CN109351964B - 具有核-壳结构的复合铁基粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明的具有核‑壳结构的复合铁基粉末及其制备方法和应用，属于还原铁粉表面改性的技术领域。复合铁基粉末是以铁粉颗粒为包覆核心，以纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆为功能化涂覆壳层，以聚乙烯吡咯烷酮K90为有机表面涂膜‑抗氧化剂，形成在铁粉颗粒表面包覆有功能层与抗氧化层的结构。制备是先配置聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液，再顺序加入纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆、铁粉颗粒，搅拌、晾干、粉碎、筛分。本发明的复合铁基粉末用于与铜粉、锡粉、镍粉一起作为金属结合剂，再与金刚石颗粒一起烧结，制作金刚石工具，改善铁基金刚石工具烧结胎体的磨损性，改善金刚石工具的锋利度和铁粉的抗氧化能力，大幅度提高金刚石工具寿命。

Description

具有核-壳结构的复合铁基粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于还原铁粉表面改性的技术领域，尤其涉及一种用于超硬材料制品的表面包覆纳米级(10～300nm)氧化铝或/和氧化锆粉末而具有“核-壳”结构的、可抑制粉末在高温烧结时的界面融合长大、并具有良好抗氧化功能的复合铁基粉末。

背景技术

铁粉是粉末冶金中最基础的原材料之一，也是金属结合剂金刚石工具中用量最大的一类材料。目前金刚石制品领域所应用的铁粉主要以未做表面修饰或改性处理的常规还原铁粉为主，还有部分水雾化铁粉、电解铁粉、化学法所制备的细颗粒铁粉及羰基铁粉。良好的锋利度是金刚石制品的首要性能要求，但铁粉在高温烧结过程中极易发生粉末颗粒的界面融合长大，使烧结组织的晶粒粗化而导致胎体的耐磨性过度增强，限制金刚石磨粒的出刃高度及连续出刃能力，极大的影响了金刚石工具锋利度的提高，这是整个行业中影响铁基结合剂金刚石工具性能发挥的最大障碍。同时，铁粉在空气湿度超过50％的自然环境下贮存超过3个月时，其氧含量的增量往往超过2000ppm，例如，常规200目还原铁粉的氧含量可由初始状态的2000～4500ppm大幅度增至7000ppm以上，致使铁粉因氧含量过高而失效。目前金刚石制品行业内尚无对铁粉进行改性处理来改善烧结胎体磨损性的技术产品，因而，金刚石制品行业亟需一种能够控制铁粉烧结晶粒粗化从而调控烧结胎体磨损性的技术工艺，且可使粉末自身在自然环境条件下能够长期抗氧化贮存技术，而目前的常规铁粉已无法满足铁基结合剂金刚石工具的工程应用需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可以控制铁粉在高温下粗化长大的具有核-壳结构的“铁粉-陶瓷粉”复合功能粉末，用于金属结合剂金刚石工具，可以有效控制铁粉在高温烧结时的粗化长大，细化烧结胎体组织，改善铁基金刚石工具烧结胎体的磨损性，提高工具的锋利度；同时，还可显著改善其在自然环境条件下的抗氧化能力，有利于克服常规铁粉常常因氧化而导致金刚石工具锋利度和寿命大幅度下降甚至失效的弊端。

本发明采用的技术方案是：将聚乙烯吡咯烷酮K90以质量浓度为0.5～1.5％的比例溶入工业级无水酒精中，置于不锈钢料罐中均匀搅拌至聚乙烯吡咯烷酮K90完全溶解为粘稠状液体。以聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液为涂膜剂，将粒度为30～300nm的氧化铝、氧化锆陶瓷粉末中的一种或二种的混合物加入聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液料罐中，采用转速为1000～2000rpm的高速搅拌机搅拌，使纳米级氧化铝/纳米级氧化锆陶瓷粉末均匀分散于聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液(涂膜剂)中。再将200目以细的铁粉按配制重量投入，继续搅拌5-20min，使溶于涂膜剂中的陶瓷粉末均匀涂覆于铁粉表面，搅拌结束后，将搅拌混合物均匀摊涂于平面玻璃板或钢板表面，自然干燥后，将干燥物料进行破碎筛分，形成具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末。

本发明核-壳结构的功能化和抗氧化的复合铁基粉末的具体技术方案如下。

一种具有核-壳结构的复合铁基粉末，其特征在于，所述的核-壳结构，是以铁粉颗粒为包覆核心，以纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆为功能化涂覆壳层，以聚乙烯吡咯烷酮K90为有机表面涂膜-抗氧化剂，形成在铁粉颗粒表面包覆有功能层与抗氧化层的结构；各组分质量份数比例为：铁粉颗粒98.5～99.6份，纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆0.3～1份，有机表面涂膜-抗氧化剂0.1～0.5份。

所述的铁粉颗粒，可以是还原铁粉、水雾化铁粉、电解铁粉、化学法制备的铁粉或羰基铁粉。

当功能化涂覆壳层使用纳米级氧化铝和纳米级氧化锆混配时，二者质量比例可选择为纳米级氧化铝50％～90％，纳米级氧化锆10％～50％。

所述的铁粉颗粒，最好为200目以细；所述的纳米级氧化铝，选择粒度为10～300nm，纯度≥99％；所述的纳米级氧化锆，选择粒度为10～300nm，纯度≥99％。

本发明的具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法的具体技术方案如下。

一种具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法，其特征在于，将聚乙烯吡咯烷酮K90粉末搅拌溶解于无水酒精中，得到质量浓度为0.5％～1.5％的有机表面涂膜-抗氧化剂酒精溶液(亦即涂膜剂)；在不锈钢混料罐中将纳米级氧化铝或/和氧化锆投入到有机表面涂膜-抗氧化剂的酒精溶液中搅拌均匀；再将铁粉颗粒投入不锈钢混料罐，封闭罐盖以1000～2000rpm的速度搅拌5～20min；搅拌结束后取出混合物料，平铺自然干燥，再破碎、筛分、收集，得到在铁粉颗粒表面留有聚乙烯吡咯烷酮K90和纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆的核-壳结构的复合铁基粉末；其中，投料按质量比为铁粉颗粒:纳米级氧化铝或/和纳米级氧化锆:聚乙烯吡咯烷酮K90＝98.5～99.6:0.3～1:0.1～0.5。

在具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法中，所述的筛分收集，是将破碎分散后的混合物料置于200目的振动筛中筛分，收集200目以细的核-壳结构的复合铁基粉末。

所述的不锈钢混料罐，可以选择搅拌速度可调的立式混料搅拌机，加有自动排气、防爆结构。

本发明还请求保护具有核-壳结构的复合铁基粉末的应用，具体的是具有核-壳结构的复合铁基粉末与单质铜粉、锡粉、镍粉或预合金粉末一起作为金属结合剂，再与金刚石颗粒一起混配烧结，制作金刚石工具。所述的预合金粉末，由单质铜粉、锡粉、镍粉中2～3种成分组成。

本发明的表面包覆纳米氧化铝/氧化锆颗粒的具有“核-壳”结构的复合铁基粉末，以200目以细的铁粉颗粒为包覆核心、以质量浓度为0.5～1.5％的聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液为涂膜剂、以纳米氧化铝/氧化锆为功能化涂覆壳层，依靠涂覆壳层的隔离作用来抑制粗颗粒粉末间的界面结合行为并弱化铁粉颗粒间及铁粉与其它种类金属粉末颗粒间的界面结合强度，可以有效控制铁粉在高温烧结时因界面融合长大的晶粒粗化所导致的耐磨性过强的问题，由此弱化胎体的耐磨性，促进金刚石快速出刃，改善金刚石工具的锋利度。同时，由于涂膜壳层可在铁粉表面形成一层具有抗氧化能力的复合结构薄膜，具有“核-壳”结构的铁粉复合粒子在敞开的自然环境条件下保存12个月后，其氧含量的增加值不超过500ppm，极大的改善了铁粉的抗氧化能力。

具体实施方式

实施例1：

称取15g聚乙烯吡咯烷酮K90粉末，将其投入1kg重量的工业级无水酒精中，在玻璃容器中均匀搅拌至固态白色粉末聚乙烯吡咯烷酮K90完全溶解，然后将溶液置于带有搅拌装置、且在密封条件下具有安全防爆排气功能的不锈钢混料罐(可以选择搅拌速度可调的立式混料搅拌机，并加有自动排气、防爆结构)中。称取30g粒度为10～100nm的氧化铝粉末，投入聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液中，均匀搅拌，使氧化铝粉末在溶液中均匀分散。称取氧含量为3500ppm、纯度为99.5％的200目还原铁粉10kg，将其投入至不锈钢混料罐中，封闭罐盖，以1000rpm的速度搅拌10min。搅拌结束后，将混合物料安全取出，平铺于不锈钢物料台面上，自然干燥。将干燥的物料进行气流破碎分散，再将破碎分散后的物料置于200目的振动筛中筛分收集。

所制备的具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末在空气湿度为20～90％、环境温度为-20℃～50℃的环境下贮存12个月，测试粉末的氧含量增量为265ppm，表明功能化复合铁基粉末具有良好的抗氧化能力。

实施例2：

称取10g聚乙烯吡咯烷酮K90粉末，将其投入1kg重量的工业级无水酒精中，在玻璃容器中均匀搅拌至固态白色粉末聚乙烯吡咯烷酮K90完全溶解，将溶液置于具有安全防爆排气装置的不锈钢混料罐(可以选择搅拌速度可调的立式混料搅拌机，并加有自动排气、防爆结构)中。称取0.05kg粒度≤150nm的氧化锆粉末，投入聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液中，均匀搅拌，使氧化锆粉末在溶液中均匀分散。称取氧含量为3500ppm、纯度为99.5％的200目还原铁粉10kg，将其投入不锈钢混料罐中，封闭罐盖，以1000rpm的速度搅拌20min。搅拌结束后，将混合物料安全取出，平铺于不锈钢物料台面上，自然干燥。将干燥的物料进行气流破碎分散，然后置于200目的振动筛中筛分收集。

所制备的具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末在空气湿度为20～90％、环境温度为-20℃～50℃的环境下贮存12个月，测试粉末的氧含量增量为316ppm，表明功能化复合铁基粉末具有良好的抗氧化能力。

实施例3：

称取10g聚乙烯吡咯烷酮K90粉末，将其投入1kg重量的工业级无水酒精中，在玻璃容器中均匀搅拌至固态白色粉末聚乙烯吡咯烷酮K90完全溶解，将溶液置于具有安全防爆排气装置的不锈钢混料罐(可以选择搅拌速度可调的立式混料搅拌机，并加有自动排气、防爆结构)中。分别称取15g粒度为100nm的氧化铝及氧化锆粉末，投入聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液中，均匀搅拌，使混合陶瓷粉末在溶液中均匀分散。称取氧含量为3500ppm、纯度为99.5％的-200目还原铁粉10kg，将其投入至不锈钢混料罐中，封闭罐盖，以1500rpm的速度搅拌10min。搅拌结束后，将混合物料安全取出，平铺于不锈钢物料台面上，自然干燥。将干燥的物料进行气流破碎分散，然后置于200目的振动筛中筛分收集。

所制备的具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末在空气湿度为20～90％、环境温度为-20℃～50℃的环境下贮存12个月，测试粉末的氧含量增量为331ppm，表明功能化复合铁基粉末具有良好的抗氧化能力。

实施例4：

采用实施例1中所制备的具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末，按质量分数为：76％具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末+20％电解铜粉(200目)+4％锡粉(200目)的比例配制混合物料(亦即金属结合剂)，烧结制备尺寸为22mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的金刚石锯片焊接刀头，选用强度级别为D40的混合粒度金刚石，金刚石体积浓度为25％，粒度及重量比例为：35/40目的重量比30％、40/45目的重量比50％、45/50目的重量比20％。将刀头用铜基钎料钎焊于钢质基体上，制备Φ350mm的花岗岩圆锯片，在自动桥式切割机上切割板材尺寸为600mm×600mm×20mm的硬质花岗岩—印度红，切割速度为6.3～6.8m/min，较同类锯片的速度提高20％，切割寿命为263m²，较同类产品提高25％以上。

实施例5：

采用实施例2中所制备的具有核-壳结构的功能化复合铁基粉末，按质量分数为：65％功能化复合铁基粉末+25％电解铜粉(200目)+5％锡粉(200目)+5％羰基镍粉的比例，配制43.2kg的金属粉末混合料(亦即金属结合剂)，制备36#瓷砖坯体表面磨削加工用金刚石磨块。工作面为弧形结构的磨块尺寸规格为164mm(长)×59mm(宽)×12mm(高)，单个磨块工作层的金属粉末混合料投料量为0.72kg。磨块中金刚石的体积浓度为10％，金刚石强度为D60，35/40目与40/45目两种粒度配合使用，其重量份数占比为30:70。将配制的金属粉末混合料与金刚石共同混合均匀后置于石墨模具中，采用热压烧结机在870～880℃的温度、130KN的压力条件下单模烧结制备60块磨块，在瓷砖生产线上用于磨削加工规格为800(长)×800mm(宽)×10mm(厚)硬质抛光砖。与相同组分的常规磨块相比，本实施例中的磨块磨削加工速度明显提升：加工线速由17.6～20.0m/min提高至22.4～25.6m/min，锋利度提升20％以上；单块磨块的使用时间也由常规磨块的80～100小时，提高至120～130小时，寿命提高了20％以上。

Claims (7)

1.一种用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末，其特征在于，所述的核-壳结构，是以铁粉颗粒为包覆核心，以纳米级氧化铝和纳米级氧化锆为功能化涂覆壳层，以聚乙烯吡咯烷酮K90为有机表面涂膜-抗氧化剂，形成在铁粉颗粒表面包覆有功能层与抗氧化层的结构；各组分质量份数比例为：铁粉颗粒98.5～99.6份，纳米级氧化铝和纳米级氧化锆0.3～1份，有机表面涂膜-抗氧化剂0.1～0.5份；所述的铁粉颗粒，是水雾化铁粉、化学法制备的铁粉。

2.根据权利要求1所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末，其特征在于，所述的纳米级氧化铝和纳米级氧化锆，混配质量比例为纳米级氧化铝50％～90％，纳米级氧化锆10％～50％。

3.根据权利要求1或2所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末，其特征在于，所述的铁粉颗粒，为200目以细；所述的纳米级氧化铝，粒度为10～300nm，纯度≥99％；所述的纳米级氧化锆，粒度为10～300nm，纯度≥99％。

4.一种权利要求1所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法，其特征在于，将聚乙烯吡咯烷酮K90粉末搅拌溶解于无水酒精中，得到质量浓度为0.5％～1.5％的有机表面涂膜-抗氧化剂酒精溶液；在不锈钢混料罐中将纳米级氧化铝和氧化锆投入到有机表面涂膜-抗氧化剂的酒精溶液中搅拌均匀；再将铁粉颗粒投入不锈钢混料罐，封闭罐盖以1000～2000rpm的速度搅拌5～20min；搅拌结束后取出混合物料，平铺自然干燥，再破碎、筛分、收集，得到在铁粉颗粒表面留有聚乙烯吡咯烷酮K90和纳米级氧化铝和纳米级氧化锆的核-壳结构的复合铁基粉末；其中，投料按质量比为铁粉颗粒:纳米级氧化铝和纳米级氧化锆:聚乙烯吡咯烷酮K90＝98.5～99.6:0.3～1:0.1～0.5。

5.根据权利要求4所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法，其特征在于，所述的筛分收集，是将破碎分散后的混合物料置于200目的振动筛中筛分，收集200目以细的核-壳结构的复合铁基粉末。

6.根据权利要求4或5所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末的制备方法，其特征在于，所述的不锈钢混料罐，是搅拌速度可调的立式混料搅拌机，加有自动排气、防爆结构。

7.一种权利要求1所述的用于超硬材料制品的具有核-壳结构的复合铁基粉末的应用，是与单质铜粉、锡粉、镍粉或预合金粉末一起作为金属结合剂，再与金刚石颗粒一起混配烧结，制作金刚石工具。