金刚石工具用预合金粉末的发展

金刚石工具用预合金粉末的发展

1国外预合金粉的研制与生产钴具有很多优点。例如，对钻石的控制非常好，结晶性好，产品能达到最优的密度，并且可以与其他金属粉末形成良好的适应性。以钴为主的胎儿在钻石工具中具有良好的适用性。因此，到目前为止，一些排锯和链锯采用纯钴和高钴的胎体，许多优质专业锯仍采用含高量的胎体。但钴价昂贵,价格波动不定,供货渠道不够稳定,以及对工人身体健康有一定危害,加之钴是一种战略物质,在航空航天、国防工业、硬质合金与电池工业中具有广泛用途,故代钴预合金粉近十余年来在金刚石工具工业中越来越多地获得应用,其品种增多,性能不断完善,如法国Eurotungstene公司新增Next900与Keen预合金粉,Umicore公司推出无钴CobaliteCNF预合金粉,Dr.Fritsch公司新增MasterTec1,MasterTec-2预合金粉(见表1)。预合金粉的优越性在于:胎体中各金属元素分布非常均匀,消除某单个金属元素的偏析与聚集;混料工艺简单,烧结温度低,有利于金刚石性能的发挥,减少石墨模具损耗,降低电耗,有利于降低成本;对金刚石把持力好,金刚石突出高,有利于提高锯切锋利度与使用寿命。我国钴资源短缺,金刚石工具制造经常受到钴价波动的影响。引进与使用国外预合金粉末则价格昂贵,成本高。因此我国金刚石工具行业在发展低钴胎体与铁基胎体的同时,粉末制造厂家也开始研制与生产国产预合金粉末(见表2)。近年来金刚石工具预合金粉的研制与生产具有下列特点:(1)预合金粉在化学组分上向低钴与无钴胎体发展,以进一步降低成本与提高性价比。如Dr.Fritsch公司的DIABASE-V21的钴含量<15%,NEXT900的钴含量<4%。Umicore公司的CobaliteCNF为无钴预合金胎体。(2)预合金粉的使用性能进一步完善与提高。如Umicore公司的CobaliteCNF预合金粉,控制Sn/Cu比低于0.16,防止脆性相的产生,添加少量钨,可显著减少金属间化合物的形成,以及锡的分布不均问题。钨元素将阻止或限制锡向铁扩散,防止形成非常脆的铁-锡金属间化合物,以提高预合金的韧性。Eurotungstene公司的Keen10,Keen20预合金粉具有高的冲击强度与硬度,专门用于建筑工程及难以切割的材料。Dr.Fristsch公司新推出的MasterTec-1、MasterTec-2预合金粉具有宽的烧结范围(700℃~860℃),其密度与硬度始终保持恒定不变。MasterTec-2的弯曲强度达到1500MPa,变形量8.6%,切口冲击强度为5.1焦尔/厘米2,是目前代钴预合金粉市场中韧性最好的预合金粉。非常适用于冲击载荷很高的钻进工程。(3)产品向胎体全预合金化发展。预合金粉发展初期主要生产基础预合金粉,然后根据锯切对象的不同,在基础预合金粉为主的条件下添加20%、40%、60%的青铜,20%Fe或20%WC。近期新发展的预合金粉如Keen10,Keen20,cobaliteCNF,MasterTec-1,MasterTec-2都是针对特定的用途,不用添加其他粉末的全预合金粉胎体。(4)针对国内金刚石工具市场的需要,国内粉末制造厂家采用不同的方法如湿法冶金法,高压水(气)雾化法,机械合金化法和电解法等生产不同用途的预合金粉以满足国内市场的需求。2预合金粉性能的测试以湖南伏龙江超硬材料有限公司的产品为例为将预合金粉推向市场,使用户更好的了解、掌握与使用该产品,粉末制造厂家必须给用户提供详尽的数据。下面以湖南伏龙江超硬材料有限公司的产品为例对有关预合金粉性能的测试做一简介。(对湖南伏龙江超硬材料有限公司生产的预合金粉末进行常规性能的测试,是由中国有色金属工业粉末冶金产品质量监督检验中心权威机构进行的,采用了先进的精密仪器进行检验)见表3。2.1金属粉末烧结法采用扫描电子显微镜(SEM)高倍下可观察到粉末的形貌(见图1a、b、c、d),而粉末的形貌取决于制粉方法与工艺。湿法冶金方法:该法是将金属离子在水中溶解,合金中的不同元素及金属(如钴、铜、铁亚盐溶液)按正确的比例混合于溶液中形成金属盐,然后沉淀与还原而获得很好的金属粉末。其粒度在10μm以下,形状为似球形的多孔团聚体(见图1a、b),具有很好的流动性、压制性与良好的烧结性能。烧结温度低,硬度高,韧性好,具有很好的金刚石把持力,制成的工具切割锋利。高压水(气)雾化法:将合金粉末各元素的金属材料先经过真空感应炉熔炼,采用高压雾化介质(水或气体),通过雾化喷嘴将熔融金属流粉碎,粉碎液滴经固化形成细粒粉末。通过调节喷嘴几何尺寸,控制雾化介质及其它工艺参数,可获得一定尺寸与形状(球状或不规形状,见图1c)的金属粉末。机械合金化方法:将两种或两种以上的金属粉末放置在高能球磨机内,通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击,碰撞,使粉末颗粒反复产生冷焊,断裂,导致粉末颗粒中原子扩散,从而获得合金化粉末(粉末的形貌见图1d)。2.2x-射线荧光分析方法在研制SB-1FeNiCo预合金粉末时,对合金粉末最终产品的组成成分我们采用化学分析法,扫描电镜的能谱分析及X-射线荧光分析,三者结果相近,但更为准确快速的方法为X射线荧光分析法,其结果见表4。2.3cobalitecnf预合金粉热压烧结性能检测Dr.Fritsch(飞羽)公司在研制MasterTec预合金粉末时,采用指定的热压烧结机,对40×3.6×10的刀头,在35N/mm2压力下,采用热电偶测温,在不同温度下,烧结时间为3min,一个模具烧结50个刀头,测定不同温度下刀头的密度与硬度,而得出图2的烧结曲线,确定了烧结温度以指导生产。Umicore公司在制订CobaliteCNF预合金粉的热压烧结性能时,测定出不同烧结情况下的硬度,相对密度,还测定其抗冲击韧性,发现其韧性变化较大,在800℃和800℃以上,即可获得很好的韧性。当要求工具有很好的韧性时,则根据冲击韧性曲线,建议烧结温度为800℃或更高。2.4试验分析与测量法国Eurotungstene公司在研制NEXT系列预合金粉时,采用50×10×4的烧结试样,进行了三点挠曲试验,两点距离为45mm,用测量仪器记录应力与变形,并绘制出应力(N)与挠曲变形(mm)的关系。说明NEXT100对金刚石的把持力优于标准钴粉(Cobaltstanded)和Couf钴粉。2.5cobalitecnf抗氧化性能为了测试粉末的抗氧化性能,Umicore公司绘出了CobaliteCNF预合金粉和超细钴粉(CobaltEF)含氧量随时间的变化曲线,以说明与比较两者的抗氧化性能(见图3)3检出限、年龄与代数对金刚石寿命的影响研究(1)以某一种预合金粉末作为基础胎体,再根据不同用途添加Cu/Sn、Fe、WC粉而获得特殊的性能与要求。表5以Dr.Fritsch公司的Diabase-V21为例,说明了添加不同粉末后获得的不同性能与用途。(2)全预合金胎体锯切寿命比较德国Dr.Fristsch(飞羽)公司将不同预合金粉末,加工成Φ400mm圆锯片,刀头尺寸为40×3.6×(8+0),24个刀头焊接在消音锯片基体上,采用SDA85+,40/50金刚石,浓度为22%,运用在Schlatter公司BS600桥式锯机上,16kW功率,锯切BalticBrown菊花岗岩(又名啡钻),锯切面积625cm2/min,4个切程,切深9cm,往复式进行锯切,试切结果,寿命比较见图4。比利时Umicore公司采用CobaliteHDR预合金粉做纯胎体与工业上标准粉末混合物加工成Φ400锯片,采用40/50目金刚石,浓度22.5%(0.98ct/cm3),锯切钢筋混凝土,0.8m长,含8×12mm钢筋,采用湿式锯切,切深50mm,进给速度1m/min,最大预调功率12kW,试切结果表明;CobaliteHDR锯片比标准锯片寿命提高了40%,锯切速度提高了50%,切割锋利,试切结果见表6。(3)SB-1预合金粉初试效果湖南伏龙江超硬材料有限公司采用电解沉积法,试制出SB-1型FeNiCo预合金粉,该法按照所要制备的预合金成分比例要求,调整原材料比例和电解液配方,确定合适的工艺参数,制得海绵状合金沉积物,然后经净化、烘干、还原、磨细得到预合金粉。该预合金粉纯度高,无杂质,成分均匀,压制性能好,烧结温度低,硬度高,对金刚石把持力极好,制作的工具切割锋利。将该预合金粉添加Cu/Sn粉,制成Φ350mm锯片,刀头尺寸40×3.0×10,采用35/40,45/50,70/80金刚石,强度15kg金刚石,浓度25%,采用热压烧结机烧结,烧结温度730℃,硬度为HRB106~110。在金瑞新材料科技股份有限公司金刚石工具部试切车间进行了湿试试切。切机功率11kW,锯切丁字湾黑白花岗岩,板厚21mm,长1350mm,共锯切40刀,总长54m,锯片总磨耗量为0.1mm,平均锯切速度为5.4m/min,估计寿命为1008m。对试切后锯片刀头观察,发现金刚石突出高,金刚石颗粒后部蝌蚪尾细长,说明胎体对金刚石把持力很好(见图5)。对烧结后刀头断口的扫描电镜分析表明,胎体刀头中预合金分布均匀。初步试切结果表明:SB-1预合金成分均匀,成型性好,烧结温度低,硬度高,金刚石把持力好,制作的工具锯切锋利,磨耗少,寿命长,有待进一步稳定工艺,完善其性能。4研制预合金粉。为金刚石工具(1)国内外金刚石工具制造与应用的实践证明,研制生产与使用预合金粉是提高金刚石工具性能,降低成本的重要途径。(2)代钴预合金粉的研制正向低钴、无钴预合金粉,全胎体预合金粉,提高其冲击韧性方面发