董書山,周小彥,董小雷,江斌,侯俊彥

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長春 130012;2.小蜜蜂工具集團有限公司,石家莊 050800; 3.博深工具集團有限公司,石家莊 050000)

超硬材料制品用水霧化預(yù)合金粉末的進展應(yīng)用及存在問題①

董書山1,周小彥2,董小雷2,江斌3,侯俊彥3

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長春 130012;2.小蜜蜂工具集團有限公司,石家莊 050800; 3.博深工具集團有限公司,石家莊 050000)

文章系統(tǒng)介紹了水霧化金屬預(yù)合金粉末在我國超硬材料制品行業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀,重點指出了現(xiàn)存的問題和今后的發(fā)展方向。其在行業(yè)中的應(yīng)用處于起步發(fā)展的引導(dǎo)消費階段,市場發(fā)展空間巨大。質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性、應(yīng)用指導(dǎo)能力是影響其擴大應(yīng)用的主要障礙因素。今后將向細顆粒、多組元、高活性、低錫/無錫化等方向發(fā)展。

水霧化;預(yù)合金粉末;進展;應(yīng)用;存在問題

1 前言

近5年來,金屬預(yù)合金粉末在我國金剛石制品中得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用,2013年的消費量在6000噸左右,預(yù)計未來5年還將以每年高于15%的速度增長。其中,水霧化預(yù)合金粉末的發(fā)展成為市場主體,約占消費總量的80%以上,這也成為近年來行業(yè)發(fā)展的一種中國特色。國外主要以化學共沉淀法制備的Fe-Co-Ni、Fe-Cu-Ni等預(yù)合金粉末為主,主要用于高檔鋼筋混凝土鋸片和工程薄壁鉆頭的制作。其突出優(yōu)點是:顆粒細(2～10μm)、活性好、燒結(jié)致密度高、胎體的彈性模量高、強韌性高、耐磨性好;但缺點是產(chǎn)能有限,價格較高。水霧化預(yù)合金粉末具有活性高、成分多樣、生產(chǎn)量大、成本低、應(yīng)用靈活等特點,尤其是具有明顯的價格優(yōu)勢,因而在國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)得到迅速推廣。生產(chǎn)實踐表明,在各類金屬結(jié)合劑金剛石工具中,預(yù)合金粉末在配方中的應(yīng)用量達到30%左右時可明顯體現(xiàn)出其作用特點,而當其為配方主體,用量超過60%時,則可充分體現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢。而目前預(yù)合金粉末的市場銷量僅占全部金屬粉末用量的7%～8%,其未來的市場空間十分巨大。盡管水霧化預(yù)合金粉末質(zhì)優(yōu)價廉,深受用戶青睞,但也還存在許多應(yīng)用障礙,主要有:①質(zhì)量穩(wěn)定性;②冷壓成型性;③應(yīng)用指導(dǎo);④價格因素。

受制于國內(nèi)單質(zhì)金屬粉末發(fā)展滯后的影響,國內(nèi)制品依靠傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬粉末發(fā)展體系將很難有大幅度提升的空間,而預(yù)合金粉末的應(yīng)用則逐漸成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,為行業(yè)的技術(shù)升級與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了新的發(fā)展契機。在我國,霧化預(yù)合金粉末的發(fā)展則需要揚長避短,強化在質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性及應(yīng)用指導(dǎo)方面的研究開發(fā),才能突破應(yīng)用瓶頸,實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；茝V應(yīng)用,形成有民族特色的產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。

2 發(fā)展狀況

2.1 發(fā)展歷史

自20世紀90年代起,國外率先提出預(yù)合金粉末的概念并開發(fā)出實用產(chǎn)品[1-7],在金剛石制品行業(yè)中逐步推廣應(yīng)用。上海材料所、北京人工晶體所、中南工大粉冶所、安泰科技股份有限公司、有研粉末新材料有限公司、長沙冶金材料所、中國地質(zhì)大學工程學院等單位則在國內(nèi)開展了相關(guān)研究工作,并取得了卓有成效的開發(fā)成果[8-22],為預(yù)合金粉末在國內(nèi)金剛石制品行業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。安泰科技開發(fā)出了Follow系列水霧化預(yù)合金粉末,并在行業(yè)中得到了一定規(guī)模的開發(fā)應(yīng)用,推廣了水霧化預(yù)合金粉末在國內(nèi)制品行業(yè)中的應(yīng)用。

2.2 發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬預(yù)合金粉末的制備方式及產(chǎn)品類別多種多樣,霧化法、化學共沉淀法、電解法等所制備的預(yù)合金粉末在行業(yè)中都有實踐應(yīng)用,目前消費量最大的是水霧化鐵基預(yù)合金粉末,其應(yīng)用領(lǐng)域已基本覆蓋了金屬結(jié)合劑制品的所有產(chǎn)品,可簡單地劃分為二元的基礎(chǔ)類合金和三元以上的專業(yè)類合金。目前的生產(chǎn)廠家較多,河南黃河旋風股份有限公司、秦皇島雅豪新材料科技有限公司、北京安泰科技有限公司、有研粉末新材料有限公司等單位都在從事水霧化預(yù)合金粉末的研發(fā)生產(chǎn),2013年的市場消費量大約在5000噸左右,其中,黃河旋風公司的銷售量已超過3500噸,銷售額超過2.4億元。由于生產(chǎn)廠家多,各廠家的產(chǎn)品中除應(yīng)用量較大的基礎(chǔ)二元合金FeCu30、FeCu40外,其它多組分的產(chǎn)品各不相同,名目繁多,性能及質(zhì)量差異較大。

基礎(chǔ)二元合金FeCu30、FeCu40的生產(chǎn)工藝較為簡單,價格便宜,質(zhì)量相對穩(wěn)定,使用簡便靈活,可用于各類制品中,市場應(yīng)用量較大,約占總消費量的60%以上。其在各類工具中的大致應(yīng)用比例見表1。

表1 基礎(chǔ)二元Fe-Cu系列水霧化預(yù)合金粉末在各類工具中的大致應(yīng)用比例Table 1 Feasible application proportion of Fe-Cu binary alloy metal powder made by water atomization process in different kinds of diamond tools

多組元合金產(chǎn)品可大致劃分為含錫與不含錫的兩大類。

三組元不含錫的合金產(chǎn)品主要為Fe-Cu-Co、Fe-Cu-Ni、Fe-Ni-Co等。由于不含低熔點物料,其燒結(jié)溫度較高,燒結(jié)體的致密度、硬度、抗彎強度、彈性模量等機械性能指標較高,主要用于切割及鉆削類工具中提高燒結(jié)胎體的致密度、硬度、熱硬性及耐磨性。

三組元含錫的合金產(chǎn)品主要為Fe-Cu-Sn、Fe -Ni-Sn、Cu-Ni-Sn等,以Fe-Cu-Sn為主,也可廣泛應(yīng)用于各類制品中。

四組元及以上含錫合金體系主要為Fe-Cu-Ni -Sn和Fe-C-uCo-Sn,這類組元以調(diào)節(jié)工具的鋒利度為主,應(yīng)用于各類中高檔制品中。由于合金成分復(fù)雜,霧化制粉工藝控制難度大,因此產(chǎn)品質(zhì)量的波動性大。

水霧化預(yù)合金粉末的突出優(yōu)勢是:生產(chǎn)工藝簡便、產(chǎn)能大、價格低,符合中國制品市場的發(fā)展特點和實際需求,因而在近5年來呈現(xiàn)階躍式的增長,也是未來國產(chǎn)金剛石制品用預(yù)合金粉末的主流發(fā)展基礎(chǔ)。

3 存在問題

目前,水霧化預(yù)合金粉末在實踐應(yīng)用中還存在著諸多問題,主要表現(xiàn)為合金化均勻性、質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性、磨損適配性、粒度分布性、冷卻收縮性等。由于其中的球狀/類球狀的顆粒數(shù)目偏多,嚴重影響冷壓成型性,這是現(xiàn)階段制約其在工具中大比例應(yīng)用的最大工藝障礙;再者就是粘滯性磨損特性強,與金剛石間的磨損適配性調(diào)整難度大。

3.1 質(zhì)量穩(wěn)定性

水霧化預(yù)合金粉末的生產(chǎn)看似簡單,又有很大的市場空間,因而吸引了許多廠家投資生產(chǎn)。但其生產(chǎn)過程涉及金屬熔煉、冶金學、流體力學等眾多交叉學科領(lǐng)域,各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響因素較多,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的控制難度大。尤其是多組元合金體系,由于合金元素間存在著熔點、比重、互溶度、化學反應(yīng)、流動性、抗氧化性等諸多差異,導(dǎo)致在熔融合金化、霧化制粉及后序處理等方面存在許多相互關(guān)聯(lián)影響因素。如何確定影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素,并確定相應(yīng)的控制工藝,是考察每個生產(chǎn)廠家掌控質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3.2 冷壓成型性

目前絕大多數(shù)金屬結(jié)合劑金剛石制品的工作節(jié)塊均需先壓制成型,再熱壓燒結(jié)。因此,冷壓成型性是衡量粉末應(yīng)用性能的一項重要指標,尤其是在自動化設(shè)備日益增多的生產(chǎn)條件下,冷壓成型性更為重要。由于水霧化預(yù)合金粉末中球狀/類球狀的顆粒數(shù)目偏多,粉末松裝密度偏高,因此冷壓成型困難,這是目前影響和制約其應(yīng)用的最大障礙。因此,如何改善粉末形狀,減少或消除球狀/類球狀顆粒,是改善冷壓成型性的關(guān)鍵。各生產(chǎn)廠家目前重點都在設(shè)備結(jié)構(gòu)、制粉工藝及后處理工藝方面尋求改善方案,但受制于制粉原理的限制,效果有限。

不含錫的鐵基預(yù)合金粉末,由于組元間的熔點差異小,霧化制粉時熔融金屬流的粘滯性大,霧化成粉時不規(guī)則形狀的粉末顆粒數(shù)量增多,球狀/類球狀粉末顆粒數(shù)量相對減少,因而,通過改變生產(chǎn)裝備及工藝,可在一定程度上進一步減少球狀/類球狀粉末顆粒數(shù)量,降低粉末的松裝密度,但無法從根本上解決問題。

含錫的預(yù)合金粉末,由于各金屬組元間的熔點差異大,熔煉傾注時熔融液流的粘滯性小,水射流霧化急冷時液滴的冷卻凝固特性與不含錫的液滴相比發(fā)生了很大變化,其中的球狀/類球狀顆粒數(shù)目增多,提高了粉末的松裝密度,進一步惡化了冷壓成型性。此類合金粉末,在成分設(shè)計、熔煉工藝、霧化工藝及后處理工藝方面都需嚴格把握,才能將松裝密度控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi),如此才能不因松裝密度的劇烈波動而影響冷壓的成型性。

冷壓成型性的改善,是目前影響水霧化預(yù)合金粉末更大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸,亟待改進,如能將松裝密度穩(wěn)定控制在2.8g/cm3以下,其冷壓成型性將會得到極大改善,應(yīng)用量將呈現(xiàn)倍增式增長,也將會極大促進全行業(yè)制品質(zhì)量的提升。

3.3 磨損適配性

燒結(jié)胎體與金剛石間的磨損適配性是制備高質(zhì)量金剛石工具的關(guān)鍵,也是難點。就目前的技術(shù)現(xiàn)狀而言,無論是對單質(zhì)金屬粉末體系還是預(yù)合金粉末體系,通過提高燒結(jié)致密度等手段來提高胎體對金剛石的機械把持力并非難事,而難點就在于如何在確保胎體對金剛石把持力的前提下,適度弱化胎體的耐磨性,使之與金剛石保持一定的磨損同步性。而提高把持力與弱化磨損性又往往是一對共生矛盾,尤其是對于鐵基胎體而言,矛盾更為突出。水霧化預(yù)合金粉末的一個突出優(yōu)點是燒結(jié)活性高,容易燒結(jié)致密化,尤其是高溫燒結(jié)時,胎體對金剛石具有較強的機械把持力;但同時也易引發(fā)負面影響:粉末顆粒間易發(fā)生再結(jié)晶長大而形成耐磨性過高的粗顆粒團,尤其是鐵基胎體的粗顆粒團極易產(chǎn)生粘滯性磨損,從而影響金剛石的出刃狀態(tài),降低鋒利度。因此,如何設(shè)計調(diào)控粉末的燒結(jié)活性及燒結(jié)胎體的組織狀態(tài),從而獲得具有良好力學性能及合適的磨損性能,也是水霧化預(yù)合金粉末在應(yīng)用過程中面臨的一項重要課題。

3.4 質(zhì)量標準

盡管水霧化預(yù)合金粉末20世紀90年代在國內(nèi)已開展研發(fā)應(yīng)用,但生產(chǎn)廠家少,市場消費量少,只是近5年來才在國內(nèi)金剛石制品行業(yè)中得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用,其市場消費量急劇增長,尚屬朝陽產(chǎn)業(yè)。目前從事水霧化預(yù)合金粉末生產(chǎn)的廠家逐漸增多,但每個廠家的產(chǎn)品都各不相同,這就導(dǎo)致了除基礎(chǔ)二元合金粉末,如FeCu30、FeCu40外的其它種類的預(yù)合金粉末名目眾多,品種繁雜,使用戶感到無所適從。由于發(fā)展時間短,國家尚無相關(guān)的質(zhì)量標準,各個廠家的供貨質(zhì)量良莠不齊,質(zhì)量穩(wěn)定性難以有效保證,而用戶單位只能被動接受產(chǎn)品,也無法有效掌握進貨質(zhì)量標準,這極大影響了產(chǎn)品在全行業(yè)的大面積推廣應(yīng)用。因此,逐步建立超硬材料制品用金屬預(yù)合金粉末的行業(yè)質(zhì)量標準,規(guī)范生產(chǎn),以保障新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,促進其在全行業(yè)中的規(guī)?；瘧?yīng)用,是今后預(yù)合金粉末發(fā)展的重要現(xiàn)實需求。行業(yè)的質(zhì)量標準可以先從簡單的二元Fe-Cu合金著手,涵蓋粉末的氧含量控制、粒度分布、松裝密度、燒結(jié)體機械性能等方面的內(nèi)容。

3.5 基礎(chǔ)研究

式中，Ei為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的單因子指數(shù)；Ai為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的實測濃度；Si為農(nóng)產(chǎn)品重金屬i的限量標準值，采用GB 2762（中華人民共和國衛(wèi)生部，2012）中規(guī)定的食物中污染物限量標準。

國內(nèi)各粉末生產(chǎn)廠家在開發(fā)設(shè)計產(chǎn)品后,往往只在對粉末本身進行簡單的性能表征測試后,就急于將產(chǎn)品推向市場,未能扎扎實實做好應(yīng)用推廣前的相關(guān)基礎(chǔ)研究,包括產(chǎn)品的物理/化學特性、燒結(jié)體的組織結(jié)構(gòu)、綜合機械性能(硬度、強度、韌性、彈性模量、磨損性能等)、工藝性能、適用領(lǐng)域、與其它粉末的配伍適應(yīng)特點、實踐應(yīng)用方法等系列化的基礎(chǔ)性能研究工作,因而,也就難以為用戶提供有效的應(yīng)用指導(dǎo)。這一點,恰恰是國內(nèi)外粉末生產(chǎn)廠家的顯著差距:國外粉末生產(chǎn)商在將產(chǎn)品正式推向市場前,先做大量的細致的基礎(chǔ)研究工作,對產(chǎn)品本身有了深刻的了解和掌握后,才為用戶提供有效的應(yīng)用指導(dǎo),從而促進市場銷售。國內(nèi)廠商往往偏重于市場營銷手段,而忽視或沒有能力開展基礎(chǔ)應(yīng)用研究,產(chǎn)品一經(jīng)面世后就急于銷售推廣。這種急功近利的做法,往往事倍功半,反而不利于產(chǎn)品的銷售。這種運作模式,是國內(nèi)相關(guān)廠商普遍存在的通病,亟需改正。

3.6 應(yīng)用指導(dǎo)

缺乏以基礎(chǔ)研究為支撐的應(yīng)用指導(dǎo),是目前影響和阻礙合金粉末銷售的主要障礙因素之一。目前,預(yù)合金粉末生產(chǎn)廠家大都缺乏意識或?qū)嵙﹂_展售前的基礎(chǔ)應(yīng)用研究,而往往是寄希望于用戶去摸索使用,視用戶為“試驗員”,將新產(chǎn)品直接推銷給用戶試用,當然,對有研發(fā)實力的極少數(shù)大用戶而言,無需廠家指導(dǎo),根據(jù)產(chǎn)品的成分特點其就可自行設(shè)計使用。但對絕大多數(shù)研發(fā)實力薄弱的中小用戶來說,其對預(yù)合金產(chǎn)品的掌握并不充分,這種做法往往會引起疑惑或抵制,不愿花費精力為廠家試驗應(yīng)用,因而極大地影響了預(yù)合金產(chǎn)品的推廣銷售。

預(yù)合金粉末生產(chǎn)廠家應(yīng)從長計議,摒棄急功近利的思維和做法,在開發(fā)推廣新產(chǎn)品時,應(yīng)將重點放在基礎(chǔ)應(yīng)用研究方面,做好售前的充分準備工作,以便能夠為用戶提供有效的應(yīng)用指導(dǎo),這才是最有效的促銷手段,要擺脫單純依靠價格競爭方式取得市場份額的做法,才能形成有自己特色的產(chǎn)品系列,依靠穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和良好的應(yīng)用服務(wù)才能立足于市場。

3.7 設(shè)計思想

目前,各廠家生產(chǎn)的水霧化預(yù)合金粉末的品種多達幾十種,令用戶眼花繚亂,無所適從。從實用的角度出發(fā),無需品種繁雜,僅需要設(shè)計出為數(shù)不多的具有通用性或針對性強、有特色及實效性的產(chǎn)品即可。預(yù)合金粉末產(chǎn)品應(yīng)用性能的優(yōu)劣及銷售量的多少,主要取決于廠家的設(shè)計思想?？傮w而言,無論是通用性強的簡單二元/三元基礎(chǔ)預(yù)合金粉末,還是針對性強的多組元專業(yè)預(yù)合金粉末,在產(chǎn)品設(shè)計時所應(yīng)遵循的總體原則是:經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、適用性;具體來說,應(yīng)充分考慮以下因素:①適用領(lǐng)域;②生產(chǎn)可行性;③質(zhì)量可控性;④燒結(jié)胎體的微觀組織結(jié)構(gòu);⑤燒結(jié)胎體的綜合機械性能(硬度、強度、韌性、彈性模量、熱硬性、磨損性等);⑥冷壓成型性;⑦制品的制備工藝;⑧與其它粉末的配伍適應(yīng)性;⑨銷售價格。這就要求生產(chǎn)廠家不僅能夠生產(chǎn)出穩(wěn)定的預(yù)合金粉末產(chǎn)品,還要十分熟悉各類金剛石制品的特點要求及制備工藝,才能設(shè)計出符合市場需求的適用產(chǎn)品。

目前,只有極少數(shù)大廠家能夠在一定程度上掌握設(shè)計原則,根據(jù)自己的設(shè)計思想開發(fā)產(chǎn)品,以產(chǎn)品引導(dǎo)消費;而大多數(shù)中小生產(chǎn)廠家則只能生產(chǎn)簡單的基礎(chǔ)合金粉末,或者根據(jù)用戶使用單質(zhì)粉經(jīng)驗而提出的合金體系來委托加工多組元合金粉末,而單質(zhì)粉末的配方一經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹辖鸱勰┖?其性能則會發(fā)生很大變化,往往又不符合委托者的使用預(yù)期,無法推廣銷售,因而,導(dǎo)致了中小生產(chǎn)廠家只增加品種,不增加銷量的尷尬境地。

只有強化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā),才能明晰設(shè)計思想,預(yù)合金粉末的發(fā)展才能由繁到簡,走向持續(xù)穩(wěn)定的健康發(fā)展道路。

4 發(fā)展趨勢

在金屬預(yù)合金粉末的應(yīng)用方面,國內(nèi)外所采取的技術(shù)路線差異明顯,國外制品商多采用化學法制備超細顆粒粉末,以獲取高致密化、高強度、高韌性、高耐磨性、高彈性模量、高熱硬性的胎體組織,胎體對金剛石的把持力及磨損適配性較好,但制品的生產(chǎn)成本高。以超細粉末為主體,這是目前及今后一定時期內(nèi)國外先進制品商所堅持的設(shè)計思想。而國內(nèi)制品行業(yè)在經(jīng)歷了幾十年的單質(zhì)金屬粉末體系后,正逐漸向預(yù)合金方向發(fā)展,尤其是廉價的水霧化鐵基粉末,將是今后中國制品行業(yè)消費量最大的一類預(yù)合金粉末,這也將形成有中國特色的發(fā)展路線。但要獲取持續(xù)穩(wěn)定的推廣應(yīng)用,尚需著力改善其不足之處,今后的發(fā)展方向應(yīng)主要體現(xiàn)在以下方面:

4.1 細顆粒

獲取細顆粒粉末的目的在于:使顆粒內(nèi)部的元素均勻化分布,細化燒結(jié)組織,提高胎體的致密度,改善胎體的磨損性。根據(jù)水霧化預(yù)合金粉末的特點及現(xiàn)階段實際生產(chǎn)的需要,粉末顆粒并非愈細愈好,其粒度的控制必須考慮制品現(xiàn)行的壓制工藝裝備、模具結(jié)構(gòu)型式、燒結(jié)工藝裝備等方面的特點及與其它種類粉末配合應(yīng)用時在粒度、化學活性等方面的匹配性。現(xiàn)階段,國內(nèi)主要以-200/-300目的粉末為主,-400目以細的粉末用量較少。隨著霧化技術(shù)工藝的進步,細顆粒合金粉末的成品率會逐步提高,生產(chǎn)成本也會逐漸下降,-400目以細合金粉末的應(yīng)用比例會逐步提高,并將發(fā)揮更大的應(yīng)用潛力,這也是水霧化預(yù)合金粉末的一個重要發(fā)展方向之一。

4.2 低氧高活性

預(yù)合金粉末燒結(jié)活性的高低,主要與合金結(jié)構(gòu)、粒度、氧含量等因素有關(guān)。氧含量的控制,是合金粉末質(zhì)量穩(wěn)定性的一項重要指標,也是決定其燒結(jié)活性好壞的主要因素。不同合金體系的氧含量控制要求不同,鐵-銅基礎(chǔ)類水霧化預(yù)合金粉末的氧含量通?？刂圃?000×10-6左右。無論是預(yù)合金粉末還是單質(zhì)金屬粉末,其氧含量越低,燒結(jié)活性越高,越有利于獲得高質(zhì)量的燒結(jié)胎體。但氧含量的控制,必須考慮生產(chǎn)、包裝、運輸、儲藏、制品工藝等多種因素,將其控制在穩(wěn)定合適的范圍內(nèi)。低氧、高活性是水霧化預(yù)合金粉末的漸進發(fā)展方向之一。

4.3 高冷壓成型性

冷壓成型性差,是影響和阻礙水霧化預(yù)合金粉末應(yīng)用量的一個突出瓶頸。利用自動冷壓機進行批量化生產(chǎn)的石材小鋸片對粉末的粒度、形狀結(jié)構(gòu)的要求相對較高,以保證連續(xù)作業(yè)的冷壓成品率。目前,各類水霧化預(yù)合金粉末的松裝密度普遍偏高,通常為3.0～4.2g/cm3,因而限制了其在配方中的應(yīng)用比例一般不超過45%,對于松裝密度＞3.5 g/cm3的粉末,其應(yīng)用比例更低。因而,減少球狀/類球狀粉末顆粒數(shù)目,降低松裝密度,改善粒度分布狀態(tài),以獲取良好的冷壓成型性,是水霧化預(yù)合金粉末面臨的首要問題,也是今后應(yīng)著力改善的重點發(fā)展方向。

4.4 低錫/無錫化

在單質(zhì)金屬粉末配方體系中,Sn幾乎是必不可少的元素。預(yù)合金粉末中引入低熔點Sn的目的是為了降低燒結(jié)溫度、改善燒結(jié)活性、調(diào)整組織結(jié)構(gòu)、改變磨損性能、提高燒結(jié)致密度,以提高胎體對金剛石的把持力,改善胎體與金剛石間的磨損適配性。但Sn的加入,也同樣帶來了很大的負面影響:顯著降低了燒結(jié)胎體的抗沖擊能力及高溫熱硬性,尤其是對工程薄壁鉆頭、地質(zhì)鉆頭及鋼筋混凝土切割鋸片等對胎體的強韌性、熱硬性、磨損性要求較高的制品,Sn的負面影響尤為顯著。因此,從提高燒結(jié)胎體的綜合機械性能(強度、硬度、耐磨性等)的角度出發(fā),獲取細顆粒、高活性的低錫/無錫化預(yù)合金粉末,也是今后水霧化預(yù)合金粉末的重要發(fā)展趨勢。

4.5 高彈性模量

彈性模量是材料的剛度指標,與結(jié)合鍵的性質(zhì)及原子間的結(jié)合力有關(guān)。鋸切類金剛石工具在工作過程中反復(fù)受到?jīng)_擊力的作用,這就要求胎體對金剛石磨粒具有足夠的剛性支撐能力,以降低金剛石因受沖擊而使支撐胎體產(chǎn)生擠壓塑性變形的傾向,這種壓致塑性變形會導(dǎo)致胎體與金剛石間產(chǎn)生縫隙,從而降低胎體對金剛石的把持力,甚至會使金剛石因過早脫落而失效。單質(zhì)粉末混合的配方體系,由于受粉末質(zhì)量、合金化程度、制備工藝等眾多復(fù)雜而又相互關(guān)聯(lián)因素的影響,難以穩(wěn)定獲取高彈性模量的胎體,尤其是含低熔點Sn的配方體系更是如此。而水霧化預(yù)合金粉末的合金化較為充分,易獲得高彈性模量的燒結(jié)胎體,因而通過合理的合金化設(shè)計等手段來獲取高彈性模量的粉末燒結(jié)體,也是水霧化預(yù)合金粉末的有效提升途徑和發(fā)展方向。

4.6 砂性磨損

無論是單質(zhì)粉末體系還是合金粉末體系,金屬結(jié)合劑金剛石工具的胎體必然向以Fe為主成分的Fe -Cu體系發(fā)展。而對鐵基胎體而言,其最大弊端就在于胎體的磨損特性為粘滯性磨損。因此,如何在保持胎體對金剛石具有足夠把持力的同時,使胎體呈現(xiàn)砂性磨損特性,是今后“以鐵代鈷”發(fā)展方向的一個瓶頸難點,也是今后水霧化預(yù)合金粉末發(fā)展需要突破的重點方向。

5 結(jié)束語

水霧化預(yù)合金粉末具有質(zhì)優(yōu)價廉等一系列優(yōu)勢特點,其在超硬材料制品中的應(yīng)用,為行業(yè)的技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了新的基礎(chǔ)平臺和發(fā)展契機,會促進制品行業(yè)向高效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。但也存在著很多缺欠,影響和阻礙其消費量的擴增,目前仍處于“引導(dǎo)消費”階段,遠未像單質(zhì)粉末那樣達到用戶的“自主消費”階段,任重道遠,前途光明。鐵基預(yù)合金粉末的發(fā)展,將是實現(xiàn)“以鐵代鈷”的有效途徑。

[1]M.del Villar,P.Muro,J.M.Sanchez,I.Iturriza,F.Casro. Consolidation of diamond tools using Cu-Co-Fe based alloys as metallic binders[J].Powder Metallurgy.2001,44:82-90.

[2]IE.Clark,BJ.Kamphuis.Cobalite HDR-a new prealloyed matrix powder for diamond construction tools[J].IDR.2002, 3:177-182.

[3]Bert Jan Kamphuis.Anja Serneels,Cobalt and nickel free bond powder for diamond tools:Cobalite CNF[J].I D R.2001,1:26-32.

[4]M Bonneau,M Moltenni.Wire manufacturing and free sintering with Next[J].IDR.2002,4:263-265.

[5]Eurotungstene.Keen—a concept in prealloyed powders[J]. IDR.2006,3:45-47.

[6]G Weber,C Weiss,Diamix.A family of bonds based on Diabase-V21[J].IDR.2005,2:27-28.

[7]C Weiss,E Ade.Fresh impetus in the market for cobalt alternative:Master Tec[J].IDR.2008,2:57-59.

[8]李岳.金剛石制品胎體金屬的預(yù)合金粉末[J].西部探礦工程, 1996(6):72-74.

[9]宋月清,甘長炎,夏志華,袁冠森.預(yù)合金粉末在金剛石工具中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,1997(1),2-7.

[10]宋月清,甘長炎,夏志華,袁冠森.添加劑對預(yù)合金粉末胎體性能及其金剛石工具使用效果的影響[J].粉末冶金技術(shù),1997, 15(4):278-281.

[11]張紹和,楊凱華.金剛石工具預(yù)合金胎體粉末制備技術(shù)[J].金剛石與磨料磨具工程,2001,126(2):26-29.

[12]徐浩翔,麻洪秋,羅錫裕,趙同春.霧化預(yù)合金胎體粉末的制備及其在金剛石工具中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程, 2004,139(1):45-48.

[13]陳哲,劉一波,趙萬林,萬新梁,汪禮敏,李占榮.超細預(yù)合金粉末在金剛石工具中的性能研究[J].探礦工程,2004(8):61-64.

[14]張紹和,丁興妤,肖尊群,陳平.金剛石工具胎體預(yù)合金粉末制取與應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2006,156(6):23-28.

[15]羅錫裕,麻洪秋,黃漫,唐明強.金剛石工具預(yù)合金代鈷粉末的研究及應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2006,151(1):18-24.

[16]申思,宋月清,汪禮敏,閆震宇.預(yù)合金粉末在金剛石工具中的應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè),2006,16(6):37-42.

[17]黃艷華,賀躍輝,謝志剛,向波.金剛石工具用Ni-Co合金粉末的制備及表征[J].超硬材料工程,2006,18(5):1-5.

[18]田峰,李國彬,高明亮,趙靜怡.金剛石胎體Cu-Fe-Sn-Ce預(yù)合金粉的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2008,163(1): 39-42.

[19]申思,宋月清,汪禮敏,張景懷.淺析共沉淀法制備Fe-Co預(yù)合金粉末中氧含量的控制[J].粉末冶金工業(yè),2009,9(6):1-4.

[20]趙文東,徐駿,宋月清,羅冀,郭志猛.共沉淀-共還原法制備金剛石工具用超細預(yù)合金粉末的研究[J].粉末冶金技術(shù),2010, 28(2):130-135.

[21]黃蓉,陳仕奇.草酸鹽共沉淀法制備Cu-Sn預(yù)合金粉末[J].粉末冶金材料科學與工程,2010,15(5):525-529.

[22]謝志剛,秦海青,劉心宇,王進保,將劍峰.金剛石制品用FeCo-Cu預(yù)合金粉末的制備及應(yīng)用研究[J].材料工程,2011(3):1-5.

Current development,application situation and existing problems of the water atomized pre-alloyed metal powder used for diamond tools

DONG Shu-shan1,ZHOU Xiao-yan2,DONG Xiao-lei2,JIANG Bin3,HOU Jun-yan3
(1.State Key Lab of Superhard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China; 2.XMF Tools Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050800,China; 3.BOSUN Tools Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)

The latest development and application situation of the water atomized prealloyed metal powder for diamond tools are reviewed in this paper.Its existing problems and developing trend are also emphasized as it is still in starting and guiding consumption stage with broad market prospect.Currently,quality stability,compaction property and application guidance are the main obstacle factors for its large scale application.It will develop to ultra-fine particles,multi-components,high activities with low content of tin or free tin in the future.

superhard tools;water atomized pre-alloyed metal powder;development; application;existing problem

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0047-06

2014-02-15

董書山(1966-),男,高級工程師,長期從事超硬材料方面的研發(fā)工作。