一種金剛石工具用改性超細低氧水霧化合金粉末制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于粉末冶金領域，涉及一種金剛石工具用改性超細低氧水霧化合金粉末 的制備方法。其特點在氧含量低于2000ppm，D50是3-8微米，球形化顆粒，粉末粒度正態(tài)分 布。經過碳化物形成元素以及稀土元素改性，合金具有更高抗彎強度和對金剛石的把持力。
【背景技術】
[0002] 金剛石工具廣泛應用于石材、建材、耐火材料、陶瓷、半導體、磁性材料、復合材料 等硬脆材料的加工，絕大多數(shù)采用混合金屬粉末或者預合金粉末為粘結劑，與金剛石顆粒 混合熱壓燒結制造。
[0003] 粘結劑燒結形成的胎體耐磨性要求和被加工對象材質匹配。如果耐磨性過高，雖 然工具使用壽命提升，但是加工效率會下降，甚至導致工具不能使用；同理，耐磨性過低，雖 然工具加工效率提高，但工具的使用壽命相應縮短。
[0004] 金剛石工具同時對其使用過程中的加工效率和壽命都有嚴格要求，這就要求作為 胎體的金屬粉末性能必須同時兼顧這兩個方面。胎體耐磨性受到所用粉末成分、氧含量、粒 度組成、燒結體抗彎強度、硬度、夾雜等多種因素影響。
[0005] 金剛石工具要求的胎體抗彎強度需要大于900MPa，否則胎體韌性不足，在加工過 程中容易碎裂導致工具失效。一般而言，抗彎強度越高胎體對金剛石的把持力越好。Fe、 Ni、Cu、Sn等元素的復合配方在金剛石工具領域具有較高的性價比，但其燒結體抗彎強度均 在1400MPa左右；在用于加工相對較軟和一些中硬材質的對象時，經常出現(xiàn)耐磨性過高使 得出露的金剛石破碎后，胎體未能與金剛石同步磨損，導致工具加工效率低下的情況；尤其 是通過熔煉預合金化的水霧化粉末，這一缺陷表現(xiàn)的更加明顯；針對這一問題，增加胎體中 的脆性相是一個有效方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是通過在預合金粉末的成分設計中引入Si，碳化物形成元素，以及 稀土元素，在燒結體組織中形成適量的脆性相Fe-Si金屬間化合物，碳化物，以及YSi 2，提高 燒結體抗彎強度，使胎體具備適中的耐磨性，同時滿足金剛石工具對于加工效率和使用壽 命的要求。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的合金粉末成分設計配比為：Cu :27~67 %，Ni :1~ 10%，Sn :1~10%，Si :0· 05~8%，碳化物形成元素 Ti :1~15%，Cr :1~20%，稀土元素 La :0.03~5%，Y :0.03~5%;Fe余量。粉末氧含量小于lOOOppm。制造方法包含：冶煉、 水霧化、壓濾脫水、真空干燥、還原、篩分、合批、真空包裝等工藝。具體其操作步驟如下：
[0008] 1)冶煉：采用中頻感應爐冶煉，其功率控制在180~240KW之間；爐襯材質為鎂 砂，在熔煉過程中要嚴格控制各金屬材料的加入順序及時間，先加入Fe和Ni，融化大半時 加入Cu，化清后加入Si和Sn ;最后按順序加入Cr，Ti，La，Y。采用生石灰造渣，完全覆蓋合 金溶液表層，5~15分鐘時間保溫脫氧。然后控制鋼液溫度在1550~1640°C之間扒渣后 霧化；
[0009] 2)水霧化：采用兩組噴嘴正交雙V形二級霧化的方式；兩組噴嘴的安裝位置在 水平面的連線相互垂直；一級霧化夾角為40±Γ，霧化水流量二級霧化夾角為30±Γ ; 中間包鋼液下行直徑3~7mm，第一級霧化噴嘴的霧化水流量控制在40-80L/min，霧化 壓力100-120MPa ;第二級霧化噴嘴的霧化水流量控制在40-60L/min，霧化壓力控制在 6〇-95MPa〇
[0010] 3)壓濾脫水：霧化后的水粉混合物在集粉罐內密封氣體增壓，集粉罐底部出水口 加裝1200目濾布，0. 1~0. 5MPa壓力下保壓至出水口無明顯水汽混合物排出為止。
[0011] 4)真空干燥：采用雙錐回轉真空干燥機，先將脫水后的濕粉裝入干燥器，裝粉口 密封，啟動真空栗，啟動動力開關使干燥器垂直單向旋轉，然后啟動加熱開關。真空干燥機 設定真空度小于-0. 〇9MPa，加熱溫度40~120°C。
[0012] 5)還原：采用步進式推舟還原爐，分解氨產生的氫氣、氮氣的混合氣體，氫氣比例 高于75%。還原溫度為560~620°C，粉末在還原爐等溫區(qū)勻速推進，還原時間為30~60 分鐘。
[0013] 6)篩分：按照所需求粒度選擇相應-200目、-300目或者-400規(guī)格的篩網進行篩 分。
[0014] 7)合批：將篩分后的篩下物集中，加入真空合批機混合，使之粒度分布均勻。
[0015] 8)真空包裝：將合批后的粉末采用塑料真空包裝袋真空包裝，可按需選擇每袋包 裝重量。
[0016] 在本發(fā)明中，原料采用純度大于99. 95%的純鐵、電解銅板、電解鎳板、錫錠和單質 硅塊、單質Cr塊、電解Ti板、單質La、單質Y ;配方中鐵和銅為基礎成分；加入鎳的目的是固 溶強化，提高粉末燒結體的硬度、抗彎強度，從而提高對金剛石顆粒的把持力，提高金剛石 工具的使用壽命。如果鎳含量過低，強化效果不明顯，工具壽命不足；如果鎳含量過高，燒結 體硬度及耐磨性過高，會導致金剛石工具自銳性差，鋒利度不足，加工效率低下。加入錫的 目的是降低合金粉末熔點及粉末燒結溫度，如果含量過低，達不到理想效果；如果錫含量過 高，在熱壓燒結過程中會過早出現(xiàn)液相，降低模具使用壽命，同時導致燒結密度不足。加入 硅的目的是形成脆性相Fe-Si金屬間化合物，在保證燒結體韌性的情況下提高工具的鋒利 度；如果加入硅含量過高，會導致燒結體變脆，韌性不足，工具無法使用；如果加入量過低， 則無法起到材料改性的作用。加入稀土元素 Y的目的是在粉末組織中形成彌散細小的YSi2， 起到了彌散強化效果。加入La的目的是燒結時抑制晶粒長大，并起到固溶強化作用，提高 合金抗彎強度。加入Ti，Cr的目的在金剛石表面形成TiC，Cr 3C2的金屬間化合物，增加與 金剛石的化學結合，并均勻分布于晶界表面，提高合金的晶界結合力。
[0017] 與其他預合金粉末相比，本發(fā)明所制備的合金粉末具有超細粒度，低氧含量的特 點，因此具備良好的低溫燒結溫度性能，并且燒結溫度范圍較寬：在760°C~880°C范圍內 均可熱壓燒結，并且燒結致密度達到99%以上，由于改性元素的添加，使燒結塊的抗彎強度 大于1900MPa。以其制造的金剛石工具，工具使用壽命和加工效率均顯著地提高。
【具體實施方式】 [0018] 1.
[0019] 使用工業(yè)生產用250kg爐容量的中頻感應冶煉爐，爐襯材質為鎂砂，使用原料及 重量如下表1 :
[0020] 表1.原料使用種類和配比表（實施方式1)
[0021]
[0022] 原料加入順序如下：
[0023] 第一步：加入純鐵，在純鐵中間插入Ni板，功率控制在230KW，熔化開始。
[0024] 第二步：熔化大半時，加入Cu板。
[0025] 第三步：Cu板熔化后加入Si錠和Sn錠。
[0026] 第四步：加入Cr錠，Ti板，La和Y粉
[0027] 原料熔化后，在金屬熔液表面用石灰覆蓋，10分鐘后石灰熔化，開始扒渣。測量熔 液溫度，當溫度達到1580°C時啟動高壓水栗，向霧化桶內充氮氣，調節(jié)霧化壓力為lOOMPa， 傾倒熔液進入中間漏包開始霧化。霧化后的水粉混合