预合金粉产品性能及应用特点

预合金粉产品性能及应用特点

1预合金粉在金刚石工具领域的应用进展u丘首先提出了预金粉的概念。自20世纪90年代以来，预金粉广泛应用于钻石工具行业和冶金行业。目前,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。最近四年,预合金粉已占据钴粉金刚石工具市场的15～20%,而且覆盖的应用领域也在不断拓宽。在金刚石工具业,传统的胎体材料是由单元素粉末进行机械混合获得。这种方法获得的胎体烧结温度高,有时不能达到完全合金化,且胎体成分也不均匀。为克服上述缺点,提高金刚石工具胎体的物理机械性能,人们开始研究胎体粉末的预合金化问题。目前,国内外研究人员对预合金粉进行了大量研究,已有大量产品投入了实际应用。本文综合分析了预合金粉的特点及研究现状,预测了预合金粉的发展趋势。2预应力指标检测预合金粉末是按照设计好的胎体配比,在烧结之前预先熔炼成合金,然后雾化喷粉,得到所需粒度的胎体粉末。这种方法得到的预合金粉末由于每个粉末颗粒都包含组成合金的各种金属元素,因此预合金粉成分均匀性相当好。同时,预合金粉共熔点比合金中单元素熔点要低得多,烧结过程中,只要温度达到预合金粉末的液相线以上一点时,整个粘结金属成分的粉末熔化。因此,使用预合金粉末有以下显著特点:1)预合金粉刀头比机械混合粉末刀头元素分布均匀,从根本上避免了成份偏析;2)预合金粉合金化充分,组织均匀,大大提高了烧结制品的抗压、抗弯强度,易于满足金刚石制品胎体性能要求;3)由于预先合金化大大降低了烧结过程中金属原子的扩散所需的激活能,降低了烧结温度,缩短了烧结时间,有利于避免金刚石高温损伤;4)预合金粉抗氧化能力强,烧结性能好;5)预合金粉胎体具有高硬度和高冲击强度;6)预合金粉可提高对金刚石的把持力,提高金刚石工具的锋利度,延长工具的使用寿命;7)在切割性能相同的情况下,使用预合金粉可降低金刚石浓度15%-20%,使生产成本更低廉。3预合金粉的制备目前,国内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,提高金刚石工具综合性能。法国Eurotungstene、德国Dr.Fritsch、比利时Umicore公司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。3.1冲压器用代类分析自1997年Eurotungstene开发出NEXT®预合金粉末以来,Eurotungstene不断拓宽NEXT®预合金粉范围,相继推出NEXT100®、NEXT200®、NEXT300®、NEXT900®。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®(Co25%、Fe72%、Cu3%)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,使用NEXT300®可以提高工具的快速切割性能。其后研制开发的NEXT900®主要成分为Fe、Cu,属低钴含量预合金粉(成份见表1),具有高延展性和冲击强度,在干切割及石材抛光方面具有尤其优异的性能,非常适合与传统添加物混合使用。图1为NEXT900®微观组织,图2反映了NEXT®系列预合金粉末热压烧结性能。3.2热压烧结曲线Dr.Fritsch在Diabase-V18预合金粉基础上研究开发了Diabase-V21,它具有更高的延展性,且冲击强度提高了近一倍。图3为Diabase-V21热压烧结曲线。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接头。图3和表2反应了预合金粉Diabase-V21性能。3.3cobalitehpec铁身工具为满足金刚石工具高性能建筑应用需求,Umicore公司采用湿法冶金工艺(即金属离子溶于水中),在Cobalite601基础上研发出CobaliteHDR预合金粉。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由于铜含量较低,通常不推荐无压烧结。CobaliteHDR主要用于高性能建筑应用,如地板锯切、墙锯和钢筋混凝土及沥青的取芯钻,以代替传统的含WC的钴基粘结剂。用CobaliteHDR作胎体制造的高性能金刚石工具可在保证工具寿命前提下快速切割、磨削和钻切钢筋混凝土及沥青。文献对分别用纯CobaliteHDR和工业标准成分制成的直径400mm金刚石锯片进行湿切割钢筋混凝土B35试验。结果显示,相对工业标准成分制成的锯片,含CobaliteHDR锯片寿命提高了40%,切割速度提高了50%。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。CobaliteCNF(成份见表4)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(CobaliteCNF是当前预合金烧结温度最低的一种)。CobaliteCNF采用锡固溶强化,同时加入钨减少金属间化合物的形成并克服添加锡的负面影响,利用氧化物(Y2O3)弥散强化提高强化效果,因此具有较高的硬度和足够的韧性。实际使用时,添加Co、Fe、Cu、WC易于调节CobaliteCNF硬度,尤其与超细钴粉混合使用时性能很好。图4为Cobalite系列预合金粉SEM图,图5和图6分别反应了CobaliteHDR和CobaliteCNF的烧结性能。3.4其他代金属粉末性能综上可知,目前预合金粉在金刚石工具业中的应用研究主要在于其高性能低含钴量。这是因为虽然钴粉具有优异的机械性能和烧结性能,但是钴粉价格相对较高,而典型的预合金粉含钴不到30%,对钴粉价格波动影响不是很敏感,这是研发预合金粉的主要动力。表5列出了国外部分代钴预合金粉末性能。目前,预合金粉产品已经标准化及商品化,可以满足各种应用需求。但预合金粉由于是在胎体配方烧结前就已经预制好了,合金元素成分就相对难于满足特殊应用需求的场合。因此,预合金粉在实际应用中需根据特殊应用要求混合加入一些增强胎体特殊性能的元素,以达到最佳应用效果。Erotungstene的NEXT100®、NEXT200®、NEXT300®及Umicore的CobaliteHDR、CobaliteCNF根据切割对象的不同,添加铁、青铜、钨、碳化钨粉末,可提高刀头的弹性极限,增强对金刚石的把持力,提高刀头的耐磨性与锋利度(见表6)。CobaliteHDR、CobaliteCNF添加WC时性能变化不明显,CobaliteCNF添加青铜后韧性提高不显著,故均不建议使用。4超细预合金粉末利用预合金粉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。分析以上各种最新预合金粉产品可以大致预测预合金粉未来研究趋势。进一步提高预合金粉硬度、延展性、冲击强度及烧结性能是目前预合金粉研究热点之一。预合金粉末粒度超细化是进一步提高预合金粉及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,在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,提高工具胎体把持金刚石力,最终提高工具寿命和效率;还可以广泛应用于激光焊接锯片,解决激光锯片胎体材料调节范围窄的缺点。超细预合金粉末是未来金刚石工具工业中制造锯片、钻头用的主要粉末材料,是胎体预合金粉末发展趋势之一。激光焊接金刚石工具具有效率高、热影响区小、焊缝强度高等显著优点,已广泛应用于金刚石工具制造业。设计预合金粉过渡层配方可以显著提高激光焊缝强度和消除焊接缺陷。因此,预合金粉激光焊接性也是预合金粉研究趋势之一。预合金粉还将向标准化、预合金化元素多样化、更低含钴量及能与多种添加物混合使用方向发展。这是因为金刚石工具加工对象越来越复杂,对工具特殊性能要求越来越高,预合金化元素多样化及能与多种添加物混合使用是解决上述问题的有效途径。5超预合金粉产品(1)预合金粉在金刚石工具业中的应用具有广阔前景,相关研究产品相继面世,如Eurotungstene公司的NEXT300®、NEXT900®、Dr.Fritsch公司的DiabaseV21、Umicore公司的Cobalit