一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，準(zhǔn)備金屬原材料，按重量百分比如下：Cu：5～85％，Ni：1～25％，Sn：1～20％，Si：0～8％；Al：1～15％；Cr：5～15％；B：0.1～5％；V：0.1～6％；Nb：0.1～5％；Zr：0.1～5％；La：0.1～10％；Fe余量；依次進(jìn)行冶煉、水霧化、壓濾脫水、真空干燥及還原步驟，制得本發(fā)明超細(xì)高抗彎強(qiáng)度水霧化合金粉末。本發(fā)明超細(xì)合金粉末的超細(xì)粒度提高了單顆粉末的成分均勻性以外，同時(shí)具有極高的燒結(jié)活性。特別是添加的低熔點(diǎn)元素促進(jìn)微液相燒結(jié)，使金剛石刀頭燒結(jié)胎體得到更高的致密度，增強(qiáng)了對(duì)金剛石的把持力。通過(guò)添加金屬組織強(qiáng)化合金元素以及稀土元素，抗彎強(qiáng)度提高到1900MPa，最終提高胎體對(duì)金剛石的把持力，得到高切削性能的金剛石刀頭工具。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法
[0001 ] 本申請(qǐng)是對(duì)申請(qǐng)?zhí)枮?01510845249.7提出的分案申請(qǐng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及金剛石工具制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng) 度合金粉末的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 金剛石工具的切割機(jī)理是利用金剛石的硬度切割硬質(zhì)材料，例如石材、耐火材料、 陶瓷、半導(dǎo)體、混凝±等。由于切割過(guò)程中，金剛石受到?jīng)_擊，包鑲金剛石的部分胎體被破 壞，造成金剛石脫落。因此如何增強(qiáng)金剛石刀頭胎體對(duì)金剛石的把持力，使金剛石在切割中 不會(huì)過(guò)早脫落，從而提高金剛石工具的切割效率和工作壽命是行業(yè)內(nèi)的公認(rèn)難題。目前，多 采用混合金屬粉末或者水霧化合金粉末為胎體粉原料，與金剛石顆?；旌虾螅M(jìn)行熱壓燒 結(jié)，胎體粉原料作為粘結(jié)劑來(lái)把持金剛石。
[0004] 金剛石工具要求的胎體抗彎強(qiáng)度最低要大于900M化，否則胎體初性不足，在切削 加工過(guò)程中容易碎裂導(dǎo)致工具失效。同時(shí)，抗彎強(qiáng)度越高的胎體對(duì)金剛石的把持力越好已 成為行業(yè)內(nèi)公認(rèn)事實(shí)。早期金剛石工具胎體材料多用鉆作為粘結(jié)劑，就是因?yàn)殂@的綜合性 能很好，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1300MPaW上，在各種金屬中，鉆對(duì)金剛石的把持力最好。但是由于鉆 的價(jià)格昂貴，逐漸被化、NiXu、ai等元素的復(fù)合配方所取代，此方面已有很多研究成果和專(zhuān) 利公開(kāi)。但不足之處有二，其一是Μ的價(jià)格也較昂貴，為了降低制造成本，只能降低Μ的含 量;其二是運(yùn)種復(fù)合配方的燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度均在1300-1400MPa，在用于加工中高硬度材質(zhì) 時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)抗彎強(qiáng)度不足，初性不夠，胎體磨損過(guò)快，對(duì)金剛石把持力不足，導(dǎo)致工具壽命 低下的情況，因此必須提高胎體的抗彎強(qiáng)度，從而提高胎體耐沖擊耐磨性能，并且增強(qiáng)對(duì)金 剛石的把持力。另外，針對(duì)不同切割對(duì)象材質(zhì)，金剛石工具廠家經(jīng)常通過(guò)添加適量單質(zhì)金屬 粉末來(lái)調(diào)節(jié)刀頭胎體的成分含量。一般而言，添加單質(zhì)粉末會(huì)降低胎體的抗彎強(qiáng)度，為了不 會(huì)過(guò)度降低抗彎強(qiáng)度，需要高抗彎強(qiáng)度的合金粉作為基礎(chǔ)粉末，運(yùn)對(duì)調(diào)節(jié)刀頭胎體的成分 含量提供了方便和品質(zhì)保證。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法， 提高燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度，最終提高胎體對(duì)金剛石的把持力，得到高切削性能的金剛石刀 頭工具。
[0006] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0007] -種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其步驟如下：
[000引 1)準(zhǔn)備金屬原材料，準(zhǔn)備各金屬組分按重量百分比如下：Cu:5~85%，Ni:l~ 25%，Sn:l~20%，Si:0~8%;Al:l~15%;Cr:5~15%;B:0.1~5%;V:0.1~6%;Nb:0.1 ~5%;2。0.1~5%;1^日：0.1~10%;尸0余量；
[0009] 2)利用準(zhǔn)備的金屬原材料制備，依次進(jìn)行①冶煉、②水霧化、③壓濾脫水、④真空 干燥及⑤還原步驟，制得本發(fā)明超細(xì)高抗彎強(qiáng)度水霧化合金粉末。
[0010] 所述2)步驟的①冶煉步驟中，需控制各金屬原材料的加入順序及加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)， 具體為，先將化，Ni，Si，Sn，化放入爐底，送電烙化;待烙化約1/2-2/^3時(shí)開(kāi)始加入化，最后按 照順序依次加入V，Nb，Zr，B，A^^a。
[0011] 所述2)步驟的①冶煉步驟中，冶煉采用中頻感應(yīng)爐冶煉，每爐投料總量不超過(guò) 220kg，功率控制在60~240KW之間；爐襯材質(zhì)為儀砂或石英砂，烙煉過(guò)程的最高溫度控制在 。650。(：。
[0012] 所述2)步驟的①冶煉步驟中，采用復(fù)合脫氧劑娃巧石脫氧并造渣，先將娃巧石覆 蓋合金溶液表層，在5~15分鐘時(shí)間保持烙液溫度不低于1580°C，然后去除烙液表面的烙 渣;當(dāng)烙液溫度在1580~1640°C之間時(shí)開(kāi)始霧化。
[0013] 所述2)步驟的②水霧化步驟，其采用兩組噴嘴二級(jí)霧化的方式，中間包漏眼直徑3 ~8mm，霧化水流量80~14化/min，霧化壓力60~135MPa。
[0014] 所述2)步驟的③壓濾脫水步驟為，將霧化后的水粉混合物在集粉罐內(nèi)密封氣體增 壓，集粉罐底部出水口加裝1200目濾布，0.1~0.5M化壓力下保壓至出水口無(wú)明顯水汽混合 物排出為止。
[0015] 所述2)步驟的④真空干燥步驟為，采用雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)，先將脫水后的濕粉 裝入干燥器，裝粉口密封，啟動(dòng)真空累，啟動(dòng)動(dòng)力開(kāi)關(guān)使干燥器垂直單向旋轉(zhuǎn)，然后啟動(dòng)加 熱開(kāi)關(guān)，真空干燥機(jī)設(shè)定真空度小于-0. 〇9MPa，加熱溫度40~120°C。
[0016] 所述2)步驟的⑤還原步驟為，采用步進(jìn)式推舟還原爐，分解氨產(chǎn)生的氨氣、氮?dú)獾?混合氣體還原粉末，還原溫度為500~650°C，粉末在還原爐等溫區(qū)還原時(shí)間為20~60分鐘。
[0017] 所述2)步驟中還進(jìn)行⑥篩分步驟，按照所需求粒度選擇相應(yīng)-200目、-300目、-400 目或者-500目規(guī)格的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。
[0018] 采用上述方案后，本發(fā)明一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方 法，優(yōu)勢(shì)在于：
[0019] 1)AL元素與Μ形成丫/-M3AL，屬L12型結(jié)構(gòu)的有序相金屬間化合物，是一種面屯、 立方結(jié)構(gòu)，彌散沉淀在刀頭胎體的組織中，增強(qiáng)了胎體的抗彎強(qiáng)度；同時(shí)，刀頭在切割過(guò)程 中產(chǎn)生局部高溫，丫 / -Ni3AL可W使刀頭保持高溫初性。
[0020] 2)化與B元素可形成穩(wěn)定碳化物，Cr3C2，BC在燒結(jié)胎體晶粒內(nèi)部和晶界表面形細(xì)小 彌散的強(qiáng)化相，提高了胎體的抗彎強(qiáng)度。
[0021] 3)V，Nb在燒結(jié)胎體中形成穩(wěn)定的氮化物，碳化物，VC，VN，NbC，NbN可W強(qiáng)烈釘扎晶 界，阻礙晶界長(zhǎng)大，形成細(xì)小的晶粒組織，從而提高了刀頭抗彎強(qiáng)度。
[0022] 4)Zr與稀±元素 La可W固溶在合金中，起到固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)，&可W適當(dāng)提高 胎體硬度，La與Fe形成的固溶體，不僅可W提高抗彎強(qiáng)度，還可W提高胎體的紅硬性，即刀 頭在受到?jīng)_擊摩擦?xí)r產(chǎn)生瞬間高溫，La的固溶體可W保持胎體金屬在高溫下仍有較高強(qiáng) 度。
[0023] 5)采用所述工藝方法制備的合金粉末具備良好的低溫?zé)Y(jié)溫度性能，在760°C~ 840°C范圍內(nèi)熱壓燒結(jié)胎體塊的相對(duì)致密度達(dá)到99% W上，抗彎強(qiáng)度大于1900MPa。
[0024] 綜上，本發(fā)明可W制備超細(xì)粒度，高燒結(jié)致密度的金剛石刀頭，超細(xì)合金粉末的超 細(xì)粒度提高了單顆粉末的成分均勻性w外，同時(shí)具有極高的燒結(jié)活性。特別是添加的低烙 點(diǎn)元素促進(jìn)微液相燒結(jié)，使金剛石刀頭燒結(jié)胎體得到更高的致密度，增強(qiáng)了對(duì)金剛石的把 持力。通過(guò)添加金屬組織強(qiáng)化合金元素 W及稀±元素，將化-化基燒結(jié)胎體的抗彎強(qiáng)度提高 到1900MPa，最終提高胎體對(duì)金剛石的把持力，得到高切削性能的金剛石刀頭工具。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的抗彎強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的抗彎強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0028] 本案設(shè)及一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末，其化學(xué)成分按重量百分比 組成如下：Cu:5~75%，Ni:l~15%，Sn:l~15%，Si:l~5%;A1:1~15%;Cr:l~10% ;B: 0.1~3%;￥:0.1~3%;佩:0.1~2%;2。0.1~4%;1^日:0.1~7%;尸6余量。
[0029] 所述合金粉末的中位徑粒度D50為3-15微米。合金粉末的氧含量含2000ppm。所限 定的較細(xì)的粉末粒度可W促進(jìn)燒結(jié)活化，燒結(jié)后具有很高的致密度，所限定的低氧同樣是 為了提高燒結(jié)致密度。
[0030] 本發(fā)明還設(shè)及一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其步驟如 下：
[0031] 1)準(zhǔn)備金屬原材料，準(zhǔn)備各金屬組分按重量百分比如下：Cu:5~85%，Ni:l~ 25%，Sn:l~20%，Si:0~8%;Al:l~15%;Cr:5~15%;B:0.1~5%;V:0.1~6%;Nb:0.1 ~5%;2。〇.1~5%;1^日：〇.1~1〇%;尸0余量；
[0032] 2)利用準(zhǔn)備的金屬原材料制備，依次進(jìn)行①冶煉、②水霧化、③壓濾脫水、④真空 干燥及⑤還原步驟，制得本發(fā)明超細(xì)高抗彎強(qiáng)度水霧化合金粉末。下面對(duì)步驟2)中的各個(gè) 分步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0033] ①冶煉步驟中，冶煉采用中頻感應(yīng)爐冶煉，每爐投料總量不超過(guò)220kg，功率控制 在60~240KW之間（W達(dá)到將金屬融化所需的溫度）；爐襯材質(zhì)為儀砂或石英砂(因?yàn)榭紤]到 烙渣是堿性，所W選擇堿性爐襯儀砂或中性爐襯石英砂），烙煉過(guò)程的最高溫度控制在< 1650°C(該溫度控制主要兼顧爐襯壽命及鋼液流動(dòng)性問(wèn)題，倘若溫度過(guò)高會(huì)損害爐襯壽命， 過(guò)低會(huì)導(dǎo)致鋼液流動(dòng)性不足）。霧化過(guò)程中爐溫控制在1580~1640°C(限定運(yùn)個(gè)溫度區(qū)間可 W保證爐襯不受損害，鋼液流動(dòng)性足夠，而且易于控制），功率控制在60~120KW(限定運(yùn)個(gè) 功率區(qū)間可W保證鋼液的溫度，防止霧化過(guò)程中鋼液溫度下降）。
[0034] ①冶煉步驟中，需控制各金屬原材料的加入順序及加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)，具體為，先將 化，Ni，Si，Sn，化放入爐底，送電烙化;待烙化約1/2-2Λ時(shí)開(kāi)始加入Cu，最后按照順序依次 加入V，Nb，Z;r，B，A1和La;限定各金屬原材料加入順序及時(shí)間點(diǎn)主要考慮的是，不易于氧化 的金屬在烙煉前期加入，特別容易氧化的金屬在后面加入，W防止加入過(guò)早產(chǎn)生大量烙渣。
[0035] ①冶煉步驟中，采用復(fù)合脫氧劑娃巧石脫氧并造渣，先將娃巧石覆蓋合金溶液表 層，在5~15分鐘時(shí)間保持烙液溫度不低于1580°C，然后去除烙液表面的烙渣，時(shí)間及溫度 的限定，目的是利于用脫氧劑進(jìn)行鋼液的脫氧，并且形成娃巧烙渣起到聚渣的效果；當(dāng)烙液 溫度在1580~1640°C之間時(shí)開(kāi)始霧化。
[0036] ②水霧化步驟，其采用兩組噴嘴二級(jí)霧化的方式，中間包漏眼直徑3~8mm，霧化水 流量80~14化/min,霧化壓力60~135MPa，W此來(lái)保證霧化粉末的粒度。
[0037] ③壓濾脫水步驟為，將霧化后的水粉混合物在集粉罐內(nèi)密封氣體增壓，集粉罐底 部出水口加裝1200目濾布，0.1~0.5M化壓力下保壓至出水口無(wú)明顯水汽混合物排出為止。 因?yàn)榉勰┹^細(xì)，此處必須用高目數(shù)的濾布，0.5MPa的壓力足夠壓濾。
[0038] ④真空干燥步驟為，采用雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)，先將脫水后的濕粉裝入干燥器，裝 粉口密封，啟動(dòng)真空累，啟動(dòng)動(dòng)力開(kāi)關(guān)使干燥器垂直單向旋轉(zhuǎn)，然后啟動(dòng)加熱開(kāi)關(guān)，真空干 燥機(jī)設(shè)定真空度小于-0.〇9MPa，確保足夠的真空度，防止粉末氧化;加熱溫度40~120°C，W 此讓水快速蒸發(fā)。
[0039] ⑤還原步驟為，采用步進(jìn)式推舟還原爐，分解氨產(chǎn)生的氨氣、氮?dú)獾幕旌蠚怏w還原 粉末，還原溫度為500~650°C，粉末在還原爐等溫區(qū)還原時(shí)間為20~60分鐘。所限定的還原 溫度可W確保在粉末不結(jié)塊的狀態(tài)下脫氧，60分鐘內(nèi)可W足夠脫氧。
[0040] 所述2)步驟中最后還可進(jìn)行⑥篩分、⑦合批及⑧真空包裝步驟。⑥篩分步驟，按照 所需求粒度選擇相應(yīng)-200目、-300目、-400目或者-500目規(guī)格的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。⑦合批步 驟，將篩分后的篩下物集中，加入真空合批機(jī)混合，使之粒度分布均勻。⑧真空包裝步驟，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。
[0041] 具體實(shí)施例1
[0042] 本發(fā)明制作的合金粉末，是按照經(jīng)過(guò)成分設(shè)計(jì)配方，將原料進(jìn)行高溫烙煉，高壓水 霧化，經(jīng)過(guò)真空烘干和氨氣脫氧，過(guò)篩后得到產(chǎn)品粉末。把產(chǎn)品粉末熱壓成為標(biāo)準(zhǔn)抗彎強(qiáng)度 試樣塊，用抗彎強(qiáng)度測(cè)試機(jī)進(jìn)行Ξ點(diǎn)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。
[0043] 使用金屬原料及重量如下表：
[0044]
'[0045]'使用工業(yè)'生產(chǎn)心50kg爐§量的Φ頻應(yīng)冶?爐，為苗砂，先'將Fe，Ni，| Si，Sn，化放入爐底，送電烙化。烙化約l/2-2/^3時(shí)開(kāi)始加入化，最后按照順序依次加入V，Nb， Zr，B，A1和La。原料烙化后，用復(fù)合脫氧劑娃巧石脫氧并造渣，先將娃巧石覆蓋合金溶液表 層，在5~15分鐘時(shí)間保持烙液溫度不低于1580°C;然后去除烙液表面的烙渣，當(dāng)烙液溫度 在1580~1640°C之間時(shí)開(kāi)始霧化。調(diào)節(jié)霧化壓力為120M化。霧化后的水粉混合物經(jīng)過(guò)壓縮 氣體壓濾;將脫水后的濕粉裝入干燥器進(jìn)行真空干燥。將干燥后粉末裝入還原爐，在600°C 下氨氣還原30分鐘。將還原粉末用400目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分得到最終產(chǎn)品粉末。
[0046] 檢測(cè)結(jié)果如下：
[0047]
[004引抗彎強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果參見(jiàn)圖1所示。
[0049] 具體實(shí)施例2
[0050]與實(shí)施例1相比，實(shí)施例2調(diào)整了原料添加量。
[0化1 ]
[0052] ~原料投入順序和冶煉方式與實(shí)施例1相同。調(diào)節(jié)霧化壓力為135MPa。霧化后的水粉 混合物經(jīng)過(guò)壓縮氣體壓濾。將脫水后的濕粉裝入干燥器進(jìn)行真空干燥。將干燥后粉末裝入 還原爐，在550°C下氨氣還原30分鐘。將還原粉末用500目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分得到最終產(chǎn)品粉末。
[0053] 最終產(chǎn)品粉末檢測(cè)結(jié)果如下：
[0化4]
[0055] 抗彎強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果參見(jiàn)圖2所示。
[0056] W上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡跟本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化和 修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其特征在于，步驟如下： 1) 準(zhǔn)備金屬原材料，準(zhǔn)備各金屬組分按重量百分比如下:Cu:5~85%，Ni : 1~25%，Sn: 1~20%，Si:0~8% ;A1:1~15% ;Cr:5~15% ;Β:0·1~5% ;V:0.1~6% ;Nb:0.1~5% ;Zr: 0.1~5% ;La:0.1~10% ;Fe余量； 2) 利用準(zhǔn)備的金屬原材料制備，依次進(jìn)行①冶煉、②水霧化、③壓濾脫水、④真空干燥 及⑤還原步驟，制得本發(fā)明超細(xì)高抗彎強(qiáng)度水霧化合金粉末。2. 如權(quán)利要求1所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其特 征在于，所述2)步驟的①冶煉步驟中，需控制各金屬原材料的加入順序及加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)，具 體為，先將Fe，Ni，Si，Sn，Cr放入爐底，送電熔化;待熔化約1/2-2/3時(shí)開(kāi)始加入Cu，最后按照 順序依次加入V，Nb，Zr，B，A1和La。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其 特征在于，所述2)步驟的①冶煉步驟中，冶煉采用中頻感應(yīng)爐冶煉，每爐投料總量不超過(guò) 220kg，功率控制在60~240KW之間；爐襯材質(zhì)為鎂砂或石英砂，熔煉過(guò)程的最高溫度控制在 < 1650°C。4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其 特征在于，所述2)步驟的①冶煉步驟中，采用復(fù)合脫氧劑硅鈣石脫氧并造渣，先將硅鈣石覆 蓋合金溶液表層，在5~15分鐘時(shí)間保持熔液溫度不低于1580°C，然后去除熔液表面的熔 渣；當(dāng)熔液溫度在1580~1640 °C之間時(shí)開(kāi)始霧化。5. 如權(quán)利要求1所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其特 征在于，所述2)步驟的②水霧化步驟，其采用兩組噴嘴二級(jí)霧化的方式，中間包漏眼直徑3 ~8mm，霧化水流量80~140L/min，霧化壓力60~135MPa。6. 如權(quán)利要求1所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其特 征在于，所述2)步驟的③壓濾脫水步驟為，將霧化后的水粉混合物在集粉罐內(nèi)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(wú)明顯水汽混合 物排出為止。7. 如權(quán)利要求1所述的一種金剛石工具用超細(xì)高抗彎強(qiáng)度合金粉末的制備方法，其特 征在于，所述2)步驟的⑤還原步驟為，采用步進(jìn)式推舟還原爐，分解氨產(chǎn)生的氫氣、氮?dú)獾?混合氣體還原粉末，還原溫度為500~650°C，粉末在還原爐等溫區(qū)還原時(shí)間為20~60分鐘。
【文檔編號(hào)】C22C38/16GK105834417SQ201610378024
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月27日
【發(fā)明人】唐明強(qiáng), 王沖, 趙放
【申請(qǐng)人】泉州天智合金材料科技有限公司