CN101541990B - 预合金化金属粉末、其获得方法和使用其制备的切割工具 - Google Patents
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Abstract
预合金化金属粉末,特别用于通过烧结制备切割工具,特征在于以重量%计其组成是:48-52%Fe;14-19%Co;32-37%Cu;≤1%O,余量是来自其制备的杂质。用于获得这种粉末的方法,以及由这种粉末制备的金刚石锯和切割线锯。
Description
技术领域
本发明涉及预合金化金属粉末领域,由该预合金化粉末制成金刚石切割工具例如用于锯的锯片(segment)以及用于制备切割硬质材料如花岗岩的线锯(fil)的串珠(perle)。
背景技术
通常由含有约20%碳化钨和约80%钴的细粒制备用于制造金刚石串珠的金属粉末。将该细粒与金刚石混合并压制成环形,并根据两种可能的方法对生坯部件进行烧结。
在第一种情形中,用每个配备有钢套管的生坯部件填充石墨模具,然后在常规热压的压力下进行烧结。然而,由于金刚石串珠的特殊形式:
-石墨模具具有复杂的几何形状且购买昂贵,还更因为必须对它们定期进行更换;
-因为难以用生坯部件和环形物来填充模具,所以必须手工进行填充,这在人力方面涉及高成本;
-为了获得均匀烧结的金刚石串珠,限制每个模具中烧结的串珠数目为几十个部件,这意味着生产率低。
在第二种情形中,具有其钢套管的生坯部件在静态或传送式窑炉中进行自然烧结,也称为“自由烧结”(不使用模具)。然而,在这种烧结后,基于钴和碳化钨的串珠不能充分致密化。需要第二热处理,其必须在1500-2000巴高压下操作的窑炉中进行,以实现串珠的热等静压压制。购买和维护这种窑炉是昂贵的。
因此,在任何情形中,就原料和制备过程两方面而言,这些方法是非常昂贵的。
发明内容
首先,本发明的目标是获得成本相对适中的预合金化金属粉末,且该预合金化金属粉末与成本显著低于现有方法的金刚石串珠制备过程相容,特别是由于无需模具而进行的自然烧结仍允许获得足够高性能的产品,特别用于切割花岗岩。同样,这样的粉末也应适于制备用于较低要求用途的其它类型切割工具。
为此,本发明涉及预合金化金属粉末,特别是通过烧结制备切割工具,特征在于以重量百分比计其组成是:
*Fe=48-52%
*Co=14-19%
*Cu=32-37%
*O≤1.2%,
余量是来自其制备的杂质。
该预合金化金属粉末颗粒的费氏(Fisher)直径优选1-3μm。
优选地,该预合金化金属粉末由这样的粉末和至少一种助烧结添加剂的混合物构成,比例为80-90重量%粉末和10-20重量%助烧结添加剂。
助烧结添加剂优选为铁、镍、铜或钴的磷化物、或至少两种这些磷化物的混合物、或至少两种这些金属的混合磷化物。
优选通过混合第一粉末和第二粉末及任选的烧结添加剂来获得该粉末,所述第一和第二粉末各自具有以下特征:
-对于第一粉末
*Fe=27-32%
*Co=24-28%
*Cu=42-47%
*O≤1%,
余量是来自其制备的杂质,
-对于第二粉末
*Fe=75-80%
*Co≤5%
*Cu=17-22%
*O≤1%
余量是来自其制备的杂质。
优选地,第一粉末颗粒的费氏直径为0.8-1.5μm,第二粉末颗粒的费氏直径为3.0-4.0μm,且混合后获得粉末的费氏直径为1-3μm。
本发明还涉及制备金刚石切割工具的方法,特别包含混合预合金化金属粉末与金刚石的步骤、冷压该混合物的步骤和烧结所述压制混合物的步骤,特征在于所述金属粉末是上述类型的粉末。
烧结优选为自然烧结。
所述工具可以是用于金刚石锯的切割锯片。
所述工具可以是切割线锯的金刚石串珠。
所述粉末可以是上述类型粉末。
本发明还涉及包括固定在金属盘周边的切割锯片的金刚石锯,特征在于通过上述方法获得所述锯片。
本发明还涉及包括穿在丝线上的金刚石串珠的切割线锯,特征在于通过前述方法获得所述串珠。
如已经理解的,本发明基于使用精确组成的预合金化粉末,该组成基于铁、钴和铜。已发现,未使用高比例非常昂贵元素的这种粉末,能够通过简单自然烧结,即通过能够以高生产率进行且经济的方法制备性能非常高的金刚石切割工具(锯和串珠)。
还提供了获得该粉末的方法,使得能够由所述粉末获得具有特别高标准的烧结产物。
具体实施方式
通过阅读下面的说明将更好地理解本发明。
根据本发明的预合金化粉末必须特别满足下列要求。
对于700MPa最大冷压力,由该粉末获得的生坯部件的相对密度必须至少为60%。
优选地,该粉末必须易于以63-450μm的粒级进行造粒,该粒级最适于填充用于制备金刚石线锯串珠的冷压钢模具。
在传送式窑炉(对于连续生产)中或在静态窑炉(对于分批生产)中在850-1100℃下自由烧结后,优选地,所获部件的相对密度必须为至少97%。
必须能够使用该粉末生产在烧结后硬度至少为220HB的部件,使得它们能够用于切割花岗岩。
据发现,根据本发明借助于具有以下特征的预合金化粉末实现了这些及上述目标。
该粉末的组成(以重量%计)是:
-Fe=48-52%
-Co=14-19%
-Cu=32-37%
-O≤1.2%,
余量是来自其制备的杂质。
优选地,颗粒的平均费氏直径(根据标准ISO 10070测量,通过在稳态流动条件下测量粉末床的透气性来测定包络-比表面积)为1-3μm。
优选地,该粉末的典型理论密度为8.4g/cm3。
特意调整铁和钴含量之间的比例以避免形成硬质且弱化的α′相,该相在Fe/(Fe+Co)重量比为30-70%时形成。根据本发明,该比例为72-78%,因此避免了α′相。
添加的铜量足以获得好的烧结。
保持氧含量最多为1.2%以免存在氧化物,该氧化物在自然烧结过程中并不能完全被氢还原。这样的未被还原的氧化物将降低生坯部件的可烧结性,将导致烧结部件结构中的不均匀性,将增加部件硬度及因此增加易碎性,以及将至少在表面上与金刚石反应并使其破坏。因此将降低工具的切割性能。
特别地,能够以两种不同的方式获得该粉末。
根据第一制备方法,直接通过常规湿法冶金路线制备具有所需组成和形态特征的粉末。
湿法冶金路线包括首先借助于氢氧化钠、金属氯化物混合物通过沉淀制备金属氢氧化物,其根据反应:
xCuCl2+yFeCl3+zCoCl2+(2+t)NaOH→CuxFeyCoz(OH)2+2NaCl+tNaOH,其中x+y+z=1,t是相对于化学计量比的过量NaOH量。x、y和z的比例相应于在最终粉末中将存在的Cu、Fe、Co含量之间的原子比。
然后进行固-液分离,之后用软化水清洗氢氧化物滤饼以除去NaCl。然后将滤饼置于干燥器中以获得残余水含量为若干%的共沉淀氢氧化物粉末。
然后对氢氧化物粉末进行还原以将其转变成预合金化金属粉末。优选在传送式窑炉中在H2下进行还原,根据:
CuxFeyCoz(OH)+H2→Cux+Fey+Coz+H2O。
在还原之后,在研磨机中在惰性气体下研磨预合金化粉末,然后以90μm进行筛分。
根据第二制备方法,通过混合两种具有不同组成的粉末(所述粉末也是由湿法冶金分别获得)制备根据本发明的粉末。表1显示了有待使用的两种粉末的组成:
表1:使用的粉末I和II的特征。
令人惊讶地看到,与使用根据所述的第一制备方法直接通过湿法冶金方法获得的粉末相比,当通过混合两种粉末I和II(粉末比例使得总体上能够获得具有规定特征的粉末)制备根据本发明粉末时,从几个方面而言该烧结产生了更好的结果。
通常,相对比例约60-40重量%的粉末I和II的混合物允许生产根据本发明的粉末。
在已获得根据本发明的粉末后,能够直接使用或能够通过现在将要描述的常规方法使其形成细粒形式。随后能够使用该细粒制备特定的金刚石工具,例如金刚石线锯和小厚度的金刚石锯片。
在高剪切力造粒器中,将要造粒的预合金化粉末与有机粘结剂粉末以及有机溶剂进行混合,其中有机粘结剂的比例为要造粒的粉末量的2-3重量%。在造粒步骤后,通过蒸发除去溶剂。
最后,在具有两种叠置布的振动筛上对细粒进行连续筛分,所述叠置布的筛孔尺寸不同(例如第一种为450μm,第二种为63μm)。然后选择直径63μm-450μm部分。更细或更粗的细粒在随后造粒操作期间被再次利用。
还推荐向粉末添加一种或多种添加剂,其允许烧结部件硬度增加。已经发现已知用于此目的的常规添加剂例如碳化钨在本发明范围内无效,因为它们降低烧结的致密化,因此降低部件的硬度,这与所需的结果相反。已经发现,碳化钨不溶于根据本发明的粉末中,因此不能与金属基质进行冶金结合。相反,已经发现磷化铁允许获得出色的结果;镍、铜和钴的磷化物同样也是令人感兴趣的。
已经对根据本发明的粉末进行自然烧结试验,该试验已经显示通过上述粉末I和II的混合物获得的粉末相对于直接通过单独湿法冶金处理获得的粉末具有优势。
通过上述湿法冶金方法制备了直接获得的粉末(“直接粉末”),即通过在Co和Fe的氯化物的混合物中添加NaOH,在干燥器/微粉机中干燥由此获得的氢氧化物,在660℃进行还原,并在氮喷射研磨机中进行研磨。其组成为Fe=48.8%;Co=16.0%;Cu=34.4%;O=0.8%。其费氏直径为1.3μm。
在事先置于CO2下的混合器中,从先前分别通过湿法冶金制备的60%粉末I和40%粉末II获得了通过混合获得的粉末(“混合物粉末”)。混合操作持续了50分钟。获得的粉末具有下面组成:Fe=49.1%;Co=16.0%;Cu=34.4%;O=0.6%。其费氏直径为1.74μm。
然后将“直接”粉末和“混合物”粉末在200MPa下进行压制,以制备PS 21型部件,由其尺寸和重量计算生坯密度。直接粉末具有理论密度58.0%的密度;混合物粉末具有其理论密度55.2%的密度。
应想到,常规地,PS 21部件是在200MPa下在尺寸24.48×7.97mm的钢模型中通过冷压6g粉末获得的平行六面体部件。获得的生坯部件的高度取决于粉末的可压缩性,且通常约5-6mm。
然后在静态实验室窑炉中在H2下在约850-1000℃温度范围内进行烧结。在所有情形中,升温速率为150℃/小时,在烧结温度下的保温时间是1小时,并进行自然冷却持续约1夜。测量烧结部件的以相对于理论值(8.35g/cm3)百分比计的密度、其HB硬度和其HRB硬度。在表2中汇总了结果。
表2:直接粉末和混合物粉末的烧结结果。
试验结果显示,直接粉末比混合物粉末具有更好的冷压缩性。因此在烧结前能更容易成型。
另一方面,混合物粉末显示出更好的烧结致密度和更高的烧结后硬度。
对直接粉末和混合物粉末进行相似试验,在烧结前向所述粉末添加由BASF提供的、含有10重量%P的磷化铁。以85%粉末和15%FeP(以重量%计)的比例在Gericke混合器中在CO2下进行混合50分钟。
在与前面相同的条件下进行冷压试验。据发现,添加FeP的直接粉末具有理论密度59.1%的密度,而混合物粉末具有其理论密度53.1%的密度。
然后在与前面相同的条件下进行粉末烧结,并测量获得部件的密度及HB和HRB硬度。在表3中汇总了结果。
表3:添加FeP的直接粉末和混合物粉末的烧结结果。
添加FeP的直接粉末和混合物粉末之间的性能级别与纯粉末(没有添加剂)的性能级别相同。在烧结后,混合物粉末显示出更好的结果。
与在相同条件下由不具有添加剂的粉末获得的部件相比,添加剂允许获得具有显著更高硬度的烧结部件,如通过比较表2和3的结果可见。
需要知道的是,添加FeP的根据本发明的粉末(比例为85%粉末和15%FeP)大致具有下面特征:
-典型的理论密度为8.21g/cm3
-Fe=54-58%
-Co=12-16%
-Cu=27-31%
-P=1-2%
-O≤1.5%
费氏直径为2-5μm。
还对添加磷化镍(含有8.8重量%P)的混合物粉末(比例为85%粉末混合物和15%NiP)进行烧结试验。在表4中汇总了结果。
表4:添加NiP的混合物粉末的烧结结果。
烧结温度(℃) | %理论密度 | HB硬度 | HRB硬度 |
856 | 96.7 | 258 | 102.4 |
907 | 97.8 | 280 | 104.9 |
954 | 98.1 | 300 | 106 |
1002 | 98.1 | 305 | 106.2 |
因此,在所述条件下添加NiP在烧结部件的密度和硬度方面也获得了出色的结果。
需要知道的是,添加NiP的根据本发明的粉末(比例为85%粉末和15%NiP)大致具有下面特征:
-典型的理论密度为8.37g/cm3
-Fe=40-44%
-Co=11-17%
-Cu=27-31%
-Ni=13-15%
-P=1-2%
-O≤1.5%
费氏直径为1-4μm。
还能够使用磷化铜或磷化钴作为添加剂。同样还能使用铁、镍、铜和钴的磷化物中至少两种的混合物,或至少两种这些金属的混合磷化物。
使用借助于本发明粉末和参比粉末制备的部件进行花岗岩切割试验,结果如下。
使用直径500mm的金刚石锯进行花岗岩切割试验,使用下面粉末通过自然烧结制备金刚石锯的切割锯片:
-如上文所述添加FeP(85%-15%)的本发明的粉末。
使用两种粉末制备金刚石锯片,形成锯的锯齿。锯片是“分层锯片”类型,即其在周边(1.1克拉/cm3锯片)比在中心(0.8克拉/cm3锯片)具有更高浓度金刚石。使用标准金刚石和涂覆钛的金刚石。选择这种类型锯片,因为其在石墨模具中通过常规热压方法进行制备时特别复杂和昂贵。
在传送式窑炉中通过自然烧结对使用参比粉末和使用本发明粉末制备的锯片进行烧结,对于本发明粉末在940℃下进行烧结而对于参比粉末在980℃下进行烧结,然后焊接到直径500mm的钢盘上以形成锯。然后使用所述锯切割不同种类的花岗岩。对于每种粉末,试验了三种类型金刚石的混合物,由来自ELEMENT SIX的金刚石制备所述混合物,将给出参比。
在每次切割试验后,计算切割速度(以cm2计每分钟切割的花岗岩)和锯的寿命(以m2计每毫米锯片高度切割的花岗岩)。这些值越高,锯的品质越好。
使用SDB VB 40-50目金刚石(30%)和SDB LBW 50-60目金刚石(70%)的混合物,结果如下:
参比锯寿命为4.4m2/mm,切割速度为520cm2/分钟。
本发明的锯寿命为4.8m2/mm,切割速度为620cm2/分钟。
使用SDB VB 30-40目金刚石(10%)、SDB VB 40-50目金刚石(40%)和SDB LBW 50-60目金刚石(50%)的混合物,结果如下。
发现参比锯不能切割花岗岩。
本发明的锯寿命为3m2/mm,切割速度为620cm2/分钟。
使用SDB VB 30-40目金刚石(10%)、SDB TMF 40-50目金刚石(40%)和SDB TMF 50-60目金刚石(50%)的混合物,结果如下(TMF类型金刚石涂覆有钛)。
参比锯寿命为4.1m2/mm,切割速度为600cm2/分钟。
本发明的锯寿命为6.7m2/mm,切割速度为900cm2/分钟。
因此,就绝对意义方面而言,本发明锯的试验结果优异,从所有方面均系统地优于参比锯。因此,其中将锯片自然烧结与所用预合金化粉末的精确组成相结合的制备本发明锯片的方法,与已知的使用模具的方法相比,以非常适度的价格产生令人满意的结果。
还证实,根据本发明的粉末适于制备用于生产切割花岗岩的切割线锯的金刚石串珠,这是本发明所预期的优选应用。
串珠具有7.2mm外径(用于多线切割机的串珠)和11mm外径(用于单线切割机的串珠),并且通过以下方法制备:
-通过上述方法从添加FeP(85%/15%)的根据本发明的粉末制备细粒;
-将细粒与标准金刚石或涂覆钛的金刚石进行混合,取决于试验;
-对细粒/金刚石混合物进行冷压以产生密度约为理论密度65%的生坯部件;
-在590℃下除去造粒粘结剂;
-在900℃下进行烧结;
-借助于含有72%Ag和28%Cu的焊料在900℃下进行焊接以确保适当附着到作为载体的钢套管上。
在传送式窑炉中在H2下进行去除粘结剂、烧结和焊接的操作。
获得的串珠以37串珠/延米的比率穿在钢丝线上,然后对整体增塑以使其硬化。
在用于切割不同花岗岩的不同机器上,对线锯进行试验。在表5中汇总了测试结果。
表5:切割线锯的试验结果(由添加FeP的根据本发明粉末制备串珠)。
标准或涂覆钛的金刚石 | 标准金刚石 | 涂覆钛的金刚石 | |
初始外径 | 7.2mm | 11mm | 11mm |
最终外径 | 5.3mm | 8.6mm | 8.4mm |
钢载体外径 | 5.0mm | 8mm | 8mm |
切割速度 | 0.9-1.1m2/h | 0.8m2/h | 0.8m2/h |
寿命 | 10.3m2/延米 | 14m2/延米 | 36m2/延米 |
这些结果整体上令人满意,并显示出本发明能够以比常规方法显著更低的成本价格制备高性能的金刚石串珠。相比之下,使用涂覆钛的金刚石的常规线锯寿命为约28m2/延米。
通常,当以纯粉末形式使用根据本发明的粉末时,其具有好的冷压缩性,且在900℃或更高温度下被恰当地致密化(其理论密度的97%),特别是当通过混合如上定义的粉末I和II而获得粉末时。据认为,烧结后获得的硬度不足以切割花岗岩但足以切割大理石。然而,添加15%铁或镍的磷化物允许烧结部件的致密度和硬度增加到非常适于切割花岗岩的程度。
作为比较,为了显示本发明需要使用预合金化粉末或这样的粉末混合物以获得所需结果,进行以下试验。
由如表6所示的商购Fe、Co和Cu粉末在CO2下持续50分钟制备称为“混合物1”的混合物:
表6:混合物1的特征
元素 | 平均费氏颗粒尺寸费氏直径(μm) | 重量% |
铁(%) | 4 | 50 |
钴(%) | 1.5 | 15 |
铜(%) | 3 | 35 |
氧(%) | - | 0.8 |
混合物1的费氏直径(μm) | - | 3.46 |
以除去氧含量之外的方式表示金属的重量百分比。
这种组成在根据本发明的预合金化粉末范围的中间。
向85重量%的这种混合物中添加(根据与上文相同的方案)15%的与上述试验所用相同品质的来自BASF的10%磷化铁FeP。混合物2的组成为(表7):
表7:混合物2的组成
元素 | 重量% |
铁(%) | 56 |
钴(%) | 12.75 |
铜(%) | 29.75 |
磷 | 1.5 |
氧(%) | 0.95 |
混合物2的费氏直径(μm) | 2.99 |
以除去氧含量之外的方式表示金属和磷的重量百分比。对于这两种混合物,在200MPa下压制PS 21型部件。由尺寸和重量计算出的部件平均粗密度是(表8):
表8:生坯部件理论密度的百分比
混合物1 | 混合物2 | |
生坯部件的理论密度% | 64.4% | 62.1% |
然后在850、900、950和1000℃下烧结生坯部件。依照上述对根据本发明制备的部件的方案测量这些部件以理论密度%表示的密度、其HB硬度和其HRB硬度。
在烧结之后,获得以下结果(表9和10):
表9:混合物1的烧结结果。
烧结温度(℃) | %理论密度 | HB硬度 | HRB硬度 |
850 | 91.5 | 99 | 53.6 |
900 | 91.3 | 117 | 66.8 |
950 | 89.1 | 96 | 51.8 |
1000 | 88.6 | 94 | 51.5 |
表10:混合物2的烧结结果。
烧结温度(℃) | %理论密度 | HB硬度 | HRB硬度 |
850 | 92.6 | 136 | 75.3 |
900 | 93.8 | 177 | 87.4 |
950 | 97.2 | 202 | 93.1 |
1000 | 98.4 | 213 | 95.8 |
全部结果显示出,与具有类似组成的根据本发明的预合金化粉末相比,两种商用金属粉末混合物展示出:
-非常类似的颗粒尺寸,
-较好的冷压缩性,
-在烧结后显著较差的致密度及较低的HB和HRB硬度,
-由于组分具有大的初始颗粒尺寸,导致烧结部件显著较粗的组织。
在这些条件下:
-特别由于高的孔隙率,由这些商用金属粉末混合物制备的金刚石工具将具有较差的金刚石保持力(即金刚石在金属基质中的较低附着性);
-这将导致工具的性能(切割速度和寿命)显著差于由具有类似组成和颗粒尺寸的本发明预合金化粉末(以纯粉末形式或添加磷化铁)制得工具的性能。
本发明的粉末特别是具有添加剂形式的粉末是易于造粒的,这允许通过廉价的方法制备具有较小厚度的锯片和金刚石线锯。在金刚石的存在下,在静态窑炉或传送式窑炉中,在粉末状态和细粒状态均易于对其烧结。因此,很好地解决了提出的问题。
当然,根据本发明的粉末还将有利地用于通过除上述方法之外的方法来制备切割工具。
Claims (12)
1.预合金化金属粉末,其能用于通过烧结制备切割工具,特征在于以重量%计其组成是:
*Fe=48-52%
*Co=14-19%
*Cu=32-37%
*0≤1.2%,
余量是来自其制备的杂质。
2.根据权利要求1的预合金化粉末,特征在于其颗粒的费氏直径为1-3μm。
3.预合金化金属粉末,特征在于其是由根据权利要求1或2的粉末和至少一种助烧结添加剂的混合物构成,比例为80-90重量%粉末和10-20重量%添加剂;所述助烧结添加剂为铁、镍、铜或钴的磷化物、或至少两种这些磷化物的混合物、或至少两种这些金属的混合磷化物。
4.根据权利要求1-3中任一项的预合金化金属粉末,特征在于其是通过混合第一粉末和第二粉末及任选的助烧结添加剂来获得,所述第一和第二粉末具有各自特征:
-对于第一粉末
*Fe=27-32%
*Co=24-28%
*Cu=42-47%
*0≤1%,
余量是来自其制备的杂质,
-对于第二粉末
*Fe=75-80%
*Co≤5%
*Cu=17-22%
*0≤1%
余量是来自其制备的杂质;
其中所述第一粉末的颗粒的费氏直径为0.8-1.5μm,第二粉末的颗粒的费氏直径为3.0-4.0μm,并且混合后所得粉末的费氏直径为1-3μm;并且
所述助烧结添加剂为铁、镍、铜或钴的磷化物、或至少两种这些磷化物的混合物、或至少两种这些金属的混合磷化物。
5.一种切割工具,特征在于其是通过烧结如权利要求1或2所述的预合金化金属粉末而制成。
6.制备金刚石切割工具的方法,其包括混合预合金化金属粉末与金刚石的步骤、冷压混合物的步骤和烧结所述冷压混合物的步骤,特征在于所述金属粉末是根据权利要求1-4中任一项的类型的粉末。
7.根据权利要求6的方法,特征在于烧结为自然烧结。
8.根据权利要求6或7的方法,特征在于所述工具为用于金刚石锯的切割锯片。
9.根据权利要求6或7的方法,特征在于所述工具为用于切割线锯的金刚石串珠。
10.根据权利要求6或7的方法,特征在于所述粉末为根据权利要求4的类型的粉末。
11.金刚石锯,其包含固定在金属盘周边的切割锯片,特征在于通过根据权利要求8的方法获得所述锯片。
12.切割线锯,其包含穿在丝线上的金刚石串珠,特征在于通过根据权利要求9的方法获得所述串珠。
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