不断完善预合金粉末的性能,满足金刚石工具的应用(上)①

姜荣超,郑日升

(湖南伏龙江超硬材料有限公司,湖南长沙410205)

不断完善预合金粉末的性能,满足金刚石工具的应用(上)①

姜荣超,郑日升

(湖南伏龙江超硬材料有限公司,湖南长沙410205)

随着预合金粉末在金刚石工具中使用量的增加,使用范围的不断扩大,不断完善预合金粉末的性能,进一步满足金刚石工具应用的需求,具有重大作用与意义。在预合金粉末生产方法中:湿法冶金方法生产的预合金粉,广泛并成功地应用在国外,但成本高,在国内市场应用较少。机械合金化方法多用于科研中,批量生产能耗大。在国内主要采用气雾化、水雾化、多金属化学共沉积法等生产预合金粉末。文章探讨了氧含量对金刚石工具性能的影响;介绍了国内不同生产设备条件下的还原工艺,进一步提出不断完善预合金粉性能的各种途径,以满足金刚石工具应用的需求。

预合金粉的性能;金刚石工具;综述;气雾化;水雾化;多金属共沉积法

0 引言

我国金刚石工具业与石材加工业使用80%的金属结合剂胎体的加工石材锯切,磨削抛光工具,每年使用大量的金属粉末与预合金粉末,但是由于使用的工艺与设备不同,诸如,气雾化、水雾化、化学共沉积法,机械合金化和多金属化学共沉积法等。生产过程、保管与储存条件不同,如环境温度与湿度,氧含量的控制与还原方法与工艺的不同,将导至金属粉末与预合金粉的供货状态、质量与纯度不同。表征粉末质量的性能指标有多种,如粒度、形状、氧含量、松装密度、流动性、压制性能、烧结体的致密度,硬度及抗弯强度等。因此,不断完善预合金粉的使用性能,以满足金刚石工具使用性能的需求极为重要。

1 氧含量对金刚石工具性能的影响

金属粉末与预合金粉的氧含量是个重要指标。金属粉末的氧含量,有化合态的,如氧化物中的氧;也有吸附态的,包括H 2O、O2;还有固溶态的。氧的存在对烧结时的合金化有较大影响,粉末颗粒外表面的氧化膜,吸附的H 2O和O2,它们包围着粉末或粉末颗固(二次颗粒),这些氧不除掉,将大大影响粉末的可烧结性与工具的使用性能[1]。因此探讨粉末与预合金粉的氧含量对胎体与工具使用性能的影响,寻求更好的还原工艺技术,将具有重大意义[2,3]。我国已是世界上金刚石与金刚石工具生产大国,但还不是强国,特别是当前我国正进行经济结构方式的转变,将致力于发展建设绿色环保,循环经济与可再生能源的利用和低碳经济社会,这将对我国金刚石工具进入世界生产强国具有重大意义。

1.1 氧含量对烧结基体机械性能的影响[2]

该试验采用合金体系配方,分别制取氧含量在(2500～12000)×10-6范围的预合金粉末,在相同的烧结工艺条件下,制备(3.2×8×40)mm抗弯试样,测试不同氧含量试样的强度与硬度,用扫描电镜进行断口显微组织分析,以确定氧含量对烧结基体微观组织结构的影响。测试结果见图1与表1。

1.2 氧含量对烧结胎体把持金刚石能力的影响

粉末中的氧,尤其是表面氧含量,对烧结基体把持金刚石的能力影响极大(见图2-4)。粉末颗粒表面氧化膜的存在,阻碍了颗粒间的界面结合,致使烧结组织疏松,致密化强度较差(见图2.a),氧化膜隔离了金属颗粒与金刚石的接触,而氧化膜本身对金刚石无润湿能力,故烧结基体与金刚石间出现较大的缝隙(见图2.b),因此,基体对金刚石的机械把持力极差,金刚石极易松动脱落。

图1 不同氧含量的粉末烧结试样断口SEM形貌图Fig.1 SEM images of the fracture of sintered powder samples with different oxygen content

表1 不同氧含量对烧结试样的抗弯强度及硬度值的影响Table 1 Influence of different oxygen con ten t on the bending strength and hardness of sintered samples

当氧含量在5000×10-6时,烧结体的显微组织得到改观:颗粒间的界面结合力加强,低熔点物料的润湿铺展改善,组织致密化程度提高,对金刚石的包镶力得到较大提高,基体组织与金刚石间的缝隙减小,把持力增强(见图3a、3b)

当氧含量在(3000～4000)×10-6时,烧结颗粒间的界面结合状态良好,组织致密化程度较高(见图4a),基体与金刚石间基本无缝隙(见图4b),金刚石把持力得到很大提高。

图2～4的SEM扫描电镜分析中,不足之处是对金刚石把持力缺乏量化。法国Eu ro tungstene公司采用长×宽×厚(50×10×4)mm平行六面体试样,进行三点抗弯强度试验,记录下了力与挠度变化的完整曲线(两支点距离为45mm)见图5[4]。N EXT 100在800℃烧结时其金刚石的把持力要优于标准钴粉与COF钴粉在800℃烧结时对金刚石的把持力。图6显示的是不同氧含量的钴基胎体试样力与挠度冲击反应曲线[5,6]。

图2 氧含量＞6000×-6时烧结基体SEM形貌及其对金刚石包镶状况Fig.2 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with oxygen content more than 6000×10-6

图3 氧含量为5000×-6时烧结基体SEM形貌及其对金刚石包镶状况Fig.3 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with 5000×10-6 oxygen con ten t

图4 氧含量为3500×-6时烧结基体SEM形貌及其对金刚石包镶状况Fig.4 SEM images of sintered matrix and impregnated capacity on diamond with 3500×10-6 oxygen con ten t

图5 三点抗弯强度试验装置Fig.5 The instrument for testing bending strength

图6 不同氧含量的钴基胎体试样力与挠曲冲击反应曲线Fig.6 The curve of the force and deflection of Co-based matrix with different oxygen con ten t

1.3 氧含量对工具冲击韧性的影响

在中直径锯片和薄壁钻头研制中,工具用于锯切与钻进混凝土、钢筋混凝土时,以及大直径墙锯的制作时,对工具的冲击韧性要求较高,而氧含量的高低影响则工具的冲击韧性(见图7)[5]。

图7 氧含量和硫化物污染对热压钴基胎体冲击强度综合性能的影响Fig.7 The influence of the oxygen content and sulfide on impact strength of hot-press Co-based matrix

1.4 氧含量对工具锋利度及使用寿命的影响

笔者[2]采用预合金配方,在相同的金刚石选配和烧结工艺条件下,制作Φ105mm小锯片进行切割试验,干切(60×2)cm中硬花岗岩“中国黑”结果见表2。

笔者[2]认为,适合的氧含量应控制在(2500～4800)×10-6为宜。

资料[7]介绍了两种水雾化研制的高硬度、高韧性、高耐磨性的铁基预合金粉TD 200/TD 300,其粒度为300目,松装密度不大于3.5g/cm3,氧含量为(1500～2000)×10-6。为进一步降低其氧含量,采用TDH 200-500(自制)还原炉,其功率为1.5kW,温度区间为200℃～700℃,生产效率为50 kg/h。还原温度为380℃～480℃,氧含量降低到(100～200)×10-6,出炉后粉料节块,再经球磨破碎、筛分、分批、真空封装。认为合理的氢气还原工艺,可降低水雾化预合金粉的氧含量,提高了锯片质量。

表2 不同氧含量预合金粉锯切效果Table 2 The cutting effect of pre-alloy powder with different oxygen con ten t

资料[8]在研制TB 01激光焊接过渡层粉末时,通过共沉淀反应与锻烧获得金属氧化物复合粉,再将其转入全自动推杆煅烧还原炉内,用氨分解气进行还原,温度600℃～800℃,氨分解气流量2～4m3/h,时间50～90分钟,被还原出来的金属通过扩散完成合金化过程,获得的合金粉末其费氏粒度(FSSS)不超过10μm,总含氧量不超过1w t%,激光焊接试验表明,其焊接强度达到或超过BSEn13236:2001安全标准。

上述试验表明,目前国内还没有相应的有关粉末氧含量的企业标准、行业标准及国标。要求金刚石工具行业同仁在这方面共同探讨与努力,但有一点是共同的,当采用金属粉末或预合金粉生产金刚石工具时,必须满足BSEn13236:2001安全标准。

2 不同设备条件下的还原工艺

2.1 大直径锯片刀头大批量生产条件下对金属粉末质量状态的要求

福建与山东地区主要生产锯切花岗岩的大直径锯片刀头,产品批量大,许多企业产值过亿,刀头烧结机多达10台,20台甚至多达30台。过去都以人工称料,装模为主。现在已发展到以冷压机自动压制薄片刀头,人工装模(粉压片,铁片交替装成七明治刀头),8分钟热压烧结工艺。因此金属粉末用量大,可做到即来即用,厂家多无金属粉末还原设备。因此,要求金属粉末供应商按刀头生产厂家要求,供应相应质量与纯度的金属粉末,特别对氧含量有相应要求。

2.2 小批量生产,采用管式还原炉还原金属粉末工艺

中小规模刀头与锯片生产厂家,一般备有管式氢气还原炉或利用井式炉还原金属粉末,然后经过搓筛、混料,压制锯片与刀头。不同金属粉末的还原温度见表3[9]。

表3 不同金属粉末的还原温度Table 3 The dioxidized temperature of some metals

值得指出的是,此时要控制好反应气体的平衡常数K值。(见公式1)

平衡常数K的大小随温度的变化而变化,图8表示铁-铁氧化物反应的平衡常数与温度的关系,由图可清楚判断,何时可得到期望的还原反应,何时铁被氧化。要求注意降低烧结气氛的露点,控制好K值[10],使用高纯氢气,减少氢气中的含水量。

2.3 氮气保护气氛下锯片整体热压烧结

丹阳锋泰华昌公司,石家庄博深公司和北京安泰公司曾从韩国D IEX.Co引进CSF-500型锯片整体热压烧结炉。炉内未安装炉胆,实际上都采用氮气作为保护气氛进行烧结,若采用氢气还原气氛,则氢气与炉内加热用镍铬丝直接反应,易引起加热元件氢脆而断裂,使设备事故增多,维修量增大,一般烧结出炉后,另用一圆筒形炉胆罩住被烧结工件,通入氮气保护以防止锯片氧化。

2.4 氢气还原气氛下的锯片整体热压烧结

金海威公司的SF-500V烧结炉,郑州长城公司的SJL-70烧结炉,丹阳宏皓公司的DL 99-35型烧结炉与郑州机械研究所的JRL-01烧结炉[11],在烧结炉内增设炉胆,并进行密封,使氢气与镍铬加热电阻元件隔开,减少加热元件的氢脆,氢气还原气氛仅在炉胆内与工件反应,进行活化烧结。该炉型是当前我国金刚石工具行业使用最多的设备,有的厂家多达30台,它有利于提高密度与锯片的锋利度。

图8 FeO+H 2S→Fe+H 2O反应的平衡常数K与温度之间的关系Fig.8 Relationship between the balance constant K and the temperature

为进一步改进该炉型,提高锯片烧结质量,韩国D IEX.Co曾推出HSF500/2双工位热压氢气烧结炉,金海威公司则推出SF400D与SF500D双工位热冷压烧结炉,适用于生产金刚石砂轮,高档陶瓷片,玻璃或宝石切割片,也可用于金刚石刀头的热压烧结。锯片完成热压烧结后,平移至冷压炉内,继续在冷压炉内的保护气氛下加压冷却,保证工件不变形,提高了刀头与锯片质量。这对于略有氧化的金属粉末特别有效,因为该氢气炉烧结时具有脱氧作用,山西太原刚玉公司全部采用该设备进行生产。

2.5 排锯刀头的真空烧结

我国长江三角洲、珠洲三角洲和福建地区每年从国外进口大量名贵大理石及澳洲砂岩,在国内用排锯(框架锯)加工销往国内外,其优势是可加工大规格板材,提高石材加工效率和成材率。通常锯条数量多达80、90、100、120、140、160、180根,由于锯切时是锯条来回往复运动,金刚石后面无蝌蚪尾保护,故对刀头质量烧结与焊接及锯片安装调试要求很高。故排锯刀头真空烧结获得广泛应用。真空烧结可保护炉内与产品的清洁,可重复生产,是受控无反应的气氛。它可防止金属氧化,使金属产品脱气、脱脂、脱氧,防止杂质进入炉内烧结区,进行活化烧结,提高产品质量,并可防止石墨模具的氧化而降低烧结成本。因而各种单相、三相、圆筒形、箱形真空烧结炉在金刚石工具行业获得广泛应用。

表4 双工位热冷压烧结炉主要技术参数Table 4 Main technological parameters of the sintering furnace

此外为进一步保证烧结质量,在完成刀头冷压后,将刀头先期进行还原,然后再组装装入石墨模内,进行最终真空烧结。

[1] 孙毓超,宋月清.金刚石工具制造理论与实践[M].郑州:郑州大学出版社,2005.

[2] 董书山,张永第,吴雪峰,等.预合金粉末氧含量对金刚石工具组织及性能的影响[C].中国超硬材料技术发展论坛论文集,2009年10月:117-120.

[3] 王丽娟,王成军,袁一飞,等.金属粉末氧化程度对金刚石圆锯片烧结工艺的影响[C].同上:214-217.

[4] 法国Eurotungstene公司N EXT粉末样本.

[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

姜荣超(1943-),男,教授级高级工程师,长期从事超硬材料及工具的研发和管理工作。