蕫書(shū)山，劉曉旭，胡占鋒，安文文

（河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 長(zhǎng)葛 461500）

3.1.8 對(duì)工具鋒利度及使用壽命的影響

通常當(dāng)鋸切或鉆削類工具胎體中的任何一種粉末氧含量超過(guò)5000×10－6時(shí)，工具的燒結(jié)工藝和使用性能都會(huì)受到很大影響。只有當(dāng)胎體粉末中的任何一種粉末的氧含量都不超過(guò)4000×10－6時(shí)，才有可能得到致密度較好（96%～98%）的燒結(jié)胎體，才可以有效提高胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力，提高工具的鋒利度和使用壽命。以Fe粉為例，若Fe粉在胎體中的重量比例超過(guò)30%時(shí)，保持燒結(jié)過(guò)程不流料或微流料狀態(tài)，當(dāng)其氧含量在5000×10－6左右時(shí)，燒結(jié)胎體的致密度可達(dá)95%左右；氧含量在（5000～7000）×10－6時(shí)，胎體的致密度一般為93% ～95% ；當(dāng)氧含量超過(guò)7000×10－6時(shí)，胎體的致密度很難達(dá)到95%。而通常情況下，當(dāng)燒結(jié)胎體的致密度低于95%時(shí)，工具的鋒利度和使用壽命就會(huì)大大下降。當(dāng)Fe粉氧含量在（5000～7000）×10－6時(shí)，隨著氧含量的增大，石材及陶瓷小鋸片會(huì)出現(xiàn)切不動(dòng)、打火、燒片、掉塊、震動(dòng)加劇等現(xiàn)象；而中徑以上石材鋸片會(huì)出現(xiàn)切割電流增大、火花大、跳鋸、噪音大、吃刀量下降、石材彎板等現(xiàn)象；工程鉆頭則會(huì)出現(xiàn)鉆不動(dòng)、打滑、別鉆、鉆齒掉塊等現(xiàn)象；陶瓷磨塊則會(huì)出現(xiàn)磨不動(dòng)、打滑等現(xiàn)象；陶瓷刮刀、磨邊輪則會(huì)出現(xiàn)噪音大、火花大、崩邊等現(xiàn)象?？傊ぞ叩匿h利度和使用壽命較正常狀態(tài)普遍降低10%～30%。而當(dāng)Fe粉氧含量超過(guò)7000×10－6時(shí)，工具的鋒利度和使用壽命還將大幅度下降，甚至失效。圖3為單質(zhì)金屬粉末配制的Fe－Cu－Ni－Sn系（Cu、Sn的氧含量＜600×10－6，Ni的氧含量＜3000×10－6）石材小鋸片在Fe粉氧含量適中及過(guò)高狀態(tài)下，切割后金剛石的出刃狀態(tài)。當(dāng)Fe粉氧含量＜4000×10－6時(shí)，燒結(jié)胎體的致密化程度較高，胎體對(duì)金剛石的把持力較好，鋸片在連續(xù)切割時(shí)均能保持較好的出刃狀態(tài)（圖3（a））；而當(dāng)Fe粉氧含量＞5000×10－6時(shí)，燒結(jié)胎體組織疏松、強(qiáng)度低，對(duì)金剛石的機(jī)械把持力不足，耐磨性亦不足，金剛石雖然出刃較快，但胎體對(duì)金剛石的剛性支撐力不夠，切削時(shí)受金剛石擠壓而潰裂，失去對(duì)金剛石的支撐力，使金剛石很快脫落失效，導(dǎo)致鋸片的鋒利度和使用壽命大幅度下降（圖3（b））。

圖3 Fe粉氧含量適中及過(guò)高時(shí)鋸片刀頭的金剛石出刃狀態(tài)Fig.3 Diamond exposure of the segment with moderate and high oxygen content in Fe powder

上述現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)眾多金剛石工具廠家中屢見(jiàn)不鮮，也是困擾和阻礙工具廠商提高與穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的羈絆，甚至說(shuō)金屬粉末原材料氧含量偏高也是影響整個(gè)超硬材料工具水平提升的重要障礙之一。因此，有效控制粉末原料的氧含量，對(duì)提升超硬材料制品行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

預(yù)合金粉末的應(yīng)用是超硬材料制品行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，除了合金化程度高的特點(diǎn)外，預(yù)合金粉末還有一個(gè)顯著特點(diǎn)就是其在制粉后均需要進(jìn)行還原處理，其氧含量較低，因而燒結(jié)胎體的合金化及致密化程度均較好，胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力提高，工具的鋒利度和使用壽命均有明顯提高。圖4為Fe－Cu－Sn系預(yù)合金粉末燒結(jié)胎體組織狀態(tài)及其對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)的SEM形貌圖。由于預(yù)合金粉的燒結(jié)性能較好，合金化組織均勻細(xì)密，對(duì)金剛石的包鑲能力強(qiáng)，機(jī)械把持力好。

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的各類預(yù)合金粉末都需進(jìn)行還原處理，其還原處理溫度較單質(zhì)Fe粉低，因而氧含量可以控制在較低的合理范圍內(nèi)，能較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖4 Fe－Cu－Sn系預(yù)合金燒結(jié)胎體組織及其對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)SEM形貌Fig.4 The structure of Fe－Cu－Sn pre－alloy matrix and SEM image of retention between the matrix and diamond

3.2 粉末粒度及松比的影響

金屬粉末粒度和松比主要影響冷壓成型性、冷壓成型致密度、燒結(jié)致密度及工具的鋒利度和使用壽命。

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用量最大的是還原Fe粉，市售的普通單質(zhì)還原Fe粉（－200目，－300目）的粒度分布基本為D10：15～20，D50：37～55，D90：67～72，松比通常為2.6～2.8g／cm3。不同廠家的供貨粒度差異較大，這主要與Fe粉生產(chǎn)過(guò)程中的破碎與篩分工藝有關(guān)。

當(dāng)Fe粉的粒度偏粗（氧含量為5000×10－6左右），主粒度值為D50：47～52時(shí)（圖5a），在12MPa壓力下用其壓制（40×10×3.2）mm的冷壓坯塊時(shí)，成型困難，冷壓致密度為87%～90%，900℃燒結(jié)后的致密度為94%～95%，燒結(jié)體中的“架橋”孔隙較多，燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度一般為630～700MPa，燒結(jié)硬度為HRB75左右。

當(dāng)Fe粉的粒度適中（氧含量為5000×10－6左右），主粒度值為D50：28～37時(shí)（圖5b），在12MPa壓力下用其壓制（40×10×3.2）mm的冷壓坯塊時(shí)，成型困難，冷壓致密度為87%～90%，900℃燒結(jié)后的致密度為94%～95%，燒結(jié)體中的“架橋”孔隙較多，燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度一般為630～700MPa，燒結(jié)硬度為HRB75左右。而粒度相似的Fe粉，當(dāng)其氧含量為4000×10－6以下時(shí)，燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度有所增加，可達(dá)650～720MPa，而燒結(jié)硬度為HRB76左右。

圖5 還原Fe粉SEM形貌圖Fig.5 SEM morphology of reduced Fe powder

目前市售的－400目以細(xì)的細(xì)顆粒Fe粉的氧含量一般都在5000～7000×10－6，質(zhì)量控制較為嚴(yán)格的產(chǎn)品，其氧含量可控制在4000×10－6以下，此時(shí)，雖然冷壓成型難度加大，但其燒結(jié)性能可以得到很大改善，900℃時(shí)燒結(jié)樣塊的抗彎強(qiáng)度為670～750MPa，燒結(jié)硬度為HRB75左右，燒結(jié)組織狀態(tài)得到較為明顯的改善，燒結(jié)致密化程度也可達(dá)95% 以上。

目前市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的電解Cu粉（－200目）的氧含量通常不超過(guò)600×10－6，其粒度分布一般為D10：15～20，D50：30～40，D90：45～65，松裝密度一般為1.8～2.2g／cm3，其應(yīng)用性能關(guān)鍵取決于顆粒的表面質(zhì)量狀態(tài)和樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)。粉末顆粒表面抗氧化能力強(qiáng)，儲(chǔ)存周期長(zhǎng)的電解Cu粉，其應(yīng)用的穩(wěn)定性較好。樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，其與其它粉末的混料均勻性越好，燒結(jié)組織的均勻度及致密度越好。在混料過(guò)程中應(yīng)特別注意混料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不應(yīng)對(duì)Cu粉顆粒造成過(guò)度的撞擊，以避免破壞其樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，造成混料不均，冷壓成型困難。

Ni粉由于價(jià)格較高，在金剛石工具中的應(yīng)用比例不大，市售產(chǎn)品通常為霧化Ni粉、電解Ni粉及羰基Ni粉，其松裝密度通常分別為3.3～3.7g／cm3，0.8～1.6g／cm3、0.8～1.5g／cm3；粒度分布分別為D10：10～15，D50：30～ 40，D90：50～70；D10：8～12，D50：20～35，D90：60～70。霧化Ni粉的松裝密度較高，配方中的添加比例較高（＞10%）時(shí)會(huì)影響冷壓成型性，而電解Ni粉和羰基Ni粉由于其松比小，添加量少時(shí)不影響冷壓成型性，而添加量大時(shí)由于蓬松度大，也難以壓制。霧化Ni粉較電解Ni粉和羰基Ni粉的混料均勻性及燒結(jié)性能差些，霧化Ni粉和電解Ni粉的應(yīng)用效果主要取決于氧含量、顆粒形態(tài)及表面質(zhì)量，而羰基Ni粉的燒結(jié)性能最好，燒結(jié)組織的均勻性及致密性較好。

市售Sn粉（－200目）為氣霧化和水霧化兩種粉末狀態(tài)，其松比通常為3.6～4.0g／cm3、3.3～3.8g／cm3；粒度分布通常為 D10：5 ～ 10，D50：20 ～30，D90：50 ～ 60 ；D10：10 ～ 15，D50：20 ～ 35，D90：50～70。由于制備工藝的差異，Sn粉的粒度和松比變化較大，對(duì)冷壓成型性有一定的影響，尤其是氣霧化Sn粉。當(dāng)Sn粉的松比高（＞3.7g／cm3）粒度粗時(shí)，混料及燒結(jié)時(shí)易偏析，造成燒結(jié)組織均勻性差，硬度分布不均，對(duì)工具的鋒利度及使用壽命均有影響。

而預(yù)合金粉末則由于生產(chǎn)方式的不同，粒度和松比的差異較大?；瘜W(xué)法制備的預(yù)合金粉末的粒度取決于起始反應(yīng)的原料粒度及反應(yīng)后的處理工藝。其一般特點(diǎn)為松比不高于3.0g／cm3，冷壓成型性好，若氧含量控制合適則其燒結(jié)性能也很突出。目前市場(chǎng)上消費(fèi)量最大的是水霧化法生產(chǎn)的預(yù)合金粉末，種類較多，情況復(fù)雜，不同合金體系的粉末，其粒度和松比間的差異很大，以最簡(jiǎn)單的FeCu30為例，不同廠家生產(chǎn)的粉末粒度分布基本為D10：10～15，D50：25～37，D90：50～70，松比為2.9～3.8g／cm3，其冷壓成型性及燒結(jié)性能間的差異也很大。通常情況下，預(yù)合金粉末的松比控制在3.3g／cm3以下，其冷壓成型性可基本滿足冷壓需要。至于三元以上的合金體系，則情況更為復(fù)雜，無(wú)法集中描述總結(jié)。水霧化預(yù)合金粉末的綜合物化性能指標(biāo)要好于單質(zhì)金屬粉末的混配體，但其最突出的缺點(diǎn)是冷壓成型性差，影響并制約著此類預(yù)合金粉末的應(yīng)用量，如何改善水霧化預(yù)合金粉末的冷壓成型性，以便更好地發(fā)揮預(yù)合金粉末的性能優(yōu)勢(shì)是一個(gè)關(guān)鍵的制約瓶頸，此瓶頸的突破將會(huì)給金剛石工具行業(yè)帶來(lái)積極的推動(dòng)作用。

4 結(jié)論

影響和制約金剛石工具行業(yè)發(fā)展的因素很多，在眾多的因素當(dāng)中，金屬粉末原材料的質(zhì)量狀態(tài)是根本的影響因素。金剛石工具生產(chǎn)商應(yīng)將原材料質(zhì)量的控制放在首位，這是保持工具性能穩(wěn)定與提升的前提，只有在確保此前提的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步考慮成本控制與配方調(diào)整，否則只是一味的從配方調(diào)整入手，則會(huì)迷失方向，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的理想效果。不論是單質(zhì)金屬粉末還是預(yù)合金粉末，控制好粉末的氧含量、粒度、松比等幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，是制備高品質(zhì)金剛石工具的基本要求，保證粉末原料的質(zhì)量，是金剛石工具性能提升的基礎(chǔ)與根本途徑，這也要求眾多粉末生產(chǎn)商能夠切實(shí)重視用戶的利益，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，為用戶提供高質(zhì)量的粉末原料，共同促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

［1］王秦生，等.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2006.

［2］董書(shū)山，等.預(yù)合金粉末氧含量對(duì)金剛石工具組織及性能的影響［C］.中國(guó)超硬材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展論壇論文集.2009，10，117－120.

［3］孫毓超，等.金剛石工具金屬學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999.