CN101462162B - 一种预合金胎体粉末 - Google Patents
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Abstract
一种预合金胎体粉末，属粉末冶金材料技术领域，用于解决现有金属或预合金胎体粉末机械性能相对较低或烧结温度偏高的问题。所述粉末由下述重量单位的原料组成：Fe50-70，Co 10-20，Cu 10-20，Ni 1-5，Sn 1-5，P 1-3，WC 5-10。本发明经反复试验得到合适的配比组分，采用以Fe、Co、Cu为基础成分，同时按配比加入Ni、Sn、P、WC等元素，以现有制粉技术制备成预合金胎体粉末。各添加元素适当的含量和协同作用使其具有优良的成分均匀性和足够的烧结反应活性，同时可使烧结块的性能得到提高，特别是在硬度、抗弯强度、耐磨损性和对金刚石把持力等方面有显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶金粉末，特别是用于制造金刚石工具的预合金胎体粉末，属粉末冶金材料技术领域。
背景技术
随着行业竞争加剧，石材、工程建筑行业对降低成本、提高效率的要求日益强烈，国内外市场对高性能金刚石工具的需求迅速上升。制造金刚石工具的方法是先将金刚石与金属粉末混合，然后将此混合物冷压成形，再加压或不加压烧结成紧密的固结块。其中，金属粉末作为刀具胎体粘结剂把持金刚石，其原料成分及粒度等因素会对金刚石刀具性能产生重要影响。
通常要求金属粉末应具有良好的烧结反应活性。良好的烧结反应活性意味着金属粉末能在相对较低的温度下烧结接近理论密度，或是烧结达到理论密度只需要很短的烧结时间。高的烧结温度会导致以下主要缺点：烧结模具寿命降低、金刚石降解和高的能耗。良好的烧结活性其最高烧结温度应不超过850℃。烧结活性可用得到的相对密度来表征：一般来说，相对烧结密度达到98％或以上可被认为接近理论密度。影响烧结反应活性的首要因素是粉末的成分。选择粉末成分不仅要考虑对烧结体性能，尤其是硬度、耐磨性的要求，而且要兼顾成本因素。影响粉末烧结活性的第二个重要因素是粉末的粒度，在其他条件相同的情况下，细的粉末的烧结活性明显优于粗的粉末。另外一个因素就是粉末表面的氧化，由于粉末粒度细，表面活性高，暴露在空气中，就会很容易发生氧化，从而在粉末颗粒表面形成氧化物层，进而阻止烧结反应的进行，因此降低了粉末的烧结反应活性。
目前，金刚石工具中应用最多的金属基粘结剂粉末是超细钴粉，它的费氏粒度小于7μm。其他常用的金属粉末还有细金属粉末的混合物和较粗的预合金粉末(中位径小于40μm)。金刚石锯片在使用过程中，难免会出现局部温度过高的现象，从技术角度看，钴基胎体具有红硬性好的优势，使用细的钴粉对金刚石工具带来了很好的结果，但其缺点是钴粉较高的价格和强烈的价格波动，同时，钴也被怀疑对环境造成危害。而使用细的金属粉末的混合粉做为粘结剂粉末时，由于混合粉末的均匀性对最终工具的机械性能有实质性影响，所得到的烧结块的硬度、强度和耐磨损性能都相对较低。使用粗的预合金粉末时，一般需要大约900～1000℃的烧结温度，在这个温度下，金刚石会发生明显的降解——即所谓的石墨化。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种具有优良的成分均匀性和足够的烧结反应活性，同时能对金刚石提供足够把持力的预合金胎体粉末。
本发明所称问题是以下述技术方案解决的：
一种预合金胎体粉末，其特别之处是：它由下述重量单位的原料组成：Fe 50-70，Co10-20，Cu 10-20，Ni 1-5，Sn 1-5，P 1-3，WC 5-10。
上述预合金胎体粉末，它由下述重量单位的原料组成：Fe 58-62，Co 13-15，Cu 13-15，Ni 2-3，Sn 1-2，P 1-2，WC 8-10。
上述预合金胎体粉末，采用激光衍射法测定其粒度中位径小于20μm，优选不超过15μm。
上述预合金胎体粉末，按GB/T5158-1999方法在还原温度1100℃下测定该粉末的氢损值不超过0.25％，优选不超过0.20％。
本发明针对现有金属或预合金胎体粉末机械性能相对较低或烧结温度偏高的问题进行了改进，采用以Fe、Co、Cu为基础成分，同时按配比加入Ni、Sn、P、WC等元素，以现有制粉技术制备成预合金胎体粉末。本发明预合金胎体粉末，经反复试验得到合适的配比组分，各添加元素适当的含量和协同作用使其具有优良的成分均匀性和足够的烧结反应活性，同时可使烧结块的性能得到提高，特别是在硬度、抗弯强度、耐磨损性和对金刚石把持力等方面有显著提高。
具体实施方式
本发明预合金胎体粉末，以Fe、Co、Cu为基础成分，同时加入Ni、Sn、P、WC等元素所构成，作为调节性能而加入的Ni、Sn、P、WC等元素主要作用如下：Ni与Co、Fe适量搭配可提高胎体的综合性能，使胎体具有较小的变形性和适度的耐磨性；Sn在铁基胎体中可以形成Fe3Sn和Fe70Sn15C15金属间化合物和复式碳化物，改善铁基胎体的磨损性能和变形性，并可降低烧结温度；加入少量的P用来改善铜对金刚石的润湿，适当弱化胎体，提高胎体的锋利度；适量WC可增加胎体耐磨性，减少变形性，抑制金刚石表面的石墨化。
所述预合金胎体粉末，采用激光衍射法测定的粒度中位径小于20μm，优选不超过15μm。较细的粉末粒度能保证粉末具有更大的比表面积，而对于相同组分的预合金粉末，更大的比表面积是高的烧结反应活性的标志。
所述预合金胎体粉末，按GB/T5158-1999方法在1100℃下测定的氢损值不超过0.25％，优选不超过0.20％。氧的存在对粉末的烧结反应活性和烧结块的抗弯强度均有危害，因此需控制氧含量在一个较低的水平。
以下是本发明预合金胎体粉末的性能试验数据：
一.烧结性能试验：
将本发明预合金胎体粉末置于尺寸为30mm×12mm×6mm的石墨模具中，压力为35MPa，在不同的温度烧结3分钟，测定烧结块的相对密度，结果见表1。
表1烧结粉末的相对密度
| 烧结温度 | 750℃ | 800℃ | 850℃ | 900℃ | 950℃ |
| 相对密度(％) | 97.5 | 98.3 | 98.7 | 99.0 | 98.5 |
上述结果表明该粉末可在较低的烧结温度下获得较高的烧结密度，优化烧结温度为800～900℃，当烧结温度超过900℃后相对密度不再提高。
二.机械性能测定：
1.硬度测定：将本发明预合金胎体粉末置于尺寸为30mm×12mm×6mm的石墨模具中，压力为35MPa，在不同的温度烧结3分钟，测定烧结块的HRB硬度，结果见于表2。
表2烧结粉末的硬度
| 烧结温度 | 750℃ | 800℃ | 850℃ | 900℃ | 950℃ |
| 硬度(HRB) | 85.5 | 89.5 | 90.0 | 92.5 | 91 |
由表2可见，该粉末在900℃烧结时硬度达到最大值，优化烧结温度为800～900℃，这一结果与表1烧结块相对密度随温度的变化规律是一致的。
2.抗弯强度测定：将本发明预合金胎体粉末置于30mm×12mm×6mm的烧结块直接放在相隔25.4mm的两个支座上，在其中间施力，直至试样断裂，结果见于表3。
表3烧结粉末的抗弯强度
| 烧结温度 | 750℃ | 800℃ | 850℃ | 900℃ | 950℃ |
| 抗弯强度(MPa) | 858 | 884 | 910 | 926 | 895 |
由表3可见，当烧结温度为800～950℃时，抗弯强度达到880MPa以上，说明该粉末具有良好的烧结工艺性，可在较宽的烧结温度范围内获得较高的抗弯强度。
三.P和WC对金刚石刀头影响的测定：
1.P和WC对烧结块机械性能的影响：在其它条件一致的情况下向预合金粉末中添加不同含量的P和WC，并分别将不同P和WC含量的粉末置于石墨磨具中在35MPa、850℃的温度下烧结3分钟。测定烧结块机械性能结果见表4。
表4P和WC对烧结块机械性能的影响
| P/WC(wt％) | 0/10 | 0.75/10 | 1.5/10 | 2.25/10 | 3/10 |
| 硬度(HRB) | 88 | 89.5 | 90.5 | 92.5 | 91 |
| 抗弯强度(MPa) | 839 | 863 | 881 | 892 | 867 |
| P/WC(wt％) | 2/0 | 2/5 | 2/10 | 2/15 | 2/20 |
| 硬度(HRB) | 87 | 89.5 | 92.5 | 92 | 90.5 |
| 抗弯强度(MPa) | 841 | 883 | 912 | 891 | 877 |
由表4可见，烧结块的硬度和抗弯强度随着P和WC含量的增加均呈缓慢上升的趋势，在P含量为2wt％，WC含量为10wt％时达到最大值。这说明，P和WC的添加在显著强化结合剂的性能的同时，也显著的改善了金属胎体与金刚石的粘结性能。
2.P和WC对金刚石刀具切割性能的影响：
本试验是在预合金粉末其它条件一致的情况下，P和WC的不同添加量时与30/50目金刚石颗粒混合后，热压烧结得到φ230规格金刚石锯片在φ230台式锯上进行实际锯切结果。切割对象为厚度1.8～2.2mm的辉绿岩，其结构致密、均匀、质地坚硬、抗压强度平均2460kg/m2，抗折强度平均335kg/cm2，摩氏硬度6.8。
表5P和WC对切割性能的影响
| P/WC(wt％) | 0/10 | 0.75/10 | 1.5/10 | 2.25/10 | 3/10 |
| 切割速度V(m/min) | 1.52 | 2.11 | 2.27 | 2.45 | 2.36 |
| 平均寿命L(m/mm) | 113.5 | 124.8 | 129.6 | 131.4 | 119.7 |
| P/WC(wt％) | 2/0 | 2/5 | 2/10 | 2/15 | 2/20 |
| 切割速度V(m/min) | 1.52 | 2.49 | 2.78 | 2.45 | 2.34 |
| 平均寿命L(m/mm) | 113.5 | 136.9 | 148.5 | 138.7 | 129.9 |
由表5可见，加入适量P和WC后，金刚石锯片的切割速度和平均寿命都优于不含该元素的金刚石锯片，且含WC成分的锯片更有优势，P和WC具有协同作用，以适当配比同时加入时效果更佳。表中的切割速度V由切割总长度/所用总时间来衡量，V越大说明锯片越锋利；平均寿命L由切割总长度/单边刀齿损耗来衡量，L越大说明锯片越耐用。
以下给出几个具体的实施例：
实施例1，按重量单位称取原料如下：Fe 50，Co 15，Cu 20，Ni 3，Sn 1，P 3，WC 5。
实施例2，按重量单位称取原料如下：Fe 70，Co 10，Cu 10，Ni 5，Sn 5，P 1，WC 10。
实施例3，按重量单位称取原料如下：Fe 60，Co 20，Cu 15，Ni 1，Sn 3，P 2，WC 8。
实施例4，按重量单位称取原料如下：Fe 62，Co 13，Cu 15，Ni 2，Sn 1，P 2，WC 10。
实施例5，按重量单位称取原料如下：Fe 58，Co 15，Cu 13，Ni 3，Sn 2，P 2，WC 10。
实施例6，按重量单位称取原料如下：Fe 60，Co 14，Cu 14，Ni 2.5，Sn 1.7，P 1.7，WC 9。
实施例7，按重量单位称取原料如下：Fe 58，Co 13，Cu 13，Ni 2，Sn 1.5，P 1.5，WC 8。
按照上述配比称取的原料主要成分先用雾化法制成基础预合金粉末，再将调整后的全组份混合料高温还原扩散工艺保证了本发明粉末中各成分的均匀性；通过制粉工艺、添加元素粒度及还原工艺的控制使本发明粉末具有较细的粒度和较低的氢损值，从而保证了粉末具有足够的烧结反应活性；粉末的硬度、抗弯强度、切割性能等的实测结果见下面的性能试验数据部分。
Claims (6)
1.一种预合金胎体粉末，其特征在于：它由下述重量单位的原料组成：Fe 50-70，Co 10-20，Cu 10-20，Ni 1-5，Sn 1-5，P 1-2，WC 8-10。
2.根据权利要求1所述的预合金胎体粉末，其特征在于：它由下述重量单位的原料组成：Fe 58-62，Co 13-15，Cu 13-15，Ni 2-3，Sn 1-2，P 2，WC 10。
3.根据权利要求2所述的预合金胎体粉末，其特征在于：所述粉末采用激光衍射法测定其粒度中位径小于20μm。
4.根据权利要求3所述的预合金胎体粉末，其特征在于：所述粉末采用激光衍射法测定其粒度中位径不超过15μm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的预合金胎体粉末，其特征在于：所述粉末按GB/T5158-1999方法在还原温度1100℃下测定该粉末的氢损值不超过0.25％。
6.根据权利要求5所述的预合金胎体粉末，其特征在于：所述粉末按GB/T5158-1999方法在还原温度1100℃下测定该粉末的氢损值不超过0.20％。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Denomination of invention: Prealloyed carcass powder Effective date of registration: 20170518 Granted publication date: 20110629 Pledgee: China Everbright Bank Limited by Share Ltd. Shijiazhuang branch Pledgor: BOSUN TOOLS Co.,Ltd. Registration number: 2017130000008 |
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Date of cancellation: 20181220 Granted publication date: 20110629 Pledgee: China Everbright Bank Limited by Share Ltd. Shijiazhuang branch Pledgor: BOSUN TOOLS Co.,Ltd. Registration number: 2017130000008 |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 050035 Yangtze River Avenue 289, Shijiazhuang High-tech Zone, Hebei Province Patentee after: Boshen Co.,Ltd. Address before: 050035 No. 10 Haihe Road, Shijiazhuang hi tech Industrial Development Zone, Hebei, China Patentee before: BOSUN TOOLS Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Prealloyed matrix powder Effective date of registration: 20210922 Granted publication date: 20110629 Pledgee: Handan Bank Co.,Ltd. Shijiazhuang Ping'an sub branch Pledgor: Boshen Co.,Ltd. Registration number: Y2021130000026 |
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Date of cancellation: 20231225 Granted publication date: 20110629 Pledgee: Handan Bank Co.,Ltd. Shijiazhuang Ping'an sub branch Pledgor: Boshen Co.,Ltd. Registration number: Y2021130000026 |