预合金粉末的制备工艺

预合金粉末的制备工艺

1预制粉末和钻石工具的性能1.1组分熔法制备液体由金属代替的其他金属或金属材料的特征物质，称为金属。合金一般由各组分熔合成均匀的液体,再经冷凝而制得。采用多种金属熔炼成低熔点合金后再喷制成的粉末,称为预合金粉末。需要说明的是,上述预合金粉末的定义是根据粉末的雾化法生产工艺得出的,考虑到预合金粉末也可以通过湿法冶金工艺制取,这样上述定义就显得不很严谨。1.2铁合金粉末的制备预合金粉末的制取可以用雾化法生产,还可以通过湿法冶金的工艺得到。雾化法属于机械制粉法,是借助机械作用破坏固体金属原子间的结合,将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴。雾化法可以制取多种单质粉末和各种预合金粉末。雾化法包括二流雾化法,即借助高压水流或气流的冲击破碎液流,分气体雾化和水雾化;离心雾化法,即用离心力破坏液流,分旋转圆盘雾化,旋转电极雾化,旋转坩埚雾化等;其他雾化法如超声波雾化,即利用超声波能量来实现液流的破碎。利用二流雾化法中的气体雾化工艺制取预合金粉末时,金属一般过热100~150℃,并注入预先烘烤到600℃左右的漏包中。金属液流直径4~6mm,空气压力5~7大气压。喷嘴可用环孔或环缝喷嘴,环缝喷嘴用于喷制青铜时,在相同工艺条件下,过100目的粉末产出率一般比环孔喷嘴高30%。雾化粉末喷入干式集粉器,下部有水冷套,粗粉末直接从集粉器下方出口落到振动筛上过筛,中、细粉末从器内抽出,经集粉器沉降。更细的粉末进入风选器,抽风机的出口安装有布袋收尘器。由于水比气体的粘度大且冷却能力强,水雾化法特别适于熔点较高的金属与合金以及制造压缩性好的不规则形状粉末。熔化用电炉可以是感应电炉,也可以是电弧炉。水雾化所使用的水压通常为35~100大气压,喷嘴以前用环形喷嘴,现在发展到使用板状流V型喷射的喷嘴。水雾化时,控制好以下条件可以得到细粉末:水的压力高,水的流速快,流量大,金属液流直径小,过热温度高,金属的表面张力和粘度小,金属液流长度短,喷射长度短,喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得球形粉末:金属表面张力要大,过热温度高,水的流速低,喷射顶角大,液滴飞行路程长等。湿法冶金是指主要在水溶液中进行的提取冶金过程。利用湿法冶金制取预合金粉末是在水溶液中析出具有一定化学成分和物理形态的化合物或金属,然后经过还原得到。利用湿法冶金制取粉末可以控制粉末粒度,因而可以生产超细粉末。在《世界专利》中介绍了一种利用沉淀法制取适用于金刚石工具胎体的铁合金粉末。该发明是通过沉淀草酸盐混合液,并对沉淀物进行分解来制备预合金粉末的。其具体工艺流程为:草酸盐→配制溶液→混合溶液→搅拌溶液→滴加碱液→过滤溶液→滤饼洗涤→滤饼烘干→滤饼研碎→还原→预合金粉末。1.3合成金属粉末的优点采用预合金粉末作为金刚石工具的胎体,与机械混合单元素金属粉末相比,他具有以下几方面的优越性:(1)提高胎体的机械性能;(2)改善胎体合金对金刚石的把持力;(3)解决金属粉末的氧化、脏化问题;(4)增强粉末的烧结活性降低烧结节省能源;(5)简化生产工艺减少差错;(6)防止技术流失遏制机密泄露;(7)提高金刚石工具的质量,降低成本。2预合金粉末制备20世纪90年代中期,比利时Umicore公司首先提出了金刚石工具中使用预合金粉末的新概念,并于1988年将预合金粉末作为钴粉及钴混合粉的替代品真正应用在金刚石工具中。随后法国Eurotungstene、德国Dr.Fritsch已研制出一系列代钴预合金粉,并以优异性能广泛应用于锯片、钻头生产中。2.1cobalitehpec标准Umicore公司是最早提出预合金粉末概念并应用于金刚石工具的公司之一。为了满足金刚石工具高性能在建筑工程方面的应用需求,该公司采用湿法冶金工艺,在Cobalite601基础上研发出CobaliteHDR预合金粉末。CobaliteHDR(Co27%,Cu7%,Fe66%)是一种快速切割状态下对金刚石具有极好把持力的高硬度、高韧性、高耐磨性的铁基粘结剂,具有良好的激光焊接性。CobaliteHDR主要用于建筑工程行业方面高性能金刚石工具的应用。最近,Umicore在Cobalite601(通用)和CobaliteHDR(高耐磨性)之后,又增补了Cobalite系列最新产品:无钴镍预合金粉CobaliteCNF。它由于不含Co、Ni,所以在675℃低温下烧结时,具有较高硬度和优异的无压烧结性能,这就克服了钴粉在烧结(尤其是无压烧结)时温度非常高的缺点。2.2第四系统材料自1997年Eurotungstene公司开发出NEXT预合金粉末以来,Eurotungstene公司不断拓宽预合金粉末范围,相继推出NEXT100(Co25%、Fe25%、Cu50%)、NEXT200(Co25%、Fe15%、Cu60%)、NEXT300(Co25%、Fe72%、Cu3%)、NEXT900(Fe80%、Cu20%、<Co4%)。NEXT系列是金刚石工具用代钴亚微米级预合金粉末,不仅烧结温度和成本更低,而且通过增强金刚石把持力提高了工具寿命及性能。其中最近研制开发的NEXT300粉末专用于满足激光焊接工具干切市场需求,具有低含铜量,高延展性和高冲击强度。NEXT300热压烧结温度较低(750℃),激光焊接后具有更好的抗弯强度,既可以作为激光焊接金刚石干切工具的胎体材料,也可以作为过渡层材料。其后研制开发的NEXT900主要成分为Fe、Cu,属低钴含量预合金粉末,具有高延展性和冲击强度,尤其在干切割及石材抛光方面具有优异的性能。2.3胎体材料使用Dr.Fritsch在Diabase-V18(主要成分Fe、Cu)预合金粉末基础上研究开发了Diabase-V21(主要成分Fe、Cu、Co、Sn),它具有更高的延展性,且冲击强度提高了近一倍。Diabase-V21主要用作切割和钻切花岗岩及混凝土工具的胎体材料,实际使用过程中可单独使用也可添加一些适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,激光焊接金刚石工具中用V20-503做过渡层材料可获得更高强度的连接。2.4预合金粉末的应用前景展望目前,国外主要致力于预合金粉配比、烧结性能、物理机械性能、粒度细化、激光焊接性等方面的研究,以获得低成本、高性能的预合金粉末,提高金刚石工具综合性能。自从Umicore首先提出预合金粉末概念以来,预合金粉末在金刚石工具制造业及粉末冶金业的应用越来越广泛。国外大多数金刚石锯片、取芯钻头及其它天然石材和建材加工工具的制造商在产品制造过程中,除了纯钴外,均使用相当比例的预合金粉末。不难预测,利用预合金粉末的低熔点和成分均匀性,调整和控制金刚石工具的胎体性能,具有巨大的应用前景。未来预合金粉末产品的研究趋势集中在以下几方面:(1)进一步提高预合金粉末的物理性能预合金粉末粒度超细化是进一步提高预合金粉末及其金刚石工具性能的有效途径。超细预合金粉末具有优良的烧结性能,是现在普遍采用的元素混合粉末所不具备的,不仅可以降低烧结温度,更宽的温度范围内胎体的烧结硬度非常高,减少金刚石的热损伤,提高工具胎体对金刚石的把持力,最终提高金刚石工具的寿命和效率。(2)将需要向标准化、元素多样化的预合金粉末发展目前世界上许多公司均生产预合金粉末,如Eurotungstene、Dr.Fritsch、Umicore等,他们生产的预合金粉末具有自己的体系,没有形成统一的标准,不便于用户选择和比较,因而只有形成标准化的产品后,才能更好地服务市场、满足市场。同时,金刚石工具的使用范围在扩大,加工对象越来越复杂,对金刚石工具特殊性能要求越来越高,这样只有预合金元素多样化及能与多种添加物混合使用才利于解决上述问题。3末胎体金刚石工具的研究与应用目前国内真正生产和使用预合金粉末制造金刚石工具的企业并不很多。在很大程度上是生产预合金粉末的厂商仅根据自己的理解来制取预合金粉末,不了解金刚石工具胎体的设计机理,不知道金刚石工具厂家需要什么样的预合金粉末。而金刚石工具制造商知道自己需要什么性能的金刚石工具胎体,需要什么性能的预合金粉末,但苦于没有生产预合金粉末的能力,直接在粉末制造厂定点生产,又担心技术泄密和流失。这种现象严重制约了我国预合金粉末技术在金刚石工具行业的应用和推广。国内对预合金粉末胎体金刚石工具的研究与应用可分为以下两种情况:(1)直接购买国外的预合金粉末用于制造金刚石工具根据资料报道这种金刚石工具企业比较多。从近期来说,这种方式无疑是一种提高我国金刚石工具技术水平的捷径,但从长远来看,应不是一种理想的发展模式。因为在一定程度上,国外公司生产的预合金粉末不一定能完全和真正满足我国金刚石工具行业的具体情况,同时不能形成独立的自主知识产权体系。(2)使用自主研究开发的预合金粉末制造金刚石工具这种情况的典型代表企业是安泰科技股份有限公司,该公司采用高压水雾化快冷技术,将熔融的金属液流注入上部设有漏包坩埚的水雾化喷嘴,当熔融的金属液流通过倒流嘴流经喷嘴时,被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴,随后合金液滴落在水中凝固成粉末的方法制取FollowR系列预合金胎体粉末。用该预合金粉末制成金刚石工具,可降低生产成本,提高金刚石工具的使用性能。另外,北京有色研究总院的宋月清等人也研究出了TT15预合金粉末。TT15预合金粉末是以Fe-Cu-Ni为基并添加适量的其他特性元素雾化而成的。其特点是熔点低、烧结性能好,对金刚石的粘结性能高等,适宜于制造金刚石切割工具。同时也有其他学者对预合金胎体粉末进行了一些研究,如长沙矿业研究院的朱永伟等人研究了部分预合金对金刚石锯片胎体烧结过程的影响情况。早在上世纪80年代,中南大学(原中南工业大学)就开始了预合金粉末用于制做地质钻头胎体的研究工作,并取得了满意的效果。上述研究的预合金粉末均采用雾化法得到的。最近利用湿法冶金制取预合金粉末已引起国内学者的重视,并已开始了这方面的研究工作。4关于预埋金属粉末的体研究4.1预材料粘结剂配方预合金粉末在钻头胎体中充当粘结剂的作用,在设计预合金粉末的合金成分时,应考虑以下几点要求:(1)钻头烧结温度的高低主要取决于粘结金属熔点的高低,为了避免高温对金刚石造成热损伤,预合金粉末成分应该选择以低熔点金属为主。(2)预合金粘结剂在一定烧结温度下应能刚好润湿胎体中的骨架成分和金刚石,而在外压力作用下又不能产生流失现象。(3)在烧结过程中,预合金粘结剂与骨架成分若产生反应,则只能对胎体机械性能有利,只能对降低烧结温度有利,而不允许形成性能低劣的合金,和使液相消失不能全面去润湿骨架成份和金刚石,同时也不能对金刚石造成损伤。(4)钻头烧结后的冷却过程,或在以后保存过程中,淬火或时效作用下,只能对钻头胎体机械性能有利,以保证钻头的质量不受影响。(5)在钻头正常的工作温度下,预合金粘结金属应保证粘结物质层能承受胎体中硬质颗粒(骨架成分和金刚石)传给它的应力而不产生变形或位移。(6)根据地层的不同、使用条件的各异、钻进方法的区别,预合金粘结剂和骨架成分在品种和含量等方面应可适当调整,以适应不同的使用情况。根据上述要求,作者设计了两种预合金粘结剂配方:第一种为Cu-Zn-Ni系合金,为了进一步提高锌白铜的机械性能和耐磨性能,可在Cu-Zn-Ni系合金中加入锰,提高合金的强度和耐磨性,改善合金的工艺性能。第二种为锰白铜系合金,即Cu-Ni-Mn系合金,为了调整钻头胎体的综合性能,可在Cu-Ni-Mn系合金配方中,加入少量的其他金属元素,如Cr,可使钻头胎体材料显得硬而韧。4.2预埋粉末钻的使用近年来,对预合金粉末胎体钻头在全国许多地方进行过使用,使用结果均比较理想,下面列举两组典型实例。(1)硅质砂岩钻头使用情况在一般的石英砂岩和石英硅化砂岩中使用3个钻头,共进尺184.46m,总钻时102.5h,平均寿命61.5m,平均时效1.8m/h。在破碎的硅质砂岩中使用5个钻头,共进尺250.74m,总钻时143.8h,平均寿命50.15m,最高寿命91.71m,平均时效1.75m/h,最高时效1.87m/h。上述使用结果均为该队所使用过钻头的最好水平。(2)硅质混合岩钻头使用在硅化较高的石英砂岩及硅质板岩中使用3个钻头,共进尺38.11m,总钻时30h,平均寿命12.7m,最高寿命18.79m,平均时效1.27m/h,最高时效1.53m/h。在硅质混合岩中使用16个钻头,采用单管钻进,总进尺为300.94m,总钻时156.7h,平均寿命25.08m,最高寿命56.4m,平均时效1.92m/h,最高时效2.31m/h。质量指标均好于其他单位的非预合金粉末胎体钻头在同一地层的使用结果。5预合金粉末胎体花岗岩锯片的研究5.1u2004范围关于预合金粉末胎体花岗岩锯片的试验,共制作了六种金刚石锯片,这六种锯片胎体都由预合金粉末或加入部分预合金粉末热压烧结而成,其胎体配方及金刚石浓度见表1,为了比较的方便,选用金刚石都为JRD380,粒度都为40/50。其中ZWC预合金粉末以Cu、Sn等为主要成分,是一种通过雾化法生产的预合金粉末;ZSF预合金粉末以Fe、Co等为主要成分,是一种通过共沉淀法生产的预合金粉末;所用的元素粉末主要为Co、Ni、Mn等。六种锯片都为Ø400mm用于切割花岗岩锯片。除了锯片1节块为普通形状外(尺寸为40×3.6×10mm),其它五种锯片皆为双刀头节块,即基体单个齿上焊接两个小节块(尺寸为18×3.6×10mm)。锯片都采用高频工艺焊接。切割对象选用某地产灰白色花岗岩,其矿物组成为:石英20~30%,斜长石60~70%,黑云母及其它硅酸盐矿物含量约为10%左右。5.2鉴定磨耗量wsb将六种锯片,在试验台上通过自动台式切割机进行实验,锯切深度都为17mm左右,冷却水流量都为1L/min左右,每种锯片分别采用2m/min、3m/min、4m/min、5m/min、6m/min六种切速切割同种灰白花岗岩,每种切速下每片锯片切割长度都为10m。切割机的功率是18.5kW,锯片转速均为2200r/min,切割同种花岗岩。每锯切完面积约为0.2m的岩石后,测量一次锯片在半径方向上的磨耗量,用△r表示。锯片锋利度通过锯片走刀电流进行比较,走刀电流越大则锋利度越差。锯片耐磨度采用节块磨耗比进行比较,节块磨耗比为锯切面积(用A表示)与△r的比值,即A/△r,磨耗比越大,则节块单位消耗所切割的岩石量越多,即耐磨性越好。实验结果列于表2,并作图1和图2。图1和图2是分别根据为实际测量和计算出数据做出的六种锯片不同切速下的电流值和六种锯片不同切速下的磨耗比。5.3第二、考察正确处理两种预合金粉末胎体的物理性能,诉讼从图1、图2中可以可知,1号锯片在5种切速下锋利度始终是最差的,这是因为锯片锋利度决定于金刚石浓度、金刚石粒度、金刚石强度、胎体包镶金刚石的能力以及锯切规程等因素,由于本试验中各种锯片的金刚石粒度、强度都相同,因此,在同一切速下,锯片的锋利度主要决定于金刚石的浓度及胎体包镶金刚石的能力这两个因素。在其它条件相同的情况下,金刚石浓度有个合适的范围,在这个范围之内,锯片锋利度一般随金刚石浓度的提高反而降低;低于这个范围,由于同一切削线上相邻两颗金刚石的间距过大,导致每颗金刚石的切削厚度增大,容易导致金刚石颗粒非正常失效而使得锯片无法切削;超过这个范围,由于单位面积金刚石颗粒数增多,减弱了锯片胎体对金刚石的保持力,使金刚石颗粒脱落率增大,而不会起到增加切削刃的作用。同时可以看出,1号锯片在六种锯片中的耐磨度不是最高的,这是由于锯片耐磨性不但与金刚石参数有关,还与胎体耐磨性及胎体保持金刚石的能力有关,由于1号锯片胎体主要成分为ZWC预合金粉末,加上其他的元素粉末,这样其物理性能不理想,胎体耐磨性差,容易磨损,对金刚石的把持力不强,金刚石切削能力没有发挥完全就较早脱落,所以1号锯片寿命并不是最高的。2号锯片和3号锯片金刚石参数完全相同而胎体不同,从图1、图2可以看出,在大部分走刀速度下,3号的电流始终要小于2号,即3号锯片锋利度高于2号锯片,而且在大部分走刀速度下,3号的耐磨度要大于2号,从切割石材的质量情况来看3号也是好于2号,且试切后观察3号刀头胎体唇面较2号金刚石出刃要好,脱落也要少。比较3号和2号的胎体成分,3号锯片中加入了25%的ZSF预合金粉末,这说明预合金粉末能够起到改善胎体包镶能力,提高胎体耐磨性的作用。ZSF预合金粉末的主要成分为Fe、Co,其中的Fe、Co都能与金刚石表面形成碳化物,产生冶金结合,在820℃的烧结温度下,虽然Fe对金刚石表面有轻度刻蚀,但是并不会影响金刚石强度。而未加ZSF预合金粉末的胎体对金刚石的作用力为机械包镶力,所以金刚石容易脱落,再加上胎体本身耐磨性差,所以2号锯片寿命不及3号锯片。4、5、6号锯片除金刚石浓度不同外,其它参数都相同,比较这三片锯片,从图1、图2中可以看出,大部分情况下5号锯片的锋利度最好,4号锯片次之,6号锯片最差,而锯片耐磨性在较低切速下,一般是6号高于5号,4号最低。且从试验中观察这三种锯片刀头唇面情况、崩边情况,5号锯片刀头唇面金刚石脱落和出刃较4、6号要好,且切割质量也较好。这一结果基本符合常规认识,即随着金刚石浓度的