超硬材料工具用金属预合金粉末的国内发展现状及趋势①

2012-04-01 08:47:26蕫书山刘晓旭李长青刘益刚
超硬材料工程 2012年1期
关键词:金属粉末胎体金刚石

蕫书山,刘晓旭,李长青,刘益刚

(河南黄河旋风股份有限公司,河南 长葛 461500)

1 前言

目前中国已成为全球最重要的超硬材料及其制品的生产供应大国,尤其是近年来,中国超硬材料行业呈现出持续的高增长发展势态,其年增长速度远远超过我国国民经济GDP的增长速度[1],相应地带动了金属粉末消费量的大幅度增长。目前金属结合剂超硬材料工具还是以单质金属粉末为主,预合金粉末为辅,但由于预合金粉末具有良好的综合性能,近年来在行业中得到了快速推广应用[2-7],尽管其应用比例和总体消费量还较少,但随着产品种类的增加、质量稳定性的提高,其应用比例和范围在逐渐扩大。尤其是各个制品领域内的大厂家对预合金粉末的重视和应用,极大地带动了预合金粉末在全行业的普及推广,起了以点带面的推动作用,使全行业对金属预合金粉末有了全新及深入的了解,促进了预合金粉末的快速消费增长。预合金粉末的应用是提高超硬材料制品性能的有效途径之一,是行业发展的一个必然趋势。

2 不同制备工艺的金属预合金粉末的特性

预合金粉末的制备方法较多,目前主要有水/气雾化法、化学共沉淀法、电沉积法和扩散法等。但国内消费量较大的是雾化预合金粉末,而其它方式制备的预合金粉末亦具有一系列特点,在行业内也在迅速推广应用。今后,我国制品行业中预合金粉末的应用将会呈现出多类产品的竞争格局,不同种类的产品将发挥优势互补的特点,促进全行业的进步与发展。

2.1 雾化金属预合金粉末

雾化法包括水雾化和气雾化两种生产工艺。气雾化工艺设备复杂,生产成本较高,以往被用于生产金刚石的触媒粉,现在基本为水雾化触媒粉所取代,除极少数厂家用于生产雾化Sn粉外(气喷水冷),在行业内均未采用此工艺生产胎体预合金粉。除生产成本高外,另外一个重要原因就是气雾化金属粉末颗粒几乎是球状,难于冷压成型,应用受限。目前市售雾化金属预合金粉末基本上都是水雾化粉末,粉末形态多不规则,同时也存在少量球状/类球状颗粒,其市场消费量呈逐年增长势态,这主要是由于水雾化预合金粉末的生产工艺相对简便,价格相对低廉,成分易于调整,产品质量适宜稳定控制,易于实现大批量的工业规模化生产,因而在市场中的消费量急剧增长。

水雾化工艺的一个突出优点就是易于实现多组元成分的设计调整,可方便地实现三元以上成分复杂的产品生产,而其它生产工艺不易实现多组元合金粉末产品的生产,这也是水雾化预合金粉末得以大规模推广应用的一个有利因素。

2.2 化学置换预合金粉末

化学置换法所生产的典型产品为铜包铁,目前在超硬材料制品行业中主要用于大直径石材圆锯片刀头(大刀头)的制备生产。铜包铁的突出特点就是制备工艺简便、产品价格低廉、冷压成型性好。由于具有价格优势,在其它工具中也逐步得到应用,其不足之处在于烧结温度高,烧结收缩性差,在一定程度上影响了其应用效果,但只要能够保证产品质量的稳定性,其应用范围还将进一步扩大。

2.3 化学共沉淀预合金粉末

目前市售的化学共沉淀法所制备的预合金粉末主要是Fe-Co-Ni,Fe-Co-Cu系列产品。此方法虽然制备工艺简便易行,生产装备也不复杂,但生产工艺过程不易控制,产品的后处理工艺要求较为严格,产品质量的稳定性控制要求较高。此工艺方法所制备的预合金粉末价格较高,但烧结性能好、松装密度低,冷压成型性好,因而在高端制品中得到相当程度的应用。

2.4 电沉积预合金粉末

电沉积法所制备的预合金粉末是业内厂家新近开发的一类新产品,目前主要是Fe-Cu系列预合金粉末,其突出特点是粉末颗粒形状复杂、松比低、冷压成型性好,目前处于市场推广阶段。

2.5 扩散法预合金粉末

扩散法所制备的预合金产品目前主要是Cu-Sn系列的合金粉末。由于此类产品的颗粒形状复杂,松比较雾化Cu-Sn合金粉末低,具有良好的冷压成型性和烧结性能,在超硬材料工具行业中也得到了相当范围的应用。

3 金属预合金粉末的应用领域及应用特点

目前,各类金属预合金粉末几乎应用到了超硬材料工具制作的各个方面,涉及石材、陶瓷、混凝土、玻璃加工等领域。

3.1 石材加工工具

涉及石材的切割、磨削和钻削,其中石材切割锯片的应用量最多。

二元合金作为基础合金可广泛适于各类工具,在花岗岩锯片中应用量最大的是Fe-Cu系列合金,包括水雾化法、化学置换法及电沉积法所制备的预合金粉,这类粉末适合生产中低档制品。大理石锯片中主要是Cu-Sn系列合金粉。

三元以上预合金粉末主要以水雾化的Fe-Cu(Ni/Co)-Sn、Fe-Co-Ni、Fe-Co-Cu等系列预合金粉末为主,辅以化学法所制备的Fe-Co-Ni、Fe-Co-Cu系列合金粉末,这类粉末适于制备中高档制品,其中含镍粉末在兼顾锋利度的同时主要侧重于使用寿命,而含钴粉末则可同时兼顾锋利度和使用寿命。大理石锯片则以Cu-Co-Sn系列合金粉末为主。

四元及以上组分的预合金粉末基本为雾化预合金粉末,主要是Fe-Cu-Ni-Sn、Fe-Cu-Co-Sn系列预合金粉末,这类合金粉末适于制备中高档制品。

上述各类预合金粉末共同的应用特点是:可以降低烧结温度,改善胎体组织的均匀性,提高烧结强度及致密性,提高胎体组织对金刚石的机械把持力,提高工具的锋利度和使用寿命。

3.2 陶瓷加工工具

陶瓷锯片用预合金粉末主要有Fe-Cu-Ni-Sn、Fe-Cu-Co-Sn、Fe-Cu-Co及Cu-Sn系列。此类预合金粉的特点是烧结温度低、烧结组织细腻、胎体硬度适中、抗弯强度中等、胎体磨损性不强。

陶瓷刮刀的胎体硬度要求高,一般≥HRB95。粗刀要求锋利度好,使用寿命长,应用较多的是基础合金Fe-Cu系列,其特点是烧结组织致密化程度好,硬度高,使用寿命长。细刀在兼顾锋利度和使用寿命时较多采用Fe-Cu-Ni-Sn系列合金粉,其特点是烧结温度低、硬度高、致密化程度高、耐磨性好。同时胎体与金刚石的磨损适配性较好,金刚石在工作过程中可保持合适的出刃高度。

适合于磨边轮的预合金体系主要是Fe-Cu-Ni-Sn系合金。此类合金的特点是烧结温度低、烧结胎体硬度高、胎体对金刚石的机械把持力好、胎体与金刚石的磨损适配性好,在磨削过程中金刚石能保持适当的出刃高度,可同时兼顾锋利度和使用寿命。在产品制备过程中要特别注意与预合金相配合使用的其它单质粉末的氧含量,通常要求其氧含量低于4000×10-6。

目前适于陶瓷磨块的预合金粉末主要以Fe-Cu及Fe-Cu-Ni-Sn合金体系为主,配以适量的低温脆性材料及造孔剂等调节成分。预合金体系本身的烧结硬度>HRB100,但烧结磨块的硬度通常在HRB85~95为宜。硬度太低,磨块使用寿命短;硬度太高,锋利度差,易出现磨不动、打滑等现象。通常中粗粒度的磨块要求在较高的加工线速情况下,能保持良好的锋利度,磨削加工量应高于5万平米,而细粒度磨块则要求磨削加工量高于10万平米,使用预合金粉在锋利度和使用寿命方面都能很好的满足要求。

3.3 工程钻头

目前,适合于制作工程薄壁钻的预合金粉有Fe-Cu、Fe-Cu-Ni-Sn、Fe-Cu-Co-Sn、Fe-Co-Cu等合金系列,配以适量的WC或W粉,适合于湿钻的中低档钻头,也可用于砖墙的干钻打孔,其锋利度和使用寿命都能满足需要。此类合金的特点是胎体的成本低,烧结致密化程度较高,硬度高(>HRB100),机械强度较好(抗弯强度850~1100MPa),钻削过程中不易断齿。但对应用于高强度钢筋混凝土构件的钻头,其烧结胎体要求Co含量极高,对金属粉末的表面质量及颗粒度要求极高,要求胎体的机械强度高(>1100MPa),不仅要求对金刚石具有良好的把持力,而且也要具有优良的散热性能,特别是干钻时,对烧结胎体金属粉末的要求更高;同时,也要求采用细颗粒的耐磨骨架材料,在保证耐磨性的同时,还要有良好的自锐性。

3.4 混凝土锯片

适于制备混凝土锯片的预合金种类较多,有各种方法所制备的Fe-Cu、Fe-Co(Ni)-Cu、Fe-Ni(Co)-Cu-Sn等多种预合金粉末系列,其中Fe含量通常超过50%。这类预合金粉末的突出特点就是要求其具有较高的烧结强度、硬度和致密度。

3.5 地质钻头

烧结地质钻头由于生产厂家分散,产业集中度差,所消耗的金属结合剂数量不多,也未引起各个合金粉末厂家的足够重视,未在此领域开发专门的预合金粉末。但上述提及的预合金粉末亦可在此领域应用,只是目前还缺乏应用开发,影响了预合金粉末在此领域中的推广应用。

3.6 玻璃加工工具

由于这类工具的金属结合剂消耗量相对较少,目前基本上还是以单质金属粉末为主,各个合金粉末厂家基本上未在此应用领域进行开发,客户大都沿用传统的配方体系,市场所用预合金粉末只有部分Cu-Sn合金。

3.7 金属结合剂砂轮

由于金属结合剂砂轮在整个砂轮行业中所占比例不高,其消耗的金属粉末量不多,预合金粉末在此领域中的应用极少,只有部分Cu-Sn合金,市场上亦缺乏专业化的预合金粉末产品。

4 金属预合金粉末的国内应用及发展现状

金属预合金粉末目前已广泛应用于超硬材料工具制作的各个领域,应用量逐步扩大并呈迅猛发展的势头。目前预合金粉末消费量较大的应用领域集中于石材及陶瓷加工工具,消费量约占市售总量的80%以上。在石材加工工具中,预合金粉末的消费主体是大刀头、中小径石材锯片的大中型生产厂家。在陶瓷加工工具中,金属结合剂磨块消耗的预合金粉末量最大,其次是磨轮和刮刀。据估算,2011年国内金属预合金粉末的年消费量在4000吨左右,在整个超硬材料制品行业所消耗的金属粉末中所占比例极少,大概不足10%,因而,其市场发展空间极大。由于超硬材料制品行业已发展了几十年,而金属预合金粉末只是近几年才在行业中得到逐步认同和推广应用,可以说是处于起步发展阶段,是朝阳产业,因此,目前大多数中小超硬材料制品企业还都习惯于采用单质金属粉末配制烧结制品。由于各类单质金属粉末的生产厂家众多,并且缺乏统一、严格的质量标准,产品质量千差万别,尤其是价格低廉、消费量最大的铁粉,质量差异更大,经常导致制品厂家生产工艺及产品质量的波动起伏,给用户带来了极大的困扰。目前,影响和制约中国超硬材料制品行业发展水平的关键因素不在于各类产品的配方设计,而在于原材料质量不过关,这是一个基础性的、结构性的缺陷根源。而绝大多数制品厂家,尤其是中小厂家,往往忽略原材料质量的严格把关,片面地追求配方设计,认为配方的改进设计是改善工具性能最有效的途径,而事实上,配方设计固然重要,但仅仅是在原材料及工艺稳定基础上的锦上添花,而不是救命稻草。比较分析国外产品可以发现,其高端产品的配方往往是非常简单常见的合金体系,而非玄妙深奥的复杂成分,其根本因素在于原材料的选择和工艺的把握方面,在确保原材料及生产工艺稳定的前提下,积极探索配方设计,才能起锦上添花、事半功倍的效果,否则就很容易导致事倍功半,甚至徒劳无功,阻碍了企业的成长发展。尽管人们的质量意识在不断增强,用户也迫切需要原材料厂家能够提供高质量的稳定产品,但受制于原材料生产商的供应水平限制,客户往往得不到长期稳定的高质量产品,只能被动地选择接受,因而极大地限制了超硬材料制品行业的提升与发展空间。而预合金粉末虽然拥有许多优势特点,但在一定意义上说,却也在许多方面弥补了单质金属粉末的缺陷和不足。随着预合金产品的不断丰富与提高及用户对其认识的逐步加深与掌握,预合金粉末的用户群在逐步扩大,其在制品配方中的应用比例也在不断增加,优势特长逐步得以充分发挥体现,若其在各类制品中的应用比例超过30%,则其消费量将十分可观。而通常情况下,预合金粉末的应用比例超过50%后,才能显著发挥出其性能优势,具有较高的综合性价比。从目前的发展现状看,金属预合金粉末在近几年的消费量增长迅速,但与制品行业所消耗的金属粉末总量相比,还微不足道,尚处于引导消费阶段,即需要粉末生产厂家针对产品特点为用户提供有效的技术服务,帮助客户掌握产品的应用特性,以技术服务引导产品消费,促进消费量的增长。随着用户对产品应用特性的逐步掌握,将会渐入自主消费阶段,即用户自主利用预合金产品进行制品的设计开发,届时,预合金粉末的市场需求量将会急剧增加,市场将进入高速发展阶段。而目前国内预合金产品领域存在的主要问题是:①产品质量不高,稳定性差;②生产厂家对自己的产品特性了解不足,多数预合金粉末生产厂家为用户所提供的仅仅是产品,而不能提供有效的技术服务,指导客户掌握产品的应用特性,因而限制了产品的推广应用;③雾化预合金粉末的冷压成型性差,限制了其在制品配方中的应用比例;④铁基预合金粉末的潜力还远未发掘出来。

5 金属预合金粉末的发展趋势

金属预合金粉末的发展方兴未艾,正逐步在行业中规模化推广应用,既有优势特色,同时也存在一定的缺陷不足,但这并不妨碍预合金粉末产品的发展与推广,其目前存在的主要问题是价格、成型性、质量稳定性。

目前市场对金属预合金粉末的基本要求是:稳定产品质量,提供技术支持,拓展应用领域。根据目前的市场发展现状,预合金粉末今后发展的重点仍然是中低价位的铁基粉末,同时将向着多元化、精细化、高活性、低松比、高弹性模量的方向发展。

5.1 多元化

包括制备方式的多元化及化学成分的多元化。

不同制备工艺的预合金粉末具有不同的性能特点,充分发挥不同种类预合金粉末的特长,为客户提供丰富实用的预合金粉末产品是未来市场的一个发展趋势。例如,雾化法制备的预合金粉末与化学法制备的预合金粉末组合应用,实现二者的优势互补,能够更好地提升制品的综合性能。

目前市场销量最大的是通用性较强的二元、三元组分的基础预合金粉末。这类粉末由于成分相对简单,价格适中,产品的质量稳定性较好,用户易于掌握,因而得以广泛应用。随着行业的发展进步,对制品的专业化、精细化要求越来越高,相应地要求预合金粉末产品也向着专业化、精细化的方向发展,这就促进了多组元预合金粉末的发展。多组元合金粉末的发展有助于提高烧结制品的综合性能,减少贵金属Co、Ni的使用量,使预合金产品向着“物美价廉”的方向发展,能够更好地满足中高档制品的应用需求。但金属预合金粉末也不是成分越复杂性能就越好,关键是要做到“量力而行”,即使是成分简单的预合金粉末,如果能充分发挥其性能特点,也能满足工具的应用要求,能将复杂问题简单化,充分体现出预合金粉末的优势特点。

5.2 精细化

精细化就是要求预合金产品在关键性能指标的控制方面要精准,保持较高的质量稳定性;同时,要求粉末的颗粒细小均匀。细粒度金属粉末表面活性高,有利于降低烧结温度,提高制品的烧结致密化程度,增强烧结胎体对金刚石的把持力;同时也有利于改善胎体与金刚石的磨损适配性。但在实际生产中,粉末粒度并不是越细越好,粒度粗细的选择,关键是要求配方组份间有合理的粒度搭配,要从整体工艺要求选择确定。

5.3 高活性

预合金粉末的应用不仅仅是要求合金化程度高,而且还要具有良好的表面活性,以利于降低烧结温度、提高烧结颗粒间的界面结合强度、促进致密化、改善烧结胎体的机械性能,增强胎体对金刚石的把持力。

5.4 低松比

低松比主要是针对雾化预合金粉末而言,因雾化粉末中含有相当比例的球状/类球状颗粒,松比相对较高(通常不低于2.8g/cm3),不利于冷压成型,限制了预合金粉末在制品配方中的应用比例。这也是目前影响雾化预合金粉末进一步推广应用的技术瓶颈,但随着生产工艺技术的改进提高,此限制瓶颈会逐步克服消除,因此会促进雾化预合金粉末的推广应用。

5.5 高弹性模量

金刚石制品的性能优劣取决于烧结胎体对金刚石的把持力,而目前绝大多数金刚石制品烧结胎体对金刚石基本上都是机械把持,而烧结胎体对金刚石的把持力则主要取决于烧结胎体的弹性模量,尤其是高温弹性模量。弹性模量的提高有助于提高胎体对金刚石的机械把持力,大幅度改善制品的综合使用性能。高性能的预合金粉末可以制备出高弹性模量的烧结胎体,这就要求预合金粉末向着高弹性模量的方向发展。

6 结束语

金属预合金粉末在超硬材料行业中的大规模推广应用是超硬行业发展的必然趋势,可有效促推动行业的发展进步。但预合金粉末在行业中的推广应用目前尚处于由引导消费向自主消费转变的过渡期,预合金产业现在面临的突出问题主要是产品质量的稳定提高和深入的技术服务支持,需要全体粉末生产厂商苦练内功,与用户紧密协作,为用户提供稳定的质优价廉产品和完善的售后技术支持,使预合金粉末产品能够为众多的中小用户所接受认同,才能够全面促进行业的发展进步,使我国成为超硬材料及其制品的生产强国。

[1]李志宏,赵博.借宏观经济向好东风 超硬材料行业超常规发展[J].金刚石与磨料磨具工程,2011(6).

[2]陈哲,刘一波,等.超细预合金粉末在金刚石工具中的性能研究[J].探矿工程,2004(8).

[3]吕申峰,李季,夏举学.国内外预合金粉末在金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2006(8).

[4]蔡方寒,唐霞辉,等.金刚石工具用预合金粉末的研究动态[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(10).

[5]徐浩翔,麻洪秋,等.雾化预合金胎体粉末的制备及其在金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(1).

[6]申思,宋月清,等.预合金粉末在金刚石工具中的应用[J].磨料磨具通讯,2007(2).

[7]IE.Clark,BJ.Kamphuis.Cobalite HDR—a new prealloyed matrix Powder for diamond construction tools[J].IDR,2002(3).

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