不斷完善預合金粉末的性能,滿足金剛石工具的應用(上)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)

不斷完善預合金粉末的性能,滿足金剛石工具的應用(上)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)

隨著預合金粉末在金剛石工具中使用量的增加,使用范圍的不斷擴大,不斷完善預合金粉末的性能,進一步滿足金剛石工具應用的需求,具有重大作用與意義。在預合金粉末生產方法中:濕法冶金方法生產的預合金粉,廣泛并成功地應用在國外,但成本高,在國內市場應用較少。機械合金化方法多用于科研中,批量生產能耗大。在國內主要采用氣霧化、水霧化、多金屬化學共沉積法等生產預合金粉末。文章探討了氧含量對金剛石工具性能的影響;介紹了國內不同生產設備條件下的還原工藝,進一步提出不斷完善預合金粉性能的各種途徑,以滿足金剛石工具應用的需求。

預合金粉的性能;金剛石工具;綜述;氣霧化;水霧化;多金屬共沉積法

0 引言

我國金剛石工具業與石材加工業使用80%的金屬結合劑胎體的加工石材鋸切,磨削拋光工具,每年使用大量的金屬粉末與預合金粉末,但是由于使用的工藝與設備不同,諸如,氣霧化、水霧化、化學共沉積法,機械合金化和多金屬化學共沉積法等。生產過程、保管與儲存條件不同,如環境溫度與濕度,氧含量的控制與還原方法與工藝的不同,將導至金屬粉末與預合金粉的供貨狀態、質量與純度不同。表征粉末質量的性能指標有多種,如粒度、形狀、氧含量、松裝密度、流動性、壓制性能、燒結體的致密度,硬度及抗彎強度等。因此,不斷完善預合金粉的使用性能,以滿足金剛石工具使用性能的需求極為重要。

1 氧含量對金剛石工具性能的影響

金屬粉末與預合金粉的氧含量是個重要指標。金屬粉末的氧含量,有化合態的,如氧化物中的氧;也有吸附態的,包括H 2O、O2;還有固溶態的。氧的存在對燒結時的合金化有較大影響,粉末顆粒外表面的氧化膜,吸附的H 2O和O2,它們包圍著粉末或粉末顆固(二次顆粒),這些氧不除掉,將大大影響粉末的可燒結性與工具的使用性能[1]。因此探討粉末與預合金粉的氧含量對胎體與工具使用性能的影響,尋求更好的還原工藝技術,將具有重大意義[2,3]。我國已是世界上金剛石與金剛石工具生產大國,但還不是強國,特別是當前我國正進行經濟結構方式的轉變,將致力于發展建設綠色環保,循環經濟與可再生能源的利用和低碳經濟社會,這將對我國金剛石工具進入世界生產強國具有重大意義。

1.1 氧含量對燒結基體機械性能的影響[2]

該試驗采用合金體系配方,分別制取氧含量在(2500～12000)×10-6范圍的預合金粉末,在相同的燒結工藝條件下,制備(3.2×8×40)mm抗彎試樣,測試不同氧含量試樣的強度與硬度,用掃描電鏡進行斷口顯微組織分析,以確定氧含量對燒結基體微觀組織結構的影響。測試結果見圖1與表1。

1.2 氧含量對燒結胎體把持金剛石能力的影響

粉末中的氧,尤其是表面氧含量,對燒結基體把持金剛石的能力影響極大(見圖2-4)。粉末顆粒表面氧化膜的存在,阻礙了顆粒間的界面結合,致使燒結組織疏松,致密化強度較差(見圖2.a),氧化膜隔離了金屬顆粒與金剛石的接觸,而氧化膜本身對金剛石無潤濕能力,故燒結基體與金剛石間出現較大的縫隙(見圖2.b),因此,基體對金剛石的機械把持力極差,金剛石極易松動脫落。

圖1 不同氧含量的粉末燒結試樣斷口SEM形貌圖Fig.1 SEM images of the fracture of sintered powder samples with different oxygen content

表1 不同氧含量對燒結試樣的抗彎強度及硬度值的影響Table 1 Influence of different oxygen con ten t on the bending strength and hardness of sintered samples

當氧含量在5000×10-6時,燒結體的顯微組織得到改觀:顆粒間的界面結合力加強,低熔點物料的潤濕鋪展改善,組織致密化程度提高,對金剛石的包鑲力得到較大提高,基體組織與金剛石間的縫隙減小,把持力增強(見圖3a、3b)

當氧含量在(3000～4000)×10-6時,燒結顆粒間的界面結合狀態良好,組織致密化程度較高(見圖4a),基體與金剛石間基本無縫隙(見圖4b),金剛石把持力得到很大提高。

圖2～4的SEM掃描電鏡分析中,不足之處是對金剛石把持力缺乏量化。法國Eu ro tungstene公司采用長×寬×厚(50×10×4)mm平行六面體試樣,進行三點抗彎強度試驗,記錄下了力與撓度變化的完整曲線(兩支點距離為45mm)見圖5[4]。N EXT 100在800℃燒結時其金剛石的把持力要優于標準鈷粉與COF鈷粉在800℃燒結時對金剛石的把持力。圖6顯示的是不同氧含量的鈷基胎體試樣力與撓度沖擊反應曲線[5,6]。

圖2 氧含量＞6000×-6時燒結基體SEM形貌及其對金剛石包鑲狀況Fig.2 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with oxygen content more than 6000×10-6

圖3 氧含量為5000×-6時燒結基體SEM形貌及其對金剛石包鑲狀況Fig.3 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with 5000×10-6 oxygen con ten t

圖4 氧含量為3500×-6時燒結基體SEM形貌及其對金剛石包鑲狀況Fig.4 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with 3500×10-6 oxygen con ten t

圖5 三點抗彎強度試驗裝置Fig.5 The instrument for testing bending strength

圖6 不同氧含量的鈷基胎體試樣力與撓曲沖擊反應曲線Fig.6 The curve of the force and deflection of Co-based matrix with different oxygen con ten t

1.3 氧含量對工具沖擊韌性的影響

在中直徑鋸片和薄壁鉆頭研制中,工具用于鋸切與鉆進混凝土、鋼筋混凝土時,以及大直徑墻鋸的制作時,對工具的沖擊韌性要求較高,而氧含量的高低影響則工具的沖擊韌性(見圖7)[5]。

圖7 氧含量和硫化物污染對熱壓鈷基胎體沖擊強度綜合性能的影響Fig.7 The influence of the oxygen content and sulfide on impact strength of hot-press Co-based matrix

1.4 氧含量對工具鋒利度及使用壽命的影響

筆者[2]采用預合金配方,在相同的金剛石選配和燒結工藝條件下,制作Φ105mm小鋸片進行切割試驗,干切(60×2)cm中硬花崗巖“中國黑”結果見表2。

筆者[2]認為,適合的氧含量應控制在(2500～4800)×10-6為宜。

資料[7]介紹了兩種水霧化研制的高硬度、高韌性、高耐磨性的鐵基預合金粉TD 200/TD 300,其粒度為300目,松裝密度不大于3.5g/cm3,氧含量為(1500～2000)×10-6。為進一步降低其氧含量,采用TDH 200-500(自制)還原爐,其功率為1.5kW,溫度區間為200℃～700℃,生產效率為50 kg/h。還原溫度為380℃～480℃,氧含量降低到(100～200)×10-6,出爐后粉料節塊,再經球磨破碎、篩分、分批、真空封裝。認為合理的氫氣還原工藝,可降低水霧化預合金粉的氧含量,提高了鋸片質量。

表2 不同氧含量預合金粉鋸切效果Table 2 The cutting effect of pre-alloy powder with different oxygen con ten t

資料[8]在研制TB 01激光焊接過渡層粉末時,通過共沉淀反應與鍛燒獲得金屬氧化物復合粉,再將其轉入全自動推桿煅燒還原爐內,用氨分解氣進行還原,溫度600℃～800℃,氨分解氣流量2～4m3/h,時間50～90分鐘,被還原出來的金屬通過擴散完成合金化過程,獲得的合金粉末其費氏粒度(FSSS)不超過10μm,總含氧量不超過1w t%,激光焊接試驗表明,其焊接強度達到或超過BSEn13236:2001安全標準。

上述試驗表明,目前國內還沒有相應的有關粉末氧含量的企業標準、行業標準及國標。要求金剛石工具行業同仁在這方面共同探討與努力,但有一點是共同的,當采用金屬粉末或預合金粉生產金剛石工具時,必須滿足BSEn13236:2001安全標準。

2 不同設備條件下的還原工藝

2.1 大直徑鋸片刀頭大批量生產條件下對金屬粉末質量狀態的要求

福建與山東地區主要生產鋸切花崗巖的大直徑鋸片刀頭,產品批量大,許多企業產值過億,刀頭燒結機多達10臺,20臺甚至多達30臺。過去都以人工稱料,裝模為主。現在已發展到以冷壓機自動壓制薄片刀頭,人工裝模(粉壓片,鐵片交替裝成七明治刀頭),8分鐘熱壓燒結工藝。因此金屬粉末用量大,可做到即來即用,廠家多無金屬粉末還原設備。因此,要求金屬粉末供應商按刀頭生產廠家要求,供應相應質量與純度的金屬粉末,特別對氧含量有相應要求。

2.2 小批量生產,采用管式還原爐還原金屬粉末工藝

中小規模刀頭與鋸片生產廠家,一般備有管式氫氣還原爐或利用井式爐還原金屬粉末,然后經過搓篩、混料,壓制鋸片與刀頭。不同金屬粉末的還原溫度見表3[9]。

表3 不同金屬粉末的還原溫度Table 3 The dioxidized temperature of some metals

值得指出的是,此時要控制好反應氣體的平衡常數K值。(見公式1)

平衡常數K的大小隨溫度的變化而變化,圖8表示鐵-鐵氧化物反應的平衡常數與溫度的關系,由圖可清楚判斷,何時可得到期望的還原反應,何時鐵被氧化。要求注意降低燒結氣氛的露點,控制好K值[10],使用高純氫氣,減少氫氣中的含水量。

2.3 氮氣保護氣氛下鋸片整體熱壓燒結

丹陽鋒泰華昌公司,石家莊博深公司和北京安泰公司曾從韓國D IEX.Co引進CSF-500型鋸片整體熱壓燒結爐。爐內未安裝爐膽,實際上都采用氮氣作為保護氣氛進行燒結,若采用氫氣還原氣氛,則氫氣與爐內加熱用鎳鉻絲直接反應,易引起加熱元件氫脆而斷裂,使設備事故增多,維修量增大,一般燒結出爐后,另用一圓筒形爐膽罩住被燒結工件,通入氮氣保護以防止鋸片氧化。

2.4 氫氣還原氣氛下的鋸片整體熱壓燒結

金海威公司的SF-500V燒結爐,鄭州長城公司的SJL-70燒結爐,丹陽宏皓公司的DL 99-35型燒結爐與鄭州機械研究所的JRL-01燒結爐[11],在燒結爐內增設爐膽,并進行密封,使氫氣與鎳鉻加熱電阻元件隔開,減少加熱元件的氫脆,氫氣還原氣氛僅在爐膽內與工件反應,進行活化燒結。該爐型是當前我國金剛石工具行業使用最多的設備,有的廠家多達30臺,它有利于提高密度與鋸片的鋒利度。

圖8 FeO+H 2S→Fe+H 2O反應的平衡常數K與溫度之間的關系Fig.8 Relationship between the balance constant K and the temperature

為進一步改進該爐型,提高鋸片燒結質量,韓國D IEX.Co曾推出HSF500/2雙工位熱壓氫氣燒結爐,金海威公司則推出SF400D與SF500D雙工位熱冷壓燒結爐,適用于生產金剛石砂輪,高檔陶瓷片,玻璃或寶石切割片,也可用于金剛石刀頭的熱壓燒結。鋸片完成熱壓燒結后,平移至冷壓爐內,繼續在冷壓爐內的保護氣氛下加壓冷卻,保證工件不變形,提高了刀頭與鋸片質量。這對于略有氧化的金屬粉末特別有效,因為該氫氣爐燒結時具有脫氧作用,山西太原剛玉公司全部采用該設備進行生產。

2.5 排鋸刀頭的真空燒結

我國長江三角洲、珠洲三角洲和福建地區每年從國外進口大量名貴大理石及澳洲砂巖,在國內用排鋸(框架鋸)加工銷往國內外,其優勢是可加工大規格板材,提高石材加工效率和成材率。通常鋸條數量多達80、90、100、120、140、160、180根,由于鋸切時是鋸條來回往復運動,金剛石后面無蝌蚪尾保護,故對刀頭質量燒結與焊接及鋸片安裝調試要求很高。故排鋸刀頭真空燒結獲得廣泛應用。真空燒結可保護爐內與產品的清潔,可重復生產,是受控無反應的氣氛。它可防止金屬氧化,使金屬產品脫氣、脫脂、脫氧,防止雜質進入爐內燒結區,進行活化燒結,提高產品質量,并可防止石墨模具的氧化而降低燒結成本。因而各種單相、三相、圓筒形、箱形真空燒結爐在金剛石工具行業獲得廣泛應用。

表4 雙工位熱冷壓燒結爐主要技術參數Table 4 Main technological parameters of the sintering furnace

此外為進一步保證燒結質量,在完成刀頭冷壓后,將刀頭先期進行還原,然后再組裝裝入石墨模內,進行最終真空燒結。

[1] 孫毓超,宋月清.金剛石工具制造理論與實踐[M].鄭州:鄭州大學出版社,2005.

[2] 董書山,張永第,吳雪峰,等.預合金粉末氧含量對金剛石工具組織及性能的影響[C].中國超硬材料技術發展論壇論文集,2009年10月:117-120.

[3] 王麗娟,王成軍,袁一飛,等.金屬粉末氧化程度對金剛石圓鋸片燒結工藝的影響[C].同上:214-217.

[4] 法國Eurotungstene公司N EXT粉末樣本.

[5] Janusz Konstan ty.Cobalt as amatrix in diamond Impregnated Too ls for stone sawing application;Dissertations,Monographies 104 k rakow,Po land,2002.

[6] Janusz Konstanty.Powder Mettallurgy diamond Too ls,Elsever,2005.

Continuously improve the performance of pre-alloy powder to meet the requirements of application for diamond too ls

JIANG Rong-chao,ZHENG Ri-sheng
(Hunan Fu long River Superhard Ma terials Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410205)

It is important that the performance of p re-alloy powder should be improved continuously to meet the requirements of application for diamond too ls,with the increasing used amount and application range of p re-alloy powder.In the production method,pre-alloy powder by hydro metallurgy is very successfully and wildly used in ab road,bu t its price is very high,it is difficult to open the market at the home.Mechanical alloying is wildly used in scientific research,but energy consumption is high in batch production.IN our country the gas atomization,water atomization and poly metallic code position method are wildly used.In th is paper,the influence of oxygen con ten ts on the performance of diamond too ls are investigated and discussed.Reduction process under different production equipments are introduced,the way of continuously improving the performance of p re-alloy powder to meet the requirements of application for diamond too ls are investigated.

property of p re-alloy powder;diamond tool;summary;gas atomization;water atomization;poly metallic code position method

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0043-06

2010-08-10

姜榮超(1943-),男,教授級高級工程師,長期從事超硬材料及工具的研發和管理工作。