預合金粉末燒結溫度低。使用預合金粉末有以下顯著優點:1)大大提高金剛石工具使用性能。由于預合金粉比機械混合粉末元素分布均勻,從根本上避免了成份偏析,使胎體組織均勻、性能趨于一致;預合金粉合金化充分,使胎體具有高硬度和高沖擊強度,可大大提高燒結制品的抗壓、抗彎強度,提高對金剛石的把持力,增加金剛石工具的鋒利度,延長工具的使用壽命。2)明顯降低金剛石工具成本。由于預先合金化大大降低了燒結過程中金屬原子的擴散所需的激活能,燒結性能好,燒結溫度低,燒結時間縮短,這樣一方面有利于避免金剛石高溫損傷,另一方面可降低石墨模具用量與電能消耗;在切割性能相同的情況下,使用預合金粉可降低金剛石濃度15%一20%,明顯降低金剛石工具成本。3)便于產品質量控制。由于預合金粉各元素成分固定,從根本上避免了配混料過程中各種問題的產生,為產品質量的穩定提供了條件。3預合金粉生產國外主要有法國Eurotungstene、德國Dr.Fritsch、比利時Umicore公司生產預合金粉,并以優異性能廣泛應用于鋸片鉆頭生產。3.1階段內的預合金粉末自1997年Eurotungstene開發出NEXT預合金粉末以來,Eurotungstene不斷拓寬NEXT預合金粉范圍,相繼推出NEXT100、NEXT200、NEXT300、NEXT900。NEXT系列是金剛石工具用代鈷亞微米級預合金粉末。NEXT系列預合金粉末主要性能如表1。據報道,2005年Eurotungstene又推出Keen系列預合金粉,主要提高了胎體的韌性,使胎體硬度和韌性有更好地匹配,在胎體硬度增加時其韌性不變。Keen系列預合金粉主要用于制造切割混凝土、瀝青和硬度高磨蝕性強的石材如花崗巖的鋸片和繩鋸。Keen系列預合金粉分為Keen10、Keen20,其主要性能見表2。3.2使用diabase一v1的必要性DrFritschDiabase系列預合金胎體粉末主要有V15、V18、V21。Diabase一V21是在Diabase一V18預合金粉基礎上研究開發的,它具有更高的延展性,且沖擊強度提高了近一倍。Diabase一V21主要用作切割和鉆切花崗巖及混凝土工具的胎體材料,實際使用過程中可單獨使用也可添加一些適于特殊使用要求的元素混合使用,Diabase一V21亦具有良好的激光焊接性。Diabase系列預合金胎體粉末主要性能指標如表3。3.3cobalitecnf激光燒結特點為滿足金剛石工具高性能建筑應用需求,Umicore公司采用濕法冶金工藝,在Cobalite601基礎上研發出CobaliteHDR和CobaliteCNF預合金粉。CobaliteHDR(Co27%,Cu7%,Fe66%)是一種快速切割狀態下對金剛石具有極好把持力的高硬度、高韌性、高耐磨性的鐵基粘結劑,具有良好的激光焊接性。CobaliteHDR由于銅含量較低,通常不推薦無壓燒結。無鈷鎳預合金粉CobaliteCNFCobaliteCNF由于不含Co、Ni,所以在675℃低溫下即可燒結,是當前預合金粉末燒結溫度最低的一種,具有優異的無壓燒結性能,這就克服了鈷粉在燒結(尤其是無壓燒結)時溫度非常高的缺點。CobaliteCNF采用錫固溶強化,同時加入鎢減少金屬間化合物的形成并克服添加錫的負面影響,利用氧化物(Y2O3)彌散強化提高強化效果,因此燒結后的胎體具有較高的硬度和足夠的韌性。Cobalite系列預合金胎體粉末主要性能指標如表4。4國家火車公司開展的工作我國上海材料所、北京人工晶體所、長沙冶金材料所與中南工大粉冶所、有研粉末新材料有限公司、安泰科技股份有限公司、中國地質大學工程學院等在這方面開展了工作。其中有研粉末新材料有限公司采用濕法冶金方法推出YHJ系列預合金粉,安泰科技股份有限公司采用高壓水霧化法制取Follow系列預合金粉,已形成規模化工業生產,可批量供應。4.1yhj-2超細預合金粉末燒結特性有研粉末新材料有限公司采用濕法冶金方法推出的預合金粉分為YHJ-1、YHJ-2。YHJ-1超細預合金粉末呈多孔團聚狀,平均顆粒直徑為6-9微米,比表面積高,粉末活性大,較低的燒結溫度即可獲得高的燒結硬度。熱壓燒結溫度750-900℃時,硬度可達HRB95-108。高的活性燒結特性同樣有利于無壓燒結,可代替金剛石切削工具中常用的鈷粉。YHJ-2超細預合金粉末含稀土、不含鈷鎳,平均顆粒直徑為5-7微米,粉末顆粒細小,粉末燒結活性大,燒結溫度750～880℃即可達到高的胎體硬度。燒結溫度750～850℃時產生最佳性質:密度-98%,硬度94-108HRB,具有適應性廣、成本較低的特點。YHJ系列預合金胎體粉末主要性能指標如表5。4.2胎體及預合金粉末的制備安泰科技股份有限公司采用高壓水霧化快冷技術,制取Follow系列預合金胎體粉末,該預合金粉末呈不規則狀,壓制性能好,成分均勻,燒結溫度低。Follow系列預合金胎體粉末主要性能指標如表6。5可快速燒結生產眾所周知,Eurotungstone公司的NEXT及其預混合粉末已經用作所有金剛石工具產品的結合劑。其中NEXT300(Co25%、Fe72%、Cu3%)具有低含銅量,高延展性和高沖擊強度,熱壓燒結溫度較低(750℃),激光焊接后具有更好的抗彎強度,既可以作為激光焊接金剛石干切工具的胎體材料,也可以作為過渡層材料,專用于激光焊接干切工具。NEXT900主要成分為Fe、Cu,屬低鈷含量預合金粉,在干切割及石材拋光方面具有尤其優異的性能,非常適合與傳統添加物混合使用。Dr.M.Bonneau等研究了NEXT粉末在無壓燒結時的行為和在繩鋸生產中的應用。在繩鋸生產中應用無壓燒結+熱等靜壓燒結工藝,采用經過制粒的NEXT粉末作為生產串珠的原材料。在200MPa的壓力下,雙向壓制成生坯環,其尺寸為:內徑8.56mm,外徑12.98mm。試樣放在鋁盤里作無壓燒結,整個燒結過程在氫氣保護的馬弗爐內完成,升溫速度保持150℃/h直至燒成溫度,在燒成溫度保溫1h。由于NEXT可快速燒結,在較低的溫度下,它比傳統結合劑所得的密度要大,這可簡化生產過程、降低生產成本。Diabase—V21主要用作切割和鉆切花崗巖及混凝土工具的胎體材料,實際使用過程中可單獨使用也可添加一些適于特殊使用要求的元素混合使用,Diabase—V21亦具有良好的激光焊接性。CobaliteHDR主要用于高性能建筑應用,如地板鋸切、墻鋸和鋼筋混凝土及瀝青的取芯鉆,以代替傳統的含WC的鈷基粘結劑。用CobaliteHDR作胎體制造的高性能金剛石工具可在保證工具壽命前提下快速切割、磨削和鉆切鋼筋混凝土及瀝青。ClarkIEKamphuisBJ分別用純CobaliteHDR和工業標準成分制成的直徑400mm金剛石鋸片進行了濕切割鋼筋混凝土B35的試驗,結果顯示,相對工業標準成分制成的鋸片,CobaliteHDR鋸片壽命提高了40%,切割速度提高了50%。安泰科技股份有限公司徐浩翔等用Follow系列預合金粉末制成的金剛石鋸片,切割性能優異,可切中硬花崗巖品板500m2,中硬花崗巖荒料250m2以上,試驗對比見表7。北京有色金屬研究總院宋月清等采用TT15#預合金粉末制備的?1600金剛石鋸片在福建南安獲得了較好的效果,切割635#花崗巖速度1m2/hr、壽命為285m2/片,切割過程中發現,與普通鋸片相比,切割阻力小,金剛石出露高,幾乎沒有金剛石脫落,板材切割平整度好,在工作層高度8mm情況下,達到了普通鋸片工作層高度10mm普通鋸片的水平;在山東威海某石材廠切割380#花崗巖,速度1.5m2/hr、壽命為281m2/片,壽命與其他鋸片持平,但速度提高了30～40%。中國地質大學工程學院張紹和等已生產過幾百個預合金粉末胎體鉆頭,在全國許多地方進行過使用,使用結果均比較理想,例如:(1)鞍山某單位鉆進硬脆碎巖層,使用預合金粉末胎體鉆頭,鉆頭平均壽命為41.1米,平均時效為2.04米/小時,分別比其他單位鉆頭平均壽命的20米提高了105.5%,平均時效提高了45.7%。(2)華東某單位在鉆進流紋巖中,使用單粉配制的非預合金粉末胎體鉆頭的平均壽命為30.5米,平均時效為1.8為小時;而使用預合金粉末胎體鉆頭,其平均壽命為60.7米,平均時效為2.6為小時,分別提高了99%和45%。(3)成都某水電院在鉆進砂卵石層中,使用非預合金粉末胎體鉆頭鉆進的平均壽命為25米,平均時效為1.6為小時;而使用預合金粉末胎體鉆頭,其平均壽命為50米,平均時效為2.3為小時,分別提高了100%和43.8%。四川惠利公司、廣州晶體公司采用預合金粉末,使鋸片的鋒利度明顯提高,滿足了國外市場的需要。6預合金粉在金剛石工具領域的應用前景綜上所述,目前預合金粉產品在國內外已經商品化,基本可以滿足各種應用需求,其應用范圍不斷擴大,都取得了較好的效果。利用預合金粉的低熔點和成分均勻性,調整和控制金剛石工具的胎體性能,具有巨大的應用