姜榮超,鄭日升

(湖南伏龍江超硬材料有限公司,湖南長(zhǎng)沙410205)

不斷完善預(yù)合金粉末的性能,滿足金剛石工具的應(yīng)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(zhǎng)沙410205)

隨著預(yù)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(kuò)大,不斷完善預(yù)合金粉末的性能,進(jìn)一步滿足金剛石工具應(yīng)用的需求,具有重大作用與意義。在預(yù)合金粉末生產(chǎn)方法中:濕法冶金方法生產(chǎn)的預(yù)合金粉,廣泛并成功地應(yīng)用在國(guó)外,但成本高,在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用較少。機(jī)械合金化方法多用于科研中,批量生產(chǎn)能耗大。在國(guó)內(nèi)主要采用氣霧化、水霧化、多金屬化學(xué)共沉積法等生產(chǎn)預(yù)合金粉末。文章探討了氧含量對(duì)金剛石工具性能的影響;介紹了國(guó)內(nèi)不同生產(chǎn)設(shè)備條件下的還原工藝,進(jìn)一步提出不斷完善預(yù)合金粉性能的各種途徑,以滿足金剛石工具應(yīng)用的需求。

預(yù)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(guó)金剛石工具業(yè)與石材加工業(yè)使用80%的金屬結(jié)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(yù)合金粉末,但是由于使用的工藝與設(shè)備不同,諸如,氣霧化、水霧化、化學(xué)共沉積法,機(jī)械合金化和多金屬化學(xué)共沉積法等。生產(chǎn)過(guò)程、保管與儲(chǔ)存條件不同,如環(huán)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(dǎo)至金屬粉末與預(yù)合金粉的供貨狀態(tài)、質(zhì)量與純度不同。表征粉末質(zhì)量的性能指標(biāo)有多種,如粒度、形狀、氧含量、松裝密度、流動(dòng)性、壓制性能、燒結(jié)體的致密度,硬度及抗彎強(qiáng)度等。因此,不斷完善預(yù)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(duì)金剛石工具性能的影響

金屬粉末與預(yù)合金粉的氧含量是個(gè)重要指標(biāo)。金屬粉末的氧含量,有化合態(tài)的,如氧化物中的氧;也有吸附態(tài)的,包括H 2O、O2;還有固溶態(tài)的。氧的存在對(duì)燒結(jié)時(shí)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(jié)性與工具的使用性能[1]。因此探討粉末與預(yù)合金粉的氧含量對(duì)胎體與工具使用性能的影響,尋求更好的還原工藝技術(shù),將具有重大意義[2,3]。我國(guó)已是世界上金剛石與金剛石工具生產(chǎn)大國(guó),但還不是強(qiáng)國(guó),特別是當(dāng)前我國(guó)正進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)方式的轉(zhuǎn)變,將致力于發(fā)展建設(shè)綠色環(huán)保,循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可再生能源的利用和低碳經(jīng)濟(jì)社會(huì),這將對(duì)我國(guó)金剛石工具進(jìn)入世界生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)具有重大意義。

1.1 氧含量對(duì)燒結(jié)基體機(jī)械性能的影響[2]

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

1.2 氧含量對(duì)燒結(jié)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(duì)燒結(jié)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(jié)合,致使燒結(jié)組織疏松,致密化強(qiáng)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(duì)金剛石無(wú)潤(rùn)濕能力,故燒結(jié)基體與金剛石間出現(xiàn)較大的縫隙(見圖2.b),因此,基體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力極差,金剛石極易松動(dòng)脫落。

圖1 不同氧含量的粉末燒結(jié)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(duì)燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)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(dāng)氧含量在5000×10-6時(shí),燒結(jié)體的顯微組織得到改觀:顆粒間的界面結(jié)合力加強(qiáng),低熔點(diǎn)物料的潤(rùn)濕鋪展改善,組織致密化程度提高,對(duì)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(qiáng)(見圖3a、3b)

當(dāng)氧含量在(3000～4000)×10-6時(shí),燒結(jié)顆粒間的界面結(jié)合狀態(tài)良好,組織致密化程度較高(見圖4a),基體與金剛石間基本無(wú)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(duì)金剛石把持力缺乏量化。法國(guó)Eu ro tungstene公司采用長(zhǎng)×寬×厚(50×10×4)mm平行六面體試樣,進(jìn)行三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn),記錄下了力與撓度變化的完整曲線(兩支點(diǎn)距離為45mm)見圖5[4]。N EXT 100在800℃燒結(jié)時(shí)其金剛石的把持力要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鈷粉與COF鈷粉在800℃燒結(jié)時(shí)對(duì)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(yīng)曲線[5,6]。

圖2 氧含量＞6000×-6時(shí)燒結(jié)基體SEM形貌及其對(duì)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(shí)燒結(jié)基體SEM形貌及其對(duì)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(shí)燒結(jié)基體SEM形貌及其對(duì)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(diǎn)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)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(yīng)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(duì)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(jìn)混凝土、鋼筋混凝土?xí)r,以及大直徑墻鋸的制作時(shí),對(duì)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(duì)熱壓鈷基胎體沖擊強(qiáng)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(duì)工具鋒利度及使用壽命的影響

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

筆者[2]認(rèn)為,適合的氧含量應(yīng)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(yù)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(jìn)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(qū)間為200℃～700℃,生產(chǎn)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(jié)塊,再經(jīng)球磨破碎、篩分、分批、真空封裝。認(rèn)為合理的氫氣還原工藝,可降低水霧化預(yù)合金粉的氧含量,提高了鋸片質(zhì)量。

表2 不同氧含量預(yù)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(guò)渡層粉末時(shí),通過(guò)共沉淀反應(yīng)與鍛燒獲得金屬氧化物復(fù)合粉,再將其轉(zhuǎn)入全自動(dòng)推桿煅燒還原爐內(nèi),用氨分解氣進(jìn)行還原,溫度600℃～800℃,氨分解氣流量2～4m3/h,時(shí)間50～90分鐘,被還原出來(lái)的金屬通過(guò)擴(kuò)散完成合金化過(guò)程,獲得的合金粉末其費(fèi)氏粒度(FSSS)不超過(guò)10μm,總含氧量不超過(guò)1w t%,激光焊接試驗(yàn)表明,其焊接強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)BSEn13236:2001安全標(biāo)準(zhǔn)。

上述試驗(yàn)表明,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)的有關(guān)粉末氧含量的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)標(biāo)。要求金剛石工具行業(yè)同仁在這方面共同探討與努力,但有一點(diǎn)是共同的,當(dāng)采用金屬粉末或預(yù)合金粉生產(chǎn)金剛石工具時(shí),必須滿足BSEn13236:2001安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 不同設(shè)備條件下的還原工藝

2.1 大直徑鋸片刀頭大批量生產(chǎn)條件下對(duì)金屬粉末質(zhì)量狀態(tài)的要求

福建與山東地區(qū)主要生產(chǎn)鋸切花崗巖的大直徑鋸片刀頭,產(chǎn)品批量大,許多企業(yè)產(chǎn)值過(guò)億,刀頭燒結(jié)機(jī)多達(dá)10臺(tái),20臺(tái)甚至多達(dá)30臺(tái)。過(guò)去都以人工稱料,裝模為主?，F(xiàn)在已發(fā)展到以冷壓機(jī)自動(dòng)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(jié)工藝。因此金屬粉末用量大,可做到即來(lái)即用,廠家多無(wú)金屬粉末還原設(shè)備。因此,要求金屬粉末供應(yīng)商按刀頭生產(chǎn)廠家要求,供應(yīng)相應(yīng)質(zhì)量與純度的金屬粉末,特別對(duì)氧含量有相應(yīng)要求。

2.2 小批量生產(chǎn),采用管式還原爐還原金屬粉末工藝

中小規(guī)模刀頭與鋸片生產(chǎn)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(jīng)過(guò)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(shí)要控制好反應(yīng)氣體的平衡常數(shù)K值。(見公式1)

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

2.3 氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下鋸片整體熱壓燒結(jié)

丹陽(yáng)鋒泰華昌公司,石家莊博深公司和北京安泰公司曾從韓國(guó)D IEX.Co引進(jìn)CSF-500型鋸片整體熱壓燒結(jié)爐。爐內(nèi)未安裝爐膽,實(shí)際上都采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛進(jìn)行燒結(jié),若采用氫氣還原氣氛,則氫氣與爐內(nèi)加熱用鎳鉻絲直接反應(yīng),易引起加熱元件氫脆而斷裂,使設(shè)備事故增多,維修量增大,一般燒結(jié)出爐后,另用一圓筒形爐膽罩住被燒結(jié)工件,通入氮?dú)獗Ｗo(hù)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(jié)

金海威公司的SF-500V燒結(jié)爐,鄭州長(zhǎng)城公司的SJL-70燒結(jié)爐,丹陽(yáng)宏皓公司的DL 99-35型燒結(jié)爐與鄭州機(jī)械研究所的JRL-01燒結(jié)爐[11],在燒結(jié)爐內(nèi)增設(shè)爐膽,并進(jìn)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(nèi)與工件反應(yīng),進(jìn)行活化燒結(jié)。該爐型是當(dāng)前我國(guó)金剛石工具行業(yè)使用最多的設(shè)備,有的廠家多達(dá)30臺(tái),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(yīng)的平衡常數(shù)K與溫度之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between the balance constant K and the temperature

為進(jìn)一步改進(jìn)該爐型,提高鋸片燒結(jié)質(zhì)量,韓國(guó)D IEX.Co曾推出HSF500/2雙工位熱壓氫氣燒結(jié)爐,金海威公司則推出SF400D與SF500D雙工位熱冷壓燒結(jié)爐,適用于生產(chǎn)金剛石砂輪,高檔陶瓷片,玻璃或?qū)毷懈钇?也可用于金剛石刀頭的熱壓燒結(jié)。鋸片完成熱壓燒結(jié)后,平移至冷壓爐內(nèi),繼續(xù)在冷壓爐內(nèi)的保護(hù)氣氛下加壓冷卻,保證工件不變形,提高了刀頭與鋸片質(zhì)量。這對(duì)于略有氧化的金屬粉末特別有效,因?yàn)樵摎錃鉅t燒結(jié)時(shí)具有脫氧作用,山西太原剛玉公司全部采用該設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

2.5 排鋸刀頭的真空燒結(jié)

我國(guó)長(zhǎng)江三角洲、珠洲三角洲和福建地區(qū)每年從國(guó)外進(jìn)口大量名貴大理石及澳洲砂巖,在國(guó)內(nèi)用排鋸(框架鋸)加工銷往國(guó)內(nèi)外,其優(yōu)勢(shì)是可加工大規(guī)格板材,提高石材加工效率和成材率。通常鋸條數(shù)量多達(dá)80、90、100、120、140、160、180根,由于鋸切時(shí)是鋸條來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng),金剛石后面無(wú)蝌蚪尾保護(hù),故對(duì)刀頭質(zhì)量燒結(jié)與焊接及鋸片安裝調(diào)試要求很高。故排鋸刀頭真空燒結(jié)獲得廣泛應(yīng)用。真空燒結(jié)可保護(hù)爐內(nèi)與產(chǎn)品的清潔,可重復(fù)生產(chǎn),是受控?zé)o反應(yīng)的氣氛。它可防止金屬氧化,使金屬產(chǎn)品脫氣、脫脂、脫氧,防止雜質(zhì)進(jìn)入爐內(nèi)燒結(jié)區(qū),進(jìn)行活化燒結(jié),提高產(chǎn)品質(zhì)量,并可防止石墨模具的氧化而降低燒結(jié)成本。因而各種單相、三相、圓筒形、箱形真空燒結(jié)爐在金剛石工具行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。

表4 雙工位熱冷壓燒結(jié)爐主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technological parameters of the sintering furnace

此外為進(jìn)一步保證燒結(jié)質(zhì)量,在完成刀頭冷壓后,將刀頭先期進(jìn)行還原,然后再組裝裝入石墨模內(nèi),進(jìn)行最終真空燒結(jié)。

[1] 孫毓超,宋月清.金剛石工具制造理論與實(shí)踐[M].鄭州:鄭州大學(xué)出版社,2005.

[2] 董書山,張永第,吳雪峰,等.預(yù)合金粉末氧含量對(duì)金剛石工具組織及性能的影響[C].中國(guó)超硬材料技術(shù)發(fā)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(duì)金剛石圓鋸片燒結(jié)工藝的影響[C].同上:214-217.

[4] 法國(guó)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(jí)高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事超硬材料及工具的研發(fā)和管理工作。