CN107385346A - 金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法 - Google Patents

金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法，属于金刚石工具制备的技术领域。本发明的金刚石烧结工具用预合金粉，所述预合金粉为气雾化粉末，且组成为：10‑35wt％的铜、3‑8wt％的镍、2‑12wt％的钴、1‑7wt％的锡、15‑25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质。本发明的预合金粉中添加了数倍于常规含量的稀土合金粉，并配合镍、钴使用使得热压烧结的金刚石刀头硬度没有下降并且抗弯强度高，能够保证错齿刀头的使用，且金刚石出刃高度大增加提高了切削效率，同时也保证了使用寿命，达到了兼顾效率与寿命的要求。

Description

金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法
技术领域
本发明属于金刚石工具制备的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法。
背景技术
金刚石是目前世界上发现并在工业上能够大量使用的最硬的材料。金刚石烧结工具是以金刚石颗粒(通常为人造金刚石颗粒)为切磨材料，借助于金属粉末通过冷压、烧结而成的具有一定形状、性能和用途的切磨工具。目前，金刚石烧结工具已经广泛运用于建筑工程、道路建设与维护等行业。在传统技术中，通常是将铜、铁、钴、锡等单元素金属粉末进行机械混合或机械球磨而制得胎体材料。但是通过机械混合或者机械球磨制得的混合粉体表面容易氧化，烧结活性差，制备的胎体材料成分不均，不仅耐磨性较差而且对金刚石颗粒的把持力也不足。为了提高胎体材料的性能，自20世纪90年代开始，开始采用预合金粉来烧结制备胎体材料。采用预合金粉可以降低烧结温度，提高烧结胎体的抗压、抗弯强度，同时也可避免金刚石颗粒的高温损伤，因而自问世以来，其在金刚石烧结工具中的应用越来越广泛。然而，对于建筑施工、道路建设与维护中使用的混凝土切削用金刚石烧结工具，采用市场普通市售的预合金粉烧结的金刚石刀头存在切削效率与使用寿命不匹配的问题，难以同时兼顾效率与成本。为了适应高效节能的使用要求，并且使得产品成本更经济，市场竞争力更强，有必要开发一种能够兼顾切削效率(降低使用成本)和使用寿命(减少刀头消耗)的预合金粉。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的第一方面采用了以下技术方案：
一种金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述预合金粉为气雾化粉末，并且其组成为：10-35wt％的铜、3-8wt％的镍、2-12wt％的钴、1-7wt％的锡、15-25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质。
优选地，所述预合金粉的组成为：15-25wt％的铜、4-8wt％的镍、7-12wt％的钴、2-6wt％的锡、17-22wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质。
其中，所述不可避免的杂质的总量不超过1wt％。
其中，所述稀土合金选自铜铈合金粉或镧镍合金粉中的一种。
其中，所述铜铈合金粉中铈的含量为10～20wt％，所述镧镍合金粉中镧的含量为15～30wt％。
本发明的第二方面，还涉及一种金刚石烧结工具用预合金粉的制备方法。
本发明所述的制备方法包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，通过电炉或感应炉将金属原料熔融成合金液体；
(2)将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速惰性气体气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；
(3)将合金粉末进行退火即可得到预合金粉。
其中，所述金属原料由10-35wt％的铜、3-8wt％的镍、2-12wt％的钴、1-7wt％的锡、15-25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质组成。
其中，所述稀土合金选自铜铈合金粉或镧镍合金粉中的一种，所述铜铈合金粉中铈的含量为10～20wt％，所述镧镍合金粉中镧的含量为15～30wt％。
其中，退火温度为120～200℃，时间为3～10小时。
其中，所述合金液体的过热度为80～150℃。
与最接近的现有技术相比，本发明的金刚石烧结工具用预合金粉具有以下有益效果：
本发明的预合金粉中添加了数倍于常规含量的稀土合金粉，并配合镍、钴使用使得热压烧结的金刚石刀头硬度没有下降并且抗弯强度高，能够保证错齿刀头的使用，且金刚石出刃高度大增加提高了切削效率，同时也保证了使用寿命，达到了兼顾效率与寿命的要求。
附图说明
图1为本发明的金刚石烧结工具用的典型预合金粉的SEM图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的金刚石烧结工具用预合金粉及其制备方法做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明涉及一种气雾化方法制备的金刚石烧结工具用预合金粉。本发明的预合金粉的组成为：10-35wt％的铜、3-8wt％的镍、2-12wt％的钴、1-7wt％的锡、15-25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质，其中的杂质可以为常规的金属杂质组分以及非金属杂质组分(例如O、S等)，为了保证烧结得到的胎体的力学性能不降低，所述不可避免的杂质的含量优选不超过1wt％。为了防止熔炼时稀土元素的热损，稀土元素以稀土合金的形式加入，例如可以选择常用的铜铈合金粉或镧镍合金粉中的一种。所述铜铈合金粉中铈的含量为10～20wt％，所述镧镍合金粉中镧的含量为15～30wt％。
在本发明的预合金粉中，铁和铜为基础的组分，铁具有较好的耐磨性，而铜的散热性较好，将二者配合使用具有良好的切削性能。另外，本发明通过钴和镍的配合使用，使得即使添加含量高达15-25wt％的稀土合金也能保证烧结胎体的耐磨性不明显降低，而且胎体的自锐性好，能够保证较高的切削速度。另一方面，本发明通过添加数倍于常规含量的稀土合金粉，保证了烧结胎体的抗弯强度和抗氧化性能，并且与金刚石颗粒的润湿性好，有利于提高使用寿命，尤其是能够适应错齿排布的金刚石刀头的力学性能要求。具体来说，本发明的预合金粉可通过常规的气雾化方法制备然后通过低温退火即可，具体来说，首先，在惰性气氛下通过电炉或感应炉将金属原料熔融成合金液体，合金液体的过热度为80～150℃，优选为100～150℃。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速惰性气体气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；最后将合金粉末进行退火即可得到预合金粉，其中退火温度为120～200℃，时间为3～10小时。图1为采用本发明的方法制备的预合金粉的典型SEM形貌图，其颗粒基本呈球形，且直径小于20μm。对于气雾化粉末而言，退火并非必需步骤，但是在本发明中，由于添加的稀土合金粉含量高，通过低温退火使得粉末冷压、热压烧结后的晶粒充分细化，而且烧结胎体与金刚石结合更加紧密，金刚石出刃高度大为增加，进而可以提高切削效率同时也保障了使用寿命的提高。
实施例1
以金属原料计，按照以下比例进行配料：23wt％的铜、6wt％的镍、8wt％的钴、3wt％的锡、18wt％的铜铈合金粉(铈合金含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；最后，将合金粉末在150℃的退火温度下，处理10个小时。
实施例2
以金属原料计，按照以下比例进行配料：20wt％的铜、5wt％的镍、7wt％的钴、2wt％的锡、21wt％的镧镍合金粉(镧含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；最后，将合金粉末在150℃的退火温度下，处理10个小时。
对比例1
以金属原料计，按照以下比例进行配料：23wt％的铜、6wt％的镍、8wt％的钴、3wt％的锡、18wt％的铜铈合金粉(铈合金含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末即可。
对比例2
以金属原料计，按照以下比例进行配料：20wt％的铜、5wt％的镍、7wt％的钴、2wt％的锡、21wt％的镧镍合金粉(镧含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末即可。
对比例3
以金属原料计，按照以下比例进行配料：23wt％的铜、12wt％的钴、3wt％的锡、18wt％的铜铈合金粉(铈合金含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；最后，将合金粉末在150℃的退火温度下，处理10个小时。
对比例4
以金属原料计，按照以下比例进行配料：20wt％的铜、12wt％的钴、2wt％的锡、21wt％的镧镍合金粉(镧含量为20wt％)，余量为铁。取100公斤的原料加入感应炉中加热使得原料熔融并保持温度为1300～1350℃(合金液体的过热度约为100～150℃)。然后，将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速氩气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；最后，将合金粉末在150℃的退火温度下，处理10个小时。
力学性能测试
以实施例1-2以及对比例1-4制备得到的预合金粉在石墨模具中制备规格为40mm(长)×8mm(高)×6mm(厚)的烧结块，分别测试其在750℃和800℃烧结条件下的硬度(HRB)和抗弯强度(MPa)，结果如表1所示。
表1
将800℃热压烧结的金刚石刀头通过激光钎焊在直径为255mm、厚度为6mm的锯片基体上，对混凝土进行切割实验测试其最大允许的切割速度，以及按照3.0m/min的切割速度下的使用寿命，结果如表2所示。
表2
最大切割速度(m/min) 使用寿命(m)
实施例1 4.2 125
实施例2 4.3 116
对比例1 4.2 85
对比例2 4.3 92
对比例3 3.6 93
对比例4 3.5 95
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述预合金粉为气雾化粉末，并且其组成为：10-35wt％的铜、3-8wt％的镍、2-12wt％的钴、1-7wt％的锡、15-25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述预合金粉的组成为：15-25wt％的铜、4-8wt％的镍、7-12wt％的钴、2-6wt％的锡、17-22wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述不可避免的杂质的总量不超过1wt％。
4.根据权利要求1所述的金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述稀土合金选自铜铈合金粉或镧镍合金粉中的一种。
5.根据权利要求4所述的金刚石烧结工具用预合金粉，其特征在于：所述铜铈合金粉中铈的含量为10～20wt％，所述镧镍合金粉中镧的含量为15～30wt％。
6.一种金刚石烧结工具用预合金粉的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，通过电炉或感应炉将金属原料熔融成合金液体；
(2)将合金液体倒入底部设置有漏眼的中间包，合金液体落下时与雾化器喷嘴喷射的高速惰性气体气流相遇被雾化为细小液滴，细小液滴在雾化筒内快速凝固成合金粉末；
(3)将合金粉末进行退火即可得到预合金粉。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：金属原料由10-35wt％的铜、3-8wt％的镍、2-12wt％的钴、1-7wt％的锡、15-25wt％的稀土合金，和余量的铁以及不可避免的杂质组成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述稀土合金选自铜铈合金粉或镧镍合金粉中的一种，所述铜铈合金粉中铈的含量为10～20wt％，所述镧镍合金粉中镧的含量为15～30wt％。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：退火温度为120～200℃，时间为3～10小时。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述合金液体的过热度为80～150℃。
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