金屬粉末質量控制對金剛石工具性能影響的探討（下）①

蕫書山，劉曉旭，胡占鋒，安文文

（河南黃河旋風股份有限公司，河南 長葛 461500）

3.1.8 對工具鋒利度及使用壽命的影響

通常當鋸切或鉆削類工具胎體中的任何一種粉末氧含量超過5000×10－6時，工具的燒結工藝和使用性能都會受到很大影響。只有當胎體粉末中的任何一種粉末的氧含量都不超過4000×10－6時，才有可能得到致密度較好（96%～98%）的燒結胎體，才可以有效提高胎體對金剛石的機械把持力，提高工具的鋒利度和使用壽命。以Fe粉為例，若Fe粉在胎體中的重量比例超過30%時，保持燒結過程不流料或微流料狀態，當其氧含量在5000×10－6左右時，燒結胎體的致密度可達95%左右；氧含量在（5000～7000）×10－6時，胎體的致密度一般為93% ～95% ；當氧含量超過7000×10－6時，胎體的致密度很難達到95%。而通常情況下，當燒結胎體的致密度低于95%時，工具的鋒利度和使用壽命就會大大下降。當Fe粉氧含量在（5000～7000）×10－6時，隨著氧含量的增大，石材及陶瓷小鋸片會出現切不動、打火、燒片、掉塊、震動加劇等現象；而中徑以上石材鋸片會出現切割電流增大、火花大、跳鋸、噪音大、吃刀量下降、石材彎板等現象；工程鉆頭則會出現鉆不動、打滑、別鉆、鉆齒掉塊等現象；陶瓷磨塊則會出現磨不動、打滑等現象；陶瓷刮刀、磨邊輪則會出現噪音大、火花大、崩邊等現象?？傊?，工具的鋒利度和使用壽命較正常狀態普遍降低10%～30%。而當Fe粉氧含量超過7000×10－6時，工具的鋒利度和使用壽命還將大幅度下降，甚至失效。圖3為單質金屬粉末配制的Fe－Cu－Ni－Sn系（Cu、Sn的氧含量＜600×10－6，Ni的氧含量＜3000×10－6）石材小鋸片在Fe粉氧含量適中及過高狀態下，切割后金剛石的出刃狀態。當Fe粉氧含量＜4000×10－6時，燒結胎體的致密化程度較高，胎體對金剛石的把持力較好，鋸片在連續切割時均能保持較好的出刃狀態（圖3（a））；而當Fe粉氧含量＞5000×10－6時，燒結胎體組織疏松、強度低，對金剛石的機械把持力不足，耐磨性亦不足，金剛石雖然出刃較快，但胎體對金剛石的剛性支撐力不夠，切削時受金剛石擠壓而潰裂，失去對金剛石的支撐力，使金剛石很快脫落失效，導致鋸片的鋒利度和使用壽命大幅度下降（圖3（b））。

圖3 Fe粉氧含量適中及過高時鋸片刀頭的金剛石出刃狀態Fig.3 Diamond exposure of the segment with moderate and high oxygen content in Fe powder

上述現象在國內眾多金剛石工具廠家中屢見不鮮，也是困擾和阻礙工具廠商提高與穩定產品質量的羈絆，甚至說金屬粉末原材料氧含量偏高也是影響整個超硬材料工具水平提升的重要障礙之一。因此，有效控制粉末原料的氧含量，對提升超硬材料制品行業的產品質量具有重要的現實意義。

預合金粉末的應用是超硬材料制品行業發展的必然趨勢，除了合金化程度高的特點外，預合金粉末還有一個顯著特點就是其在制粉后均需要進行還原處理，其氧含量較低，因而燒結胎體的合金化及致密化程度均較好，胎體對金剛石的機械把持力提高，工具的鋒利度和使用壽命均有明顯提高。圖4為Fe－Cu－Sn系預合金粉末燒結胎體組織狀態及其對金剛石的包鑲狀態的SEM形貌圖。由于預合金粉的燒結性能較好，合金化組織均勻細密，對金剛石的包鑲能力強，機械把持力好。

目前，市場上應用的各類預合金粉末都需進行還原處理，其還原處理溫度較單質Fe粉低，因而氧含量可以控制在較低的合理范圍內，能較好地滿足實際生產需要。

圖4 Fe－Cu－Sn系預合金燒結胎體組織及其對金剛石的包鑲狀態SEM形貌Fig.4 The structure of Fe－Cu－Sn pre－alloy matrix and SEM image of retention between the matrix and diamond

3.2 粉末粒度及松比的影響

金屬粉末粒度和松比主要影響冷壓成型性、冷壓成型致密度、燒結致密度及工具的鋒利度和使用壽命。

目前，市場上應用量最大的是還原Fe粉，市售的普通單質還原Fe粉（－200目，－300目）的粒度分布基本為D10：15～20，D50：37～55，D90：67～72，松比通常為2.6～2.8g／cm3。不同廠家的供貨粒度差異較大，這主要與Fe粉生產過程中的破碎與篩分工藝有關。

當Fe粉的粒度偏粗（氧含量為5000×10－6左右），主粒度值為D50：47～52時（圖5a），在12MPa壓力下用其壓制（40×10×3.2）mm的冷壓坯塊時，成型困難，冷壓致密度為87%～90%，900℃燒結后的致密度為94%～95%，燒結體中的“架橋”孔隙較多，燒結體抗彎強度一般為630～700MPa，燒結硬度為HRB75左右。

當Fe粉的粒度適中（氧含量為5000×10－6左右），主粒度值為D50：28～37時（圖5b），在12MPa壓力下用其壓制（40×10×3.2）mm的冷壓坯塊時，成型困難，冷壓致密度為87%～90%，900℃燒結后的致密度為94%～95%，燒結體中的“架橋”孔隙較多，燒結體抗彎強度一般為630～700MPa，燒結硬度為HRB75左右。而粒度相似的Fe粉，當其氧含量為4000×10－6以下時，燒結體的抗彎強度有所增加，可達650～720MPa，而燒結硬度為HRB76左右。

圖5 還原Fe粉SEM形貌圖Fig.5 SEM morphology of reduced Fe powder

目前市售的－400目以細的細顆粒Fe粉的氧含量一般都在5000～7000×10－6，質量控制較為嚴格的產品，其氧含量可控制在4000×10－6以下，此時，雖然冷壓成型難度加大，但其燒結性能可以得到很大改善，900℃時燒結樣塊的抗彎強度為670～750MPa，燒結硬度為HRB75左右，燒結組織狀態得到較為明顯的改善，燒結致密化程度也可達95% 以上。

目前市場上普遍應用的電解Cu粉（－200目）的氧含量通常不超過600×10－6，其粒度分布一般為D10：15～20，D50：30～40，D90：45～65，松裝密度一般為1.8～2.2g／cm3，其應用性能關鍵取決于顆粒的表面質量狀態和樹枝狀結構的形態。粉末顆粒表面抗氧化能力強，儲存周期長的電解Cu粉，其應用的穩定性較好。樹枝狀結構越發達，其與其它粉末的混料均勻性越好，燒結組織的均勻度及致密度越好。在混料過程中應特別注意混料裝置的結構設計，不應對Cu粉顆粒造成過度的撞擊，以避免破壞其樹枝狀結構，造成混料不均，冷壓成型困難。

Ni粉由于價格較高，在金剛石工具中的應用比例不大，市售產品通常為霧化Ni粉、電解Ni粉及羰基Ni粉，其松裝密度通常分別為3.3～3.7g／cm3，0.8～1.6g／cm3、0.8～1.5g／cm3；粒度分布分別為D10：10～15，D50：30～ 40，D90：50～70；D10：8～12，D50：20～35，D90：60～70。霧化Ni粉的松裝密度較高，配方中的添加比例較高（＞10%）時會影響冷壓成型性，而電解Ni粉和羰基Ni粉由于其松比小，添加量少時不影響冷壓成型性，而添加量大時由于蓬松度大，也難以壓制。霧化Ni粉較電解Ni粉和羰基Ni粉的混料均勻性及燒結性能差些，霧化Ni粉和電解Ni粉的應用效果主要取決于氧含量、顆粒形態及表面質量，而羰基Ni粉的燒結性能最好，燒結組織的均勻性及致密性較好。

市售Sn粉（－200目）為氣霧化和水霧化兩種粉末狀態，其松比通常為3.6～4.0g／cm3、3.3～3.8g／cm3；粒度分布通常為 D10：5 ～ 10，D50：20 ～30，D90：50 ～ 60 ；D10：10 ～ 15，D50：20 ～ 35，D90：50～70。由于制備工藝的差異，Sn粉的粒度和松比變化較大，對冷壓成型性有一定的影響，尤其是氣霧化Sn粉。當Sn粉的松比高（＞3.7g／cm3）粒度粗時，混料及燒結時易偏析，造成燒結組織均勻性差，硬度分布不均，對工具的鋒利度及使用壽命均有影響。

而預合金粉末則由于生產方式的不同，粒度和松比的差異較大?；瘜W法制備的預合金粉末的粒度取決于起始反應的原料粒度及反應后的處理工藝。其一般特點為松比不高于3.0g／cm3，冷壓成型性好，若氧含量控制合適則其燒結性能也很突出。目前市場上消費量最大的是水霧化法生產的預合金粉末，種類較多，情況復雜，不同合金體系的粉末，其粒度和松比間的差異很大，以最簡單的FeCu30為例，不同廠家生產的粉末粒度分布基本為D10：10～15，D50：25～37，D90：50～70，松比為2.9～3.8g／cm3，其冷壓成型性及燒結性能間的差異也很大。通常情況下，預合金粉末的松比控制在3.3g／cm3以下，其冷壓成型性可基本滿足冷壓需要。至于三元以上的合金體系，則情況更為復雜，無法集中描述總結。水霧化預合金粉末的綜合物化性能指標要好于單質金屬粉末的混配體，但其最突出的缺點是冷壓成型性差，影響并制約著此類預合金粉末的應用量，如何改善水霧化預合金粉末的冷壓成型性，以便更好地發揮預合金粉末的性能優勢是一個關鍵的制約瓶頸，此瓶頸的突破將會給金剛石工具行業帶來積極的推動作用。

4 結論

影響和制約金剛石工具行業發展的因素很多，在眾多的因素當中，金屬粉末原材料的質量狀態是根本的影響因素。金剛石工具生產商應將原材料質量的控制放在首位，這是保持工具性能穩定與提升的前提，只有在確保此前提的基礎上才能進一步考慮成本控制與配方調整，否則只是一味的從配方調整入手，則會迷失方向，無法達到預期的理想效果。不論是單質金屬粉末還是預合金粉末，控制好粉末的氧含量、粒度、松比等幾項關鍵指標，是制備高品質金剛石工具的基本要求，保證粉末原料的質量，是金剛石工具性能提升的基礎與根本途徑，這也要求眾多粉末生產商能夠切實重視用戶的利益，通過技術進步，為用戶提供高質量的粉末原料，共同促進行業的發展與進步。

［1］王秦生，等.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006.

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

［3］孫毓超，等.金剛石工具金屬學基礎［M］.北京：中國建材工業出版社，1999.