預合金粉末的制備工藝

預合金粉末的制備工藝

1預制粉末和鉆石工具的性能1.1組分熔法制備液體由金屬代替的其他金屬或金屬材料的特征物質，稱為金屬。合金一般由各組分熔合成均勻的液體,再經冷凝而制得。采用多種金屬熔煉成低熔點合金后再噴制成的粉末,稱為預合金粉末。需要說明的是,上述預合金粉末的定義是根據粉末的霧化法生產工藝得出的,考慮到預合金粉末也可以通過濕法冶金工藝制取,這樣上述定義就顯得不很嚴謹。1.2鐵合金粉末的制備預合金粉末的制取可以用霧化法生產,還可以通過濕法冶金的工藝得到。霧化法屬于機械制粉法,是借助機械作用破壞固體金屬原子間的結合,將液體金屬或合金直接破碎成為細小的液滴。霧化法可以制取多種單質粉末和各種預合金粉末。霧化法包括二流霧化法,即借助高壓水流或氣流的沖擊破碎液流,分氣體霧化和水霧化;離心霧化法,即用離心力破壞液流,分旋轉圓盤霧化,旋轉電極霧化,旋轉坩堝霧化等;其他霧化法如超聲波霧化,即利用超聲波能量來實現液流的破碎。利用二流霧化法中的氣體霧化工藝制取預合金粉末時,金屬一般過熱100~150℃,并注入預先烘烤到600℃左右的漏包中。金屬液流直徑4~6mm,空氣壓力5~7大氣壓。噴嘴可用環(huán)孔或環(huán)縫噴嘴,環(huán)縫噴嘴用于噴制青銅時,在相同工藝條件下,過100目的粉末產出率一般比環(huán)孔噴嘴高30%。霧化粉末噴入干式集粉器,下部有水冷套,粗粉末直接從集粉器下方出口落到振動篩上過篩,中、細粉末從器內抽出,經集粉器沉降。更細的粉末進入風選器,抽風機的出口安裝有布袋收塵器。由于水比氣體的粘度大且冷卻能力強,水霧化法特別適于熔點較高的金屬與合金以及制造壓縮性好的不規(guī)則形狀粉末。熔化用電爐可以是感應電爐,也可以是電弧爐。水霧化所使用的水壓通常為35~100大氣壓,噴嘴以前用環(huán)形噴嘴,現在發(fā)展到使用板狀流V型噴射的噴嘴。水霧化時,控制好以下條件可以得到細粉末:水的壓力高,水的流速快,流量大,金屬液流直徑小,過熱溫度高,金屬的表面張力和粘度小,金屬液流長度短,噴射長度短,噴射頂角適當等。控制好以下條件可以得球形粉末:金屬表面張力要大,過熱溫度高,水的流速低,噴射頂角大,液滴飛行路程長等。濕法冶金是指主要在水溶液中進行的提取冶金過程。利用濕法冶金制取預合金粉末是在水溶液中析出具有一定化學成分和物理形態(tài)的化合物或金屬,然后經過還原得到。利用濕法冶金制取粉末可以控制粉末粒度,因而可以生產超細粉末。在《世界專利》中介紹了一種利用沉淀法制取適用于金剛石工具胎體的鐵合金粉末。該發(fā)明是通過沉淀草酸鹽混合液,并對沉淀物進行分解來制備預合金粉末的。其具體工藝流程為:草酸鹽→配制溶液→混合溶液→攪拌溶液→滴加堿液→過濾溶液→濾餅洗滌→濾餅烘干→濾餅研碎→還原→預合金粉末。1.3合成金屬粉末的優(yōu)點采用預合金粉末作為金剛石工具的胎體,與機械混合單元素金屬粉末相比,他具有以下幾方面的優(yōu)越性:(1)提高胎體的機械性能;(2)改善胎體合金對金剛石的把持力;(3)解決金屬粉末的氧化、臟化問題;(4)增強粉末的燒結活性降低燒結節(jié)省能源;(5)簡化生產工藝減少差錯;(6)防止技術流失遏制機密泄露;(7)提高金剛石工具的質量,降低成本。2預合金粉末制備20世紀90年代中期,比利時Umicore公司首先提出了金剛石工具中使用預合金粉末的新概念,并于1988年將預合金粉末作為鈷粉及鈷混合粉的替代品真正應用在金剛石工具中。隨后法國Eurotungstene、德國Dr.Fritsch已研制出一系列代鈷預合金粉,并以優(yōu)異性能廣泛應用于鋸片、鉆頭生產中。2.1cobalitehpec標準Umicore公司是最早提出預合金粉末概念并應用于金剛石工具的公司之一。為了滿足金剛石工具高性能在建筑工程方面的應用需求,該公司采用濕法冶金工藝,在Cobalite601基礎上研發(fā)出CobaliteHDR預合金粉末。CobaliteHDR(Co27%,Cu7%,Fe66%)是一種快速切割狀態(tài)下對金剛石具有極好把持力的高硬度、高韌性、高耐磨性的鐵基粘結劑,具有良好的激光焊接性。CobaliteHDR主要用于建筑工程行業(yè)方面高性能金剛石工具的應用。最近,Umicore在Cobalite601(通用)和CobaliteHDR(高耐磨性)之后,又增補了Cobalite系列最新產品:無鈷鎳預合金粉CobaliteCNF。它由于不含Co、Ni,所以在675℃低溫下燒結時,具有較高硬度和優(yōu)異的無壓燒結性能,這就克服了鈷粉在燒結(尤其是無壓燒結)時溫度非常高的缺點。2.2第四系統材料自1997年Eurotungstene公司開發(fā)出NEXT預合金粉末以來,Eurotungstene公司不斷拓寬預合金粉末范圍,相繼推出NEXT100(Co25%、Fe25%、Cu50%)、NEXT200(Co25%、Fe15%、Cu60%)、NEXT300(Co25%、Fe72%、Cu3%)、NEXT900(Fe80%、Cu20%、<Co4%)。NEXT系列是金剛石工具用代鈷亞微米級預合金粉末,不僅燒結溫度和成本更低,而且通過增強金剛石把持力提高了工具壽命及性能。其中最近研制開發(fā)的NEXT300粉末專用于滿足激光焊接工具干切市場需求,具有低含銅量,高延展性和高沖擊強度。NEXT300熱壓燒結溫度較低(750℃),激光焊接后具有更好的抗彎強度,既可以作為激光焊接金剛石干切工具的胎體材料,也可以作為過渡層材料。其后研制開發(fā)的NEXT900主要成分為Fe、Cu,屬低鈷含量預合金粉末,具有高延展性和沖擊強度,尤其在干切割及石材拋光方面具有優(yōu)異的性能。2.3胎體材料使用Dr.Fritsch在Diabase-V18(主要成分Fe、Cu)預合金粉末基礎上研究開發(fā)了Diabase-V21(主要成分Fe、Cu、Co、Sn),它具有更高的延展性,且沖擊強度提高了近一倍。Diabase-V21主要用作切割和鉆切花崗巖及混凝土工具的胎體材料,實際使用過程中可單獨使用也可添加一些適于特殊使用要求的元素混合使用。Diabase-V21具有良好的激光焊接性,激光焊接金剛石工具中用V20-503做過渡層材料可獲得更高強度的連接。2.4預合金粉末的應用前景展望目前,國外主要致力于預合金粉配比、燒結性能、物理機械性能、粒度細化、激光焊接性等方面的研究,以獲得低成本、高性能的預合金粉末,提高金剛石工具綜合性能。自從Umicore首先提出預合金粉末概念以來,預合金粉末在金剛石工具制造業(yè)及粉末冶金業(yè)的應用越來越廣泛。國外大多數金剛石鋸片、取芯鉆頭及其它天然石材和建材加工工具的制造商在產品制造過程中,除了純鈷外,均使用相當比例的預合金粉末。不難預測,利用預合金粉末的低熔點和成分均勻性,調整和控制金剛石工具的胎體性能,具有巨大的應用前景。未來預合金粉末產品的研究趨勢集中在以下幾方面:(1)進一步提高預合金粉末的物理性能預合金粉末粒度超細化是進一步提高預合金粉末及其金剛石工具性能的有效途徑。超細預合金粉末具有優(yōu)良的燒結性能,是現在普遍采用的元素混合粉末所不具備的,不僅可以降低燒結溫度,更寬的溫度范圍內胎體的燒結硬度非常高,減少金剛石的熱損傷,提高工具胎體對金剛石的把持力,最終提高金剛石工具的壽命和效率。(2)將需要向標準化、元素多樣化的預合金粉末發(fā)展目前世界上許多公司均生產預合金粉末,如Eurotungstene、Dr.Fritsch、Umicore等,他們生產的預合金粉末具有自己的體系,沒有形成統一的標準,不便于用戶選擇和比較,因而只有形成標準化的產品后,才能更好地服務市場、滿足市場。同時,金剛石工具的使用范圍在擴大,加工對象越來越復雜,對金剛石工具特殊性能要求越來越高,這樣只有預合金元素多樣化及能與多種添加物混合使用才利于解決上述問題。3末胎體金剛石工具的研究與應用目前國內真正生產和使用預合金粉末制造金剛石工具的企業(yè)并不很多。在很大程度上是生產預合金粉末的廠商僅根據自己的理解來制取預合金粉末,不了解金剛石工具胎體的設計機理,不知道金剛石工具廠家需要什么樣的預合金粉末。而金剛石工具制造商知道自己需要什么性能的金剛石工具胎體,需要什么性能的預合金粉末,但苦于沒有生產預合金粉末的能力,直接在粉末制造廠定點生產,又擔心技術泄密和流失。這種現象嚴重制約了我國預合金粉末技術在金剛石工具行業(yè)的應用和推廣。國內對預合金粉末胎體金剛石工具的研究與應用可分為以下兩種情況:(1)直接購買國外的預合金粉末用于制造金剛石工具根據資料報道這種金剛石工具企業(yè)比較多。從近期來說,這種方式無疑是一種提高我國金剛石工具技術水平的捷徑,但從長遠來看,應不是一種理想的發(fā)展模式。因為在一定程度上,國外公司生產的預合金粉末不一定能完全和真正滿足我國金剛石工具行業(yè)的具體情況,同時不能形成獨立的自主知識產權體系。(2)使用自主研究開發(fā)的預合金粉末制造金剛石工具這種情況的典型代表企業(yè)是安泰科技股份有限公司,該公司采用高壓水霧化快冷技術,將熔融的金屬液流注入上部設有漏包坩堝的水霧化噴嘴,當熔融的金屬液流通過倒流嘴流經噴嘴時,被噴嘴射出的高速水流擊碎成小液滴,隨后合金液滴落在水中凝固成粉末的方法制取FollowR系列預合金胎體粉末。用該預合金粉末制成金剛石工具,可降低生產成本,提高金剛石工具的使用性能。另外,北京有色研究總院的宋月清等人也研究出了TT15預合金粉末。TT15預合金粉末是以Fe-Cu-Ni為基并添加適量的其他特性元素霧化而成的。其特點是熔點低、燒結性能好,對金剛石的粘結性能高等,適宜于制造金剛石切割工具。同時也有其他學者對預合金胎體粉末進行了一些研究,如長沙礦業(yè)研究院的朱永偉等人研究了部分預合金對金剛石鋸片胎體燒結過程的影響情況。早在上世紀80年代,中南大學(原中南工業(yè)大學)就開始了預合金粉末用于制做地質鉆頭胎體的研究工作,并取得了滿意的效果。上述研究的預合金粉末均采用霧化法得到的。最近利用濕法冶金制取預合金粉末已引起國內學者的重視,并已開始了這方面的研究工作。4關于預埋金屬粉末的體研究4.1預材料粘結劑配方預合金粉末在鉆頭胎體中充當粘結劑的作用,在設計預合金粉末的合金成分時,應考慮以下幾點要求:(1)鉆頭燒結溫度的高低主要取決于粘結金屬熔點的高低,為了避免高溫對金剛石造成熱損傷,預合金粉末成分應該選擇以低熔點金屬為主。(2)預合金粘結劑在一定燒結溫度下應能剛好潤濕胎體中的骨架成分和金剛石,而在外壓力作用下又不能產生流失現象。(3)在燒結過程中,預合金粘結劑與骨架成分若產生反應,則只能對胎體機械性能有利,只能對降低燒結溫度有利,而不允許形成性能低劣的合金,和使液相消失不能全面去潤濕骨架成份和金剛石,同時也不能對金剛石造成損傷。(4)鉆頭燒結后的冷卻過程,或在以后保存過程中,淬火或時效作用下,只能對鉆頭胎體機械性能有利,以保證鉆頭的質量不受影響。(5)在鉆頭正常的工作溫度下,預合金粘結金屬應保證粘結物質層能承受胎體中硬質顆粒(骨架成分和金剛石)傳給它的應力而不產生變形或位移。(6)根據地層的不同、使用條件的各異、鉆進方法的區(qū)別,預合金粘結劑和骨架成分在品種和含量等方面應可適當調整,以適應不同的使用情況。根據上述要求,作者設計了兩種預合金粘結劑配方:第一種為Cu-Zn-Ni系合金,為了進一步提高鋅白銅的機械性能和耐磨性能,可在Cu-Zn-Ni系合金中加入錳,提高合金的強度和耐磨性,改善合金的工藝性能。第二種為錳白銅系合金,即Cu-Ni-Mn系合金,為了調整鉆頭胎體的綜合性能,可在Cu-Ni-Mn系合金配方中,加入少量的其他金屬元素,如Cr,可使鉆頭胎體材料顯得硬而韌。4.2預埋粉末鉆的使用近年來,對預合金粉末胎體鉆頭在全國許多地方進行過使用,使用結果均比較理想,下面列舉兩組典型實例。(1)硅質砂巖鉆頭使用情況在一般的石英砂巖和石英硅化砂巖中使用3個鉆頭,共進尺184.46m,總鉆時102.5h,平均壽命61.5m,平均時效1.8m/h。在破碎的硅質砂巖中使用5個鉆頭,共進尺250.74m,總鉆時143.8h,平均壽命50.15m,最高壽命91.71m,平均時效1.75m/h,最高時效1.87m/h。上述使用結果均為該隊所使用過鉆頭的最好水平。(2)硅質混合巖鉆頭使用在硅化較高的石英砂巖及硅質板巖中使用3個鉆頭,共進尺38.11m,總鉆時30h,平均壽命12.7m,最高壽命18.79m,平均時效1.27m/h,最高時效1.53m/h。在硅質混合巖中使用16個鉆頭,采用單管鉆進,總進尺為300.94m,總鉆時156.7h,平均壽命25.08m,最高壽命56.4m,平均時效1.92m/h,最高時效2.31m/h。質量指標均好于其他單位的非預合金粉末胎體鉆頭在同一地層的使用結果。5預合金粉末胎體花崗巖鋸片的研究5.1u2004范圍關于預合金粉末胎體花崗巖鋸片的試驗,共制作了六種金剛石鋸片,這六種鋸片胎體都由預合金粉末或加入部分預合金粉末熱壓燒結而成,其胎體配方及金剛石濃度見表1,為了比較的方便,選用金剛石都為JRD380,粒度都為40/50。其中ZWC預合金粉末以Cu、Sn等為主要成分,是一種通過霧化法生產的預合金粉末;ZSF預合金粉末以Fe、Co等為主要成分,是一種通過共沉淀法生產的預合金粉末;所用的元素粉末主要為Co、Ni、Mn等。六種鋸片都為?400mm用于切割花崗巖鋸片。除了鋸片1節(jié)塊為普通形狀外(尺寸為40×3.6×10mm),其它五種鋸片皆為雙刀頭節(jié)塊,即基體單個齒上焊接兩個小節(jié)塊(尺寸為18×3.6×10mm)。鋸片都采用高頻工藝焊接。切割對象選用某地產灰白色花崗巖,其礦物組成為:石英20~30%,斜長石60~70%,黑云母及其它硅酸鹽礦物含量約為10%左右。5.2鑒定磨耗量wsb將六種鋸片,在試驗臺上通過自動臺式切割機進行實驗,鋸切深度都為17mm左右,冷卻水流量都為1L/min左右,每種鋸片分別采用2m/min、3m/min、4m/min、5m/min、6m/min六種切速切割同種灰白花崗巖,每種切速下每片鋸片切割長度都為10m。切割機的功率是18.5kW,鋸片轉速均為2200r/min,切割同種花崗巖。每鋸切完面積約為0.2m的巖石后,測量一次鋸片在半徑方向上的磨耗量,用△r表示。鋸片鋒利度通過鋸片走刀電流進行比較,走刀電流越大則鋒利度越差。鋸片耐磨度采用節(jié)塊磨耗比進行比較,節(jié)塊磨耗比為鋸切面積(用A表示)與△r的比值,即A/△r,磨耗比越大,則節(jié)塊單位消耗所切割的巖石量越多,即耐磨性越好。實驗結果列于表2,并作圖1和圖2。圖1和圖2是分別根據為實際測量和計算出數據做出的六種鋸片不同切速下的電流值和六種鋸片不同切速下的磨耗比。5.3第二、考察正確處理兩種預合金粉末胎體的物理性能,訴訟從圖1、圖2中可以可知,1號鋸片在5種切速下鋒利度始終是最差的,這是因為鋸片鋒利度決定于金剛石濃度、金剛石粒度、金剛石強度、胎體包鑲金剛石的能力以及鋸切規(guī)程等因素,由于本試驗中各種鋸片的金剛石粒度、強度都相同,因此,在同一切速下,鋸片的鋒利度主要決定于金剛石的濃度及胎體包鑲金剛石的能力這兩個因素。在其它條件相同的情況下,金剛石濃度有個合適的范圍,在這個范圍之內,鋸片鋒利度一般隨金剛石濃度的提高反而降低;低于這個范圍,由于同一切削線上相鄰兩顆金剛石的間距過大,導致每顆金剛石的切削厚度增大,容易導致金剛石顆粒非正常失效而使得鋸片無法切削;超過這個范圍,由于單位面積金剛石顆粒數增多,減弱了鋸片胎體對金剛石的保持力,使金剛石顆粒脫落率增大,而不會起到增加切削刃的作用。同時可以看出,1號鋸片在六種鋸片中的耐磨度不是最高的,這是由于鋸片耐磨性不但與金剛石參數有關,還與胎體耐磨性及胎體保持金剛石的能力有關,由于1號鋸片胎體主要成分為ZWC預合金粉末,加上其他的元素粉末,這樣其物理性能不理想,胎體耐磨性差,容易磨損,對金剛石的把持力不強,金剛石切削能力沒有發(fā)揮完全就較早脫落,所以1號鋸片壽命并不是最高的。2號鋸片和3號鋸片金剛石參數完全相同而胎體不同,從圖1、圖2可以看出,在大部分走刀速度下,3號的電流始終要小于2號,即3號鋸片鋒利度高于2號鋸片,而且在大部分走刀速度下,3號的耐磨度要大于2號,從切割石材的質量情況來看3號也是好于2號,且試切后觀察3號刀頭胎體唇面較2號金剛石出刃要好,脫落也要少。比較3號和2號的胎體成分,3號鋸片中加入了25%的ZSF預合金粉末,這說明預合金粉末能夠起到改善胎體包鑲能力,提高胎體耐磨性的作用。ZSF預合金粉末的主要成分為Fe、Co,其中的Fe、Co都能與金剛石表面形成碳化物,產生冶金結合,在820℃的燒結溫度下,雖然Fe對金剛石表面有輕度刻蝕,但是并不會影響金剛石強度。而未加ZSF預合金粉末的胎體對金剛石的作用力為機械包鑲力,所以金剛石容易脫落,再加上胎體本身耐磨性差,所以2號鋸片壽命不及3號鋸片。4、5、6號鋸片除金剛石濃度不同外,其它參數都相同,比較這三片鋸片,從圖1、圖2中可以看出,大部分情況下5號鋸片的鋒利度最好,4號鋸片次之,6號鋸片最差,而鋸片耐磨性在較低切速下,一般是6號高于5號,4號最低。且從試驗中觀察這三種鋸片刀頭唇面情況、崩邊情況,5號鋸片刀頭唇面金剛石脫落和出刃較4、6號要好,且切割質量也較好。這一結果基本符合常規(guī)認識,即隨著金剛石濃度的