金刚石用预合金粉的研究现状

金刚石用预合金粉的研究现状

由于其高度的硬度，钻石广泛应用于研磨、切割和精确加工等领域。金刚石工具的生产工艺主要包括烧结,钎焊以及镀覆等。其中烧结金刚石工具是将金刚石和胎体粉混合,以胎体粉作为粘结剂,通过压制成型、烧结后获得,胎体粉末在其中起到了重要的作用。在金刚石工具行业中,传统的胎体粉是由单元素粉末进行机械混合获得,这种方法获得的胎体粉末很难达到完全合金化,而且胎体成分很难均匀,随后研制出了预合金粉,预合金粉即按设计好的成分配比,通过火法冶金等方法将金属制成特定粒度的合金粉末。至今,国内外研究人员对预合金粉末进行了大量的研究,已有许多产品投入到实际应用中。本文综合国内外相关文献,对预合金粉末的研究现状作简要的介绍。1国内外预埋粉末的生产1.1diabase系列20世纪90年代中期,比利时Umicore公司首先提出在金刚石工具中使用预合金粉末的新概念,并于1998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,并推出了Cobalite系列。法国Eurotungstene公司开发了NEXT系列,并不断拓宽NEXT预合金粉范围,相继推出了NEXT100,NEXT200,NEXT300,NEXT900。德国Dr.Fritsch公司推出了Diabase系列(V18及V2l),具体性能见表1。国内对预合金粉开展相关研究较晚,其中有湖南省冶金材料研究所利用雾化法生产了FJT系列预合金粉,研粉末新材料有限公司利用湿法冶金方法推出YHJ系列预合金粉,安泰科技股份有限公司利用高压水雾法制取Follow系列预合金粉,卡斯通利用机械混合法生产的FC系列预合金粉等,已形成规模化工业生产,其他还有一些公司进行了研究,其主要产品及性能见表2。1.2新型预合金粉的研究钴对金刚石有着优良的把持力,良好的烧结性能,与其他金属有较好的相容性,因此金刚石工具多采用纯Co或者高Co含量的预合金粉,但Co价昂贵,价格波动不定,而且Co对人体有一定的伤害。因此人们大力开展代Co的预合金粉的研究,开发出了Ni基、Cu基、Fe基等预合金粉。而随着金刚石工具的发展,钎焊金刚石工具越来越受到人们的欢迎,与传统的金刚石工具相比,它具有结合强度高,出刃高度大,使用寿命长等特点。目前金刚石用预合金钎焊粉,主要包括Ni-Cr、Ag-Cu和Cu-Sn三类合金。为了提高预合金钎料的性能,通常在其中添加一些碳化物形成元素和稀土元素。目前,国内外在这方面的研究较多。1.2.1真空焊接实验由于金刚石与大多数金属的润湿性较差,胎体粉对金刚石多为机械包裹,为了降低预合金钎料对金刚石的接触角,加强对金刚石的把持力,通常在预合金钎料的选择上一般都采用含有碳化物形成元素(如Cr、Ti等)的预合金钎料。Chattopadhyay等利用Ni-Cr钎焊金刚石工具,发现金刚石表面有Cr富集,加强了胎体对金刚石的把持力。LiWC等利用Cu-Sn-15Ti钎焊金刚石时发现金刚石表面生长了一层40～60nm的TiC。卢金斌等采用Ag-Cu-T钎料对金刚石进行真空钎焊实验,利用SEM,EDS,XRD,Raman光谱等检测,发现Ag-Cu-Ti钎料中的Ti元素在界面处发生偏析,并在金刚石表面生成尺寸小于1μm的块状TiC,金刚石在焊接过程的高温下没有发生石墨化,在界面上形成了金刚石/TiC/钎料/钢基体的梯度结合层。张凤林等在Ag-Cu-Zn钎料合金与金刚石之间添加Cr、Ti金属粉,在不同条件下钎焊金刚石磨粒,通过扫描电镜和光学显微镜对钎焊金刚石表面形貌及金刚石-钎料合金-钢基体之间界面的微观结构进行观察,发现Cr和Ti都部分融入钎料合金,并且向金刚石界面富集,从而提高了钎料对金刚石的润湿性。赵宁等采用自制的Cu-32Mn-8Ti预合金粉末,在真空钎焊条件下制备了金刚石复合材料,通过SEM,EDX及XRD等手段研究预合金粉末与金刚石颗粒界面反应,发现预合金粉末中的Ti向金刚石表面扩散、富集,形成约为3～5μm的扩散层,并与金刚石表面的C发生化学冶金反应生成TiC,实现了金刚石与胎体金属之间的化学键结合,改善了胎体与金刚石的结合,提高了金刚石与胎体金属的结合强度。关砚聪等在常态790℃下进行钎焊,以Ag-Cu-Ni合金为钎料实现了对镀覆Ti膜金刚石与钢基体的牢固连接,磨削后金刚石脱落率为11%,可以适用于一般磨削加工;选用Ag-Cu-Cr合金钎料可实现对镀覆Ni膜金刚石与钢基体的牢固连接,钎焊温度为800℃,磨削后金刚石脱落率为8%,适用于高级磨削加工。在真空中进行钎焊,选用Ag-Cu-Ti对无镀覆膜金刚石与钢基体的牢固连接,真空度为0.2Pa,钎焊温度为940℃,磨削后金刚石脱落率为5%,特别适用于高级磨削加工。1.2.2金属胎体复合材料稀土元素对材料的性能有许多特殊的影响,已经证明,稀土元素具有细化晶粒,净化材料表面和界面,吸附有害杂质O、S、P等并与之反应生成其相应的化合物等,能够显著提高材料的综合性能,在工具胎体中添加稀土元素被认为是提高金刚石工具性能的行之有效的方法。宋月清等以Cu-Ce合金粉的形式向金刚石工具铜基胎体中添加稀土Ce,发现添加稀土元素可以显著提高胎体的机械性能,含金刚石胎体的抗弯强度以及金刚石的出露高度。在金刚石胎体中添加LaNi5合金粉末,发现La的加入可显著提高胎体的综合机械性能,当La含量达0.75%时,抗弯强度提高39.8%,磨损后金刚石在胎体中的出露高度提高30%。高云等向铜基粉料中加入LaNi5合金粉末,稀土元素La的加入减少了金属胎体中的孔洞等缺陷,改善了金属胎体对金刚石的润湿性,从而提高了复合材料的强度和粘结性能。吴玉会等在金刚石工具胎体中添加1.0%的La-Ni预合金粉,金刚石/铜基复合材料的抗弯强度达到最高。利用扫描电镜和能谱对断口进行分析,发现在实验条件下,稀土元素La有向Ti偏聚的倾向,并富集于基体金属与金刚石的界面。经X射线衍射分析发现:合金粉中的活性La可以还原Ti颗粒表面的TiO薄膜,从而增强Ti的活性、净化界面,提高铜基胎体对金刚石的粘结性能。孙毓超等在铜基胎体中添加稀土La、Ce,二者都有强化基体、提高金刚石和胎体的结合力的作用。并且为了考察Ce的特异作用的普遍性,在Cu-Ni-Mn-Co系,Cu-Sn-Ti系,Al-Cu-Ni系,钴系合金系中添加Ce,发现在Cu-Ni-Mn-Co中添加Ce使得其液相线降低约10℃,液相、固相线距离缩小,而且使得Cu-Ni-Mn-Co合金对石墨的接触角降低为10°以上。在铜基胎体和钴基胎体中测定Ce对抗弯强度的影响,发现添加0.1%的Ce使铜基胎体抗弯强度平均提高68.92MPa,而对高钴或纯钴胎体,适当提高Ce含量有利于机械性能的改善,对青铜胎体只要加入少量的Ce即可起到很好的作用。通过SEM金相照片和断口分析发现含Ce合金断口是韧性较好的粉末冶金材料断口,组织细小致密,韧窝深而且大;无Ce合金断口,组织较粗糙。2预铬粉末的制备方法目前,预合金粉末的制备方法归纳起来主要有以下几种。2.1铁铜镍铁盐粉料共沉淀法即是在含有两种或多种金属离子的溶液中,加入沉淀剂、表面改性剂,通过强化工艺条件,使各种金属离子几乎同时沉淀而获得成分均匀的沉淀物,再将沉淀物经过热分解、还原、破碎、过筛等工序处理后,最终得到所需粉末的方法。共沉淀法是制备含有两种以上金属元素的复合粉料的重要方法,由于化学共沉淀法各组分预先可在溶液中达到分子间的均匀混合,制品的成分均匀稳定,另外其他参数也易于控制,容易得到具有给定物理性能(如粒度、粒形等)的原始粉末。制取的粉料具有粒度细、粒度分布范围窄、成分分布均匀、纯度高、烧结活性好等优点。向波等利用可溶性铜盐、可溶性钴盐、可溶性铁盐,以Na2CO3为沉淀剂,控制pH值在9.7～10.0之间,制备了铁铜钴预合金粉末,其相对密度达到98.24%,抗弯强度达1127MPa,硬度达100.4HRB,性能远远高于机械混合法制备的胎体粉。申思等同样以共沉淀法制备了FeCo预合金粉末,同时还考察了不同沉淀剂(草酸、草酸铵、碳酸氢铵)对预合金粉末的粒度和形貌的影响,得出以碳酸氢铵作为沉淀剂制备的预合金粉末的粒度最细为7.5μm,粉末形貌为由小颗粒构成的团聚体,小颗粒之间发生一定的聚合,沉淀剂为草酸和草酸铵时,形貌为表面疏松多孔的大颗粒。2.2水雾法与冲击法雾化法,即借助高压水流或气流将液体金属或合金直接粉碎成细小的液滴,通过冷却后收集粉末。雾化法按介质可分为水雾化和气雾化。气雾化即以空气或惰性气体为介质,冲击并剪切已熔融的金属流,使之破碎成细小的金属液滴。继而,液滴在充满惰性气体保护的高大容器内被急剧冷却下来而形成粉末颗粒。该法的特点是得到的粉末多为球形,如果使用惰性气流为介质,粉末的含氧量较低,但此法对设备要求较高。水雾法是以高压水为介质,将金属流破碎成细小的金属液滴,再通过冷却而形成粉末颗粒,该法的特点是得到的粉末多为土豆或不规则形,对设备要求较低。田峰等利用雾化法制备了Cu-Fe-SnCe预合金粉,并考察了稀土Cu基金刚石工具的各种性能。2.3机械合金粉的制备机械合金化法,是在保护气氛下在球磨机等设备中按一定的球料比,混合各种金属粉,进行长时间球磨,在机械驱动力的作用下,粉末经反复的挤压,冷焊及粉碎过程,组织结构逐步细化,成为弥散分布的超细粒子,在固态下实现合金化,从而制得超细合金粉。机械合金化的一个显著特点是能在低温下合成通常要求高温加工才能制备的材料,并能获得常规方法难以获得的非晶合金、超饱和固溶体等材料。但是机械合金化法容易在球磨过程中将杂质带入粉末中降低产品的纯度,且反复的挤压使粉末内部产生很大的内应力,影响粉末的压制性能和烧结性能。其他方法还有很多,如烧结破碎法、超声化学法、非晶晶化法、气相蒸发法等,另外随着研究的深入,不断有新的制备方法出现。3对预合金粉末的研究是高端市场的一种重