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一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510845249.7

申請日:

2015.11.27

公開號:

CN105312556A

公開日:

2016.02.10

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 1/00申請日:20151127|||公開
IPC分類號: B22F1/00; B22F9/08; C22C38/54; C22C9/00; C22C9/01; C22C9/02; C22C9/06; C22C30/04 主分類號: B22F1/00
申請人: 泉州天智合金材料科技有限公司
發明人: 唐明強; 王沖; 趙放
地址: 362000福建省泉州市洛江區科技工業園二號路
優先權:
專利代理機構: 泉州市潭思專利代理事務所(普通合伙)35221 代理人: 廖仲禧
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510845249.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.08.24|||2016.05.04|||2016.02.10

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末及其制備方法,合金粉末化學成分按重量百分比組成如下:Cu:5~75%,Ni:1~15%,Sn:1~15%,Si:1~5%;Al:1~15%;Cr:1~10%;B:0.1~3%;V:0.1~3%;Nb:0.1~2%;Zr:0.1~4%;La:0.1~7%;Fe余量。制備方法將準備的金屬原材料依次進行①冶煉、②水霧化、③壓濾脫水、④真空干燥及⑤還原步驟。本發明超細合金粉末的超細粒度提高了單顆粉末的成分均勻性以外,同時具有極高的燒結活性。特別是添加的低熔點元素促進微液相燒結,使金剛石刀頭燒結胎體得到更高的致密度,增強了對金剛石的把持力。通過添加金屬組織強化合金元素以及稀土元素,抗彎強度提高到1900MPa,最終提高胎體對金剛石的把持力,得到高切削性能的金剛石刀頭工具。

權利要求書

1.一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末,其特征在于,其化學成分按重量百分比組成如下:Cu:5~75%,Ni:1~15%,Sn:1~15%,Si:1~5%;Al:1~15%;Cr:1~10%;B:0.1~3%;V:0.1~3%;Nb:0.1~2%;Zr:0.1~4%;La:0.1~7%;Fe余量。2.如權利要求1所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末,其特征在于,所述合金粉末的中位徑粒度D50為3-15微米。3.如權利要求1所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末,其特征在于,所述合金粉末的氧含量≤2000ppm。4.一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末的制備方法,其特征在于,步驟如下:1)準備金屬原材料,準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%;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;2)利用準備的金屬原材料制備,依次進行①冶煉、②水霧化、③壓濾脫水、④真空干燥及⑤還原步驟,制得本發明超細高抗彎強度水霧化合金粉末。5.如權利要求4所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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間節點,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時開始加入Cu,最后按照順序依次加入V,Nb,Zr,B,Al和La。6.如權利要求4或5所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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,冶煉采用中頻感應爐冶煉,每爐投料總量不超過220kg,功率控制在60~240KW之間;爐襯材質為鎂砂或石英砂,熔煉過程的最高溫度控制在≤1650℃。7.如權利要求4或5所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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分鐘時間保持熔液溫度不低于1580℃,然后去除熔液表面的熔渣;當熔液溫度在1580~1640℃之間時開始霧化。8.如權利要求4所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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。9.如權利要求4所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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。10.如權利要求4所述的一種金剛石工具用超細高抗彎強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,采用步進式推舟還原爐,分解氨產生的氫氣、氮氣的混合氣體還原粉末,還原溫度為500~650℃,粉末在還原爐等溫區還原時間為20~60分鐘。

說明書

一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末及其制備方法

技術領域

本發明涉及金剛石工具制備技術領域,具體是指一種金剛石工具用超
細高抗彎強度合金粉末及其制備方法。

背景技術

金剛石工具的切割機理是利用金剛石的硬度切割硬質材料,例如石材、
耐火材料、陶瓷、半導體、混凝土等。由于切割過程中,金剛石受到沖擊,
包鑲金剛石的部分胎體被破壞,造成金剛石脫落。因此如何增強金剛石刀
頭胎體對金剛石的把持力,使金剛石在切割中不會過早脫落,從而提高金
剛石工具的切割效率和工作壽命是行業內的公認難題。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,與金剛石顆粒混合后,進行
熱壓燒結,胎體粉原料作為粘結劑來把持金剛石。

金剛石工具要求的胎體抗彎強度最低要大于900MPa,否則胎體韌性不
足,在切削加工過程中容易碎裂導致工具失效。同時,抗彎強度越高的胎
體對金剛石的把持力越好已成為行業內公認事實。早期金剛石工具胎體材
料多用鈷作為粘結劑,就是因為鈷的綜合性能很好,抗彎強度可達1300MPa
以上,在各種金屬中,鈷對金剛石的把持力最好。但是由于鈷的價格昂貴,
逐漸被Fe、Ni、Cu、Sn等元素的復合配方所取代,此方面已有很多研究成
果和專利公開。但不足之處有二,其一是Ni的價格也較昂貴,為了降低制
造成本,只能降低Ni的含量;其二是這種復合配方的燒結體抗彎強度均在
1300-1400MPa,在用于加工中高硬度材質時,經常出現抗彎強度不足,韌
性不夠,胎體磨損過快,對金剛石把持力不足,導致工具壽命低下的情況,
因此必須提高胎體的抗彎強度,從而提高胎體耐沖擊耐磨性能,并且增強
對金剛石的把持力。另外,針對不同切割對象材質,金剛石工具廠家經常
通過添加適量單質金屬粉末來調節刀頭胎體的成分含量。一般而言,添加
單質粉末會降低胎體的抗彎強度,為了不會過度降低抗彎強度,需要高抗
彎強度的合金粉作為基礎粉末,這對調節刀頭胎體的成分含量提供了方便
和品質保證。

發明內容

本發明的目的在于提供一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末及
其制備方法,提高燒結胎體的抗彎強度,最終提高胎體對金剛石的把持力,
得到高切削性能的金剛石刀頭工具。

為了達成上述目的,本發明的解決方案是:

一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末,其化學成分按重量百分
比組成如下:Cu:5~75%,Ni:1~15%,Sn:1~15%,Si:1~5%;Al:1~15%;
Cr:1~10%;B:0.1~3%;V:0.1~3%;Nb:0.1~2%;Zr:0.1~4%;La:
0.1~7%;Fe余量。

所述合金粉末的中位徑粒度D50為3-15微米。

所述合金粉末的氧含量≤2000ppm。

一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末的制備方法,其步驟如下:

1)準備金屬原材料,準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%;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;

2)利用準備的金屬原材料制備,依次進行①冶煉、②水霧化、③壓濾
脫水、④真空干燥及⑤還原步驟,制得本發明超細高抗彎強度水霧化合金
粉末。

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
時間節點,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時開始加入Cu,最后按照順序依次加入V,Nb,Zr,B,Al
和La。

所述2)步驟的①冶煉步驟中,冶煉采用中頻感應爐冶煉,每爐投料總
量不超過220kg,功率控制在60~240KW之間;爐襯材質為鎂砂或石英砂,
熔煉過程的最高溫度控制在≤1650℃。

所述2)步驟的①冶煉步驟中,采用復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分鐘時間保持熔液溫度不低于1580
℃,然后去除熔液表面的熔渣;當熔液溫度在1580~1640℃之間時開始霧
化。

所述2)步驟的②水霧化步驟,其采用兩組噴嘴二級霧化的方式,中間
包漏眼直徑3~8mm,霧化水流量80~140L/min,霧化壓力60~135MPa。

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
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。

所述2)步驟的④真空干燥步驟為,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,啟動真空泵,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
-0.09MPa,加熱溫度40~120℃。

所述2)步驟的⑤還原步驟為,采用步進式推舟還原爐,分解氨產生的
氫氣、氮氣的混合氣體還原粉末,還原溫度為500~650℃,粉末在還原爐
等溫區還原時間為20~60分鐘。

所述2)步驟中還進行⑥篩分步驟,按照所需求粒度選擇相應-200目、
-300目、-400目或者-500目規格的篩網進行篩分。

采用上述方案后,本發明一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末
及其制備方法,優勢在于:

1)AL元素與Ni形成γ′-Ni3AL,屬L12型結構的有序相金屬間化合
物,是一種面心立方結構,彌散沉淀在刀頭胎體的組織中,增強了胎體的
抗彎強度;同時,刀頭在切割過程中產生局部高溫,γ′-Ni3AL可以使刀
頭保持高溫韌性。

2)Cr與B元素可形成穩定碳化物,Cr3C2,BC在燒結胎體晶粒內部和
晶界表面形細小彌散的強化相,提高了胎體的抗彎強度。

3)V,Nb在燒結胎體中形成穩定的氮化物,碳化物,VC,VN,NbC,NbN
可以強烈釘扎晶界,阻礙晶界長大,形成細小的晶粒組織,從而提高了刀
頭抗彎強度。

4)Zr與稀土元素La可以固溶在合金中,起到固溶強化作用;同時,
Zr可以適當提高胎體硬度,La與Fe形成的固溶體,不僅可以提高抗彎強
度,還可以提高胎體的紅硬性,即刀頭在受到沖擊摩擦時產生瞬間高溫,
La的固溶體可以保持胎體金屬在高溫下仍有較高強度。

5)采用所述工藝方法制備的合金粉末具備良好的低溫燒結溫度性能,
在760℃~840℃范圍內熱壓燒結胎體塊的相對致密度達到99%以上,抗彎強
度大于1900MPa。

綜上,本發明可以制備超細粒度,高燒結致密度的金剛石刀頭,超細
合金粉末的超細粒度提高了單顆粉末的成分均勻性以外,同時具有極高的
燒結活性。特別是添加的低熔點元素促進微液相燒結,使金剛石刀頭燒結
胎體得到更高的致密度,增強了對金剛石的把持力。通過添加金屬組織強
化合金元素以及稀土元素,將Fe-Cu基燒結胎體的抗彎強度提高到
1900MPa,最終提高胎體對金剛石的把持力,得到高切削性能的金剛石刀頭
工具。

附圖說明

圖1為本發明的抗彎強度檢測結果的示意圖;

圖2為本發明的抗彎強度檢測結果的示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本案作進一步詳細的說明。

本案涉及一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末,其化學成分按
重量百分比組成如下:Cu:5~75%,Ni:1~15%,Sn:1~15%,Si:1~5%;
Al:1~15%;Cr:1~10%;B:0.1~3%;V:0.1~3%;Nb:0.1~2%;Zr:0.1~4%;
La:0.1~7%;Fe余量。

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≤
2000ppm。所限定的較細的粉末粒度可以促進燒結活化,燒結后具有很高的
致密度,所限定的低氧同樣是為了提高燒結致密度。

本發明還涉及一種金剛石工具用超細高抗彎強度合金粉末的制備方
法,其步驟如下:

1)準備金屬原材料,準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%;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;

2)利用準備的金屬原材料制備,依次進行①冶煉、②水霧化、③壓濾
脫水、④真空干燥及⑤還原步驟,制得本發明超細高抗彎強度水霧化合金
粉末。下面對步驟2)中的各個分步驟進行詳細闡述。

①冶煉步驟中,冶煉采用中頻感應爐冶煉,每爐投料總量不超過220kg,
功率控制在60~240KW之間(以達到將金屬融化所需的溫度);爐襯材質為
鎂砂或石英砂(因為考慮到熔渣是堿性,所以選擇堿性爐襯鎂砂或中性爐
襯石英砂),熔煉過程的最高溫度控制在≤1650℃(該溫度控制主要兼顧爐
襯壽命及鋼液流動性問題,倘若溫度過高會損害爐襯壽命,過低會導致鋼
液流動性不足)。霧化過程中爐溫控制在1580~1640℃(限定這個溫度區間
可以保證爐襯不受損害,鋼液流動性足夠,而且易于控制),功率控制在
60~120KW(限定這個功率區間可以保證鋼液的溫度,防止霧化過程中鋼液
溫度下降)。

①冶煉步驟中,需控制各金屬原材料的加入順序及加入時間節點,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
時開始加入Cu,最后按照順序依次加入V,Nb,Zr,B,Al和La;限定各
金屬原材料加入順序及時間點主要考慮的是,不易于氧化的金屬在熔煉前
期加入,特別容易氧化的金屬在后面加入,以防止加入過早產生大量熔渣。

①冶煉步驟中,采用復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分鐘時間保持熔液溫度不低于1580℃,然后去除
熔液表面的熔渣,時間及溫度的限定,目的是利于用脫氧劑進行鋼液的脫
氧,并且形成硅鈣熔渣起到聚渣的效果;當熔液溫度在1580~1640℃之間
時開始霧化。

②水霧化步驟,其采用兩組噴嘴二級霧化的方式,中間包漏眼直徑
3~8mm,霧化水流量80~140L/min,霧化壓力60~135MPa,以此來保證霧
化粉末的粒度。

③壓濾脫水步驟為,將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。因為粉末較細,此處必須用高目數的濾布,0.5MPa
的壓力足夠壓濾。

④真空干燥步驟為,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,啟動真空泵,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-0.09MPa,確保足夠
的真空度,防止粉末氧化;加熱溫度40~120℃,以此讓水快速蒸發。

⑤還原步驟為,采用步進式推舟還原爐,分解氨產生的氫氣、氮氣的
混合氣體還原粉末,還原溫度為500~650℃,粉末在還原爐等溫區還原時
間為20~60分鐘。所限定的還原溫度可以確保在粉末不結塊的狀態下脫氧,
60分鐘內可以足夠脫氧。

所述2)步驟中最后還可進行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-200目、-300目、-400目或者-500目
規格的篩網進行篩分。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。

具體實施例1

本發明制作的合金粉末,是按照經過成分設計配方,將原料進行高溫
熔煉,高壓水霧化,經過真空烘干和氫氣脫氧,過篩后得到產品粉末。把
產品粉末熱壓成為標準抗彎強度試樣塊,用抗彎強度測試機進行三點抗彎
強度試驗。

使用金屬原料及重量如下表:

原料
Fe
Ni
Cu
Si
Sn
Cr
AL
La
V
Nb
Zr
B
總重,kg
重量
119.3
8.8
44.0
6.6
8.8
11.0
15.4
0.25
1.65
1.32
0.24
2.64
220

使用工業生產用250kg爐容量的中頻感應冶煉爐,爐襯材質為鎂砂,
先將Fe,Ni,Si,Sn,Cr放入爐底,送電熔化。熔化約1/2-2/3時開始加
入Cu,最后按照順序依次加入V,Nb,Zr,B,Al和La。原料熔化后,用
復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
鐘時間保持熔液溫度不低于1580℃;然后去除熔液表面的熔渣,當熔液溫
度在1580~1640℃之間時開始霧化。調節霧化壓力為120MPa。霧化后的水
粉混合物經過壓縮氣體壓濾;將脫水后的濕粉裝入干燥器進行真空干燥。
將干燥后粉末裝入還原爐,在600℃下氫氣還原30分鐘。將還原粉末用400
目篩網進行篩分得到最終產品粉末。

檢測結果如下:


抗彎強度檢測結果參見圖1所示。

具體實施例2

與實施例1相比,實施例2調整了原料添加量。

原料
Fe
Ni
Cu
Si
Sn
Cr
AL
La
V
Nb
Zr
B
總重,kg
重量
77.2
22.0
66.0
6.6
4.4
22.0
11.0
0.5
2.5
2.64
0.24
4.92
220

原料投入順序和冶煉方式與實施例1相同。調節霧化壓力為135MPa。
霧化后的水粉混合物經過壓縮氣體壓濾。將脫水后的濕粉裝入干燥器進行
真空干燥。將干燥后粉末裝入還原爐,在550℃下氫氣還原30分鐘。將還
原粉末用500目篩網進行篩分得到最終產品粉末。

最終產品粉末檢測結果如下:


抗彎強度檢測結果參見圖2所示。

以上所述僅為本發明的優選實施例,凡跟本發明權利要求范圍所做的
均等變化和修飾,均應屬于本發明權利要求的范圍。

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