不斷完善預合金粉末的性能,滿足金剛石工具的應用(下)①

姜榮超,鄭日升

(湖南伏龍江超硬材料有限公司,湖南長沙410205)

為此歐泰克金剛石工具公司采用圖9a所示的還原爐對冷壓后生坯刀頭還原,新途金剛石工具公司則采用圖9b型還原爐還原[12、13]。

圖9 生坯刀頭還原設備Fig.9 The deoxidizing equipm ent of the segment

2.6 激光焊接鋸片的脫脂、抽真空和氮氣保護下的燒結

我國引進的激光焊接鋸片的生產工藝中,多采用制粒和全自動冷壓機壓制刀頭,燒結時多采用DSP475,510/515燒結機進行燒結,此時采用脫蠟,抽真空,充入保護氣氛(N2)進行燒結,既提高了石墨模具的壽命,又充分保證了刀頭的燒結質量,其典型的燒結工藝曲線見圖10。

2.7 氫氣/氨分解氣氛保護下隧道式連續熱壓燒結爐

早期的隧道式連續燒結爐在爐內不能加壓,而在出爐后,在爐口附近安裝一冷壓機,將出爐產品加壓,故質量不夠穩定,產品密度、硬度不理想。現北京極度金剛石科技有限公司推出的隧道式連續熱壓燒結爐,爐管四面加溫,爐道溫度場均勻,溫差可控制在±1℃左右。設置有七段溫區,即三段預燒區、四段燒結區,在熱壓區實施熱壓燒結,有效地提高了燒結密度、硬度與金剛石的把持力,因而有效改善了金剛石工具的使用性能。整個燒結工藝由PLC工控器精確控制。故能有效控制產品質量的長期穩定性與重復性生產。由于精確的熱壓燒結與可控冷卻工藝的調整及采用新型熱壓模具,故可有效調節金剛石工具燒結后的刀頭硬度、基體硬度及基體平整度,使金剛石工具整體動平衡、靜平衡系數得到有效控制,保證了產品的穩定性與重復性生產。

圖10 DSP475/510/515燒結機燒結工藝曲線Fig.10 The sin tering techno logy curve of the DSP475/510/515 sin term achine

該設備從裝卸模具到操作設備僅需1人,生產效率高,以Φ150電爐為例,日產Φ115mm熱壓鋸片3000片,冷壓燒結鋸片6000片,能大幅度提高能源的利用率與生產效率,節能降耗,有效降低產品的制造成本與性價比。廈門宇信金剛石工具公司生產使用的Φ350型連續熱壓燒結爐,其技術性能見表5。

表5 隧道式連續式金剛石工具燒結爐基本技術性能Tab le 5 The characteristicsof con tinuous sin term achine fo r d iam ond too ls

3 不斷完善預合金粉末的性能,以滿足金剛石工具應用的需求

3.1 霧化法中氣霧化生產的預合金氧含量更低

資料[12]表明:水霧化生產的預合金粉末,細粉所占比例較大,而氣霧化生產的合金粉末粒度范圍分布更窄。粒度均勻性更好。氣霧化粉末呈規則球形,而水霧化粉末呈不規則狀。水霧化粉末中O、C、M n含量遠大于氣霧化粉末,其中O2含量為氣霧化粉末的20倍(見表6)。

表6 FeN i30氣霧化與水霧化預合金粉的氧含量比較Table 6 Comparison of the oxygen con tent between the water atomizationp re-alloy powder and the gas atom izationpre-alloy powder

3.2 改進水霧化噴嘴結構,完善工藝參數,將進一步降低氧含量

資料[13、14]表明,為了達到更細的霧化效果,對噴嘴部分進行改進,采用主副兩套噴嘴,均為兩向塞式板狀流V型噴射,扁面角度15°,兩者互成90°布置,噴射頂角不同,主噴嘴焦點在上,頂角為40°,單噴嘴流量為30L/m in,副噴嘴焦點在下,頂角為30°,單噴嘴流量為20L/m in,通過副噴嘴不僅可以實現對液滴的二次粉碎,并起到冷卻作用,提高冷卻速度,進而提高細粉收得率,且使產出的粉末形狀趨于不規則化,降低粉末的松裝密度,提高壓制性能。

提高水霧化的壓力,增設氮氣保護裝置,在適當的漏眼直徑、過熱度條件下,試制出低氧含量的超細預合金粉,300目以細粉末獲得率達90%以上,D 50>10μm,氧含量在2300×10-6以下。見表7、表8。

表7 不同霧化水壓力下粉末性能Tab le 7 Pow der p roperties under the differen t w ater atom ization p ressu re

表8 施加氮氣保護前后粉末氫損對比(%)Table 8 Comparison of hydrogen lose in the pow derbefore and after adding nitrogen gas

3.3 優化預合金粉的還原工藝參數,進一步降低氧含量

資料[15]對8組不同水霧化FeCu30預合金粉的試驗研究表明:隨著還原溫度的升高,FeCu30水霧化預合金粉的氫損和松裝密度降低,燒結密度和抗彎強度提高,硬度逐漸均勻,產品的壓縮性與成型性得到顯著改善,650℃～700℃還原時粉末性能趨于穩定。不同還原溫度下粉末的氫損與松裝密度見表9。

表9 不同還原溫度下粉末的氫損與松裝密度Tab le 9 Hyd rogen lose and fill density of pow der under differen t deox id izing

對于不同組分的預合金粉,必須優化其還原工藝的參數,以便實現粉末的良好的壓制性與成型性,合理的氧含量,產品的良好的使用性能,如硬度、密度、抗彎強度、抗沖擊性,其最終產品必須滿足BS En 13236:2001安全標準。還原工藝參數包括:還原溫度,還原時間(推舟速度),每舟的裝料量與裝料高度,還原氣氛的質量等。

3.4 制取良好的粉末形貌,提高粉末的壓制成型性

粉末的成形性主要受顆粒形狀與結構的影響[16]。粉末顆粒松軟,形狀不規則,壓緊后顆粒間的聯結增強,成形性就好。如還原鐵粉的壓坯強度就比霧化鐵粉高,在評價粉末壓制性時,必須綜合比較粉末的壓縮性與成形性。一般說來,成形性好的粉末往往壓縮性差,而壓縮性好的粉末則成形性差。

而粉末的形狀與結構與粉末預合金粉的制出方法有關,圖11a、b為伏龍江公司TF系列預合金粉形貌,圖11c為D r.F ritsch(飛羽公司)M aster Tec-1預合金粉形貌圖,11d為某公司水霧化預合金粉形貌。a、b、c三種預合金粉壓制成形性好。水霧化預合金粉多為球形與不規則形狀,壓制成形性差,在常規冷壓成形過程中,不易脫模,成品率低,工人不愿使用,影響工人的經濟收入。

3.5 粉末細化與超細化,提高粉末的燒結性能

筆者對三種不同生產方法獲得的FeN iCo預合金粉(D r.Fritsch德國飛羽公司濕法冶金法獲得的M aster Tec-1、M aster Tec-2,伏龍江公司多金屬電解沉積法獲得的TF-110、TF-120及另一公司水霧法獲得的CSF-01粉)進行了X-RA Y衍射物相分析(見圖12)。結果說明三者都形成FeN iCo預合金粉,但它們的性能則不同(見表10)。

由圖12和表10可見,不同生產方法獲得的FeN i-Co預合金粉性能也不同。M aster Tec-1、M aster Tec-2采用濕法冶金生產,性能優異,但價格昂貴,僅在歐洲市場獲得應用,在國內未曾開拓市場。CSF-01水霧化生產的FeN iCo,含N i、Co各為20%左右,成本下降有一定困難,但形貌以球形為主,冷壓成型性差。TF-110、TF-120采用循環再生利用方法生產,價格上有競爭優勢,性價比好。粒度較細,燒結活性大,燒結溫度可降低50℃～80℃,硬度高,成形性好。

圖11 不同制造方法的FeNiCo預合金粉形貌Fig.11 Morphology of pre-alloy powder FeNiCo using different manufacture method

圖12 不同生產方法獲得FeNiCo預合金粉的X-ray物相分析Fig.12 X-ray of the pre-alloy powder FeNiCo made by differentmanufacture method

表10 不同生產方法獲得的FeNiCo預合金粉的性能Tab le 10 Characteristics of the pre-alloy powder FeNiComade by differentmanufactu remethod

3.6 以En13263安全標準為基礎,建立自己的企業標準與行業標準

CEN發布的En13236是針對超硬材料工具安全性能的一套安全標準,并得到歐美和亞洲日本與韓國等金剛石工具行業認同,并獲得推廣,且逐漸成為超硬材料工具的國際標準[17]。En13236涉及對金剛石圓鋸片的要求:速度安全系統的要求。金剛石鋸片高速旋轉時產生的離心力可能導致鋸片產生永久變形而引起外徑增大,也可能導致刀頭變形破裂或脫落。En13236對此提出的安全系數必須滿足表11的要求。

表11 En13236提出的安全系數STab le 11 The safety coefficien t S p roposed by En13236

對于切割瀝青、混凝土、天然石材和人造石的金剛石圓鋸片,對于不同規格鋸片其基體厚度應滿足表12的要求。對于激光焊接鋸片基體熱處理應達到HRC36±3,對于燒結基體熱處理后應達到HRC 43±3。

刀頭與基體的結合強度,對于刀頭結塊型焊接與燒結鋸片,刀頭與基體的結合強度或刀頭強度應滿足以下最小抗彎強度σb的要求:

對用于手持式切機的金剛石鋸片:由σb≥600N/mm2(公式1)

對用于固定式或移動式切機的金剛石鋸片:σb≥450N/mm2

檢驗按圖13方式進行,按1%比例進行破壞性檢驗。

刀頭與基體結合處為彎曲應力為:

刀頭與基體結合處斷裂時最大施加力為Fmax,最大扭矩為M bm ax

表12 干切用金剛石圓鋸片基體厚度的要求Table 12 The requirements of base thickness of diamond circle saw blade for dry cutting

圖13 刀頭型金剛石圓鋸片板齒強度示意圖Fig.13 The bending strength of the segm en t of diam ond saw b lade

對于連續式(濕切)鋸片,刀頭與基體的結合強度或刀頭強度應滿足以下最小扭矩Mb。

式中F=125N,D——鋸片外徑

檢驗方法見圖14,按1%比例進行破壞性試驗。

圖14 連續邊緣型金剛石圓鋸片板齒強度示意圖Fig.14 Sketch of testing segm en t bending strength of diam ond saw b lade

我們必須從刀頭配方設計,采用的粉末/預合金粉,燒結工藝等綜合措施滿足En13236安全標準要求,并以此為依據建立自己的企業標準與行業標準,才能保證我們產品的質量,滿足國內外市場需求。

3.7 進一步完善金屬粉末/預合金粉生產工藝流程,做到環保無污染

要做到金屬粉末/預合金粉的生產工藝流程在合理的濕度,溫度下進行,實現每個環節的密閉連續,防止生產過程中的氧化、污染,實現環保生產最為理想與重要。國內外鐵鱗還原法生產的還原鐵粉工藝流程就滿足了上述要求。D r.F ritsch(飛羽公司)粉末事業部生產車間,可值得我們借鑒與參考。生產車間清潔,無污染無粉末外露與大氣接觸,各工序間密閉連接,保證了產品質量。

[12] 趙新明,徐駿,朱學新,等.氣霧化和水霧化制備合成金剛石用FeN i3O粉末觸媒的差異[C].第五屆鄭州國際超硬材料及制品研討會,2008:133-137.

[13] 李忠林,王振東.用水霧化法生產低氧含量超細預合金粉末[C].第五屆鄭州國際超硬材料及制品研討會,2008:128-132.

[14] 陳振華.現代粉末冶金技術[M].化學工業出版社,2007.

[15] 趙振艷,李忠林,時令彬,等.還原溫度對水霧化FeCu3O預合金粉性能的影響[C].中國超硬材料技術發展論文集.2009:249-252.

[16] 張華誠.粉末冶金實用工藝學[M].治金工業出版社,2004.

[17] 劉一波,趙剛,趙萬林,等.En13236安全標準及其對中國金剛石工具行業的影響[J].金剛石與磨料磨具工程.2004(4):66-67,71.