CN111036894B - 用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末及其制备方法，属于金属材料粉末冶金的技术领域。微合金铁基复合粉末的组分有Fe基预合金粉末和超细添加剂粉末；Fe基预合金粉末参杂有Si、Mn、La+Ce混合稀土；超细添加剂粉末是Cr₃C₂或/和Mo₂C；按重量比为超细添加剂粉末︰Fe基预合金粉末＝0.3～5︰95～99.7。采用高温液态熔炼及高压水雾化方法制备Fe基预合金粉末，再与超细添加剂粉末均匀混配。本发明的方法能有效阻止粉末颗粒烧结粗化长大，提高粉末烧结体的综合力学性能，改善金刚石工具的锋利度；微合金铁基复合粉末能够满足以锋利度为核心要求的金刚石制品的工程使用要求。

Description

用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料粉末冶金的技术领域，具体涉及一种金刚石制品用的锋利型微合金功能化铁基预合金粉末的成分设计、水雾化制备方法及其与超细Cr₃C₂、Mo₂C粉末间的功能化组合应用。

背景技术

金刚石制品广泛应用于航空航天、机械加工、建筑施工等众多应用领域，其中，金属结合剂制品的消费量约占全部制品消费量的85％左右。金属结合剂按成分类别划分主要有铁基、铜基及钴基，其中钴基结合剂的综合性能最佳，但价格也最为昂贵。铁基结合剂由于价格低廉，可大幅度降低金刚石制品的开发成本与生产成本，一直是国内外金刚石制品行业的发展重点。目前金刚石制品行业所用铁基粉末种类繁多，有羰基铁粉、化学法所制备的超细铁粉、还原铁粉、电解铁粉、水雾化铁粉等。但目前金刚石制品行业所面临的一个工程难题是，无论采用哪种铁基粉末，均存在着一个突出的问题：就是烧结温度高，且高温烧结后组织结构呈粗化团块状的胎体，由于硬度高、耐磨性过强而限制了金刚石的出露高度，进而极大限制了金刚石工具的锋利度，换言之，铁基结合剂金刚石工具的锋利度差，是行业面临的共性难题。因而，如何在保证铁基胎体对金刚石具有良好的润湿性及合适的强度、硬度等基本机械性能来维持胎体对金刚石具有良好的固结把持能力的同时，改变胎体的合金化状态，弱化胎体的耐磨性，促进金刚石快速出刃而提高工具的锋利度，是行业发展需要亟待解决的技术难题。

羰基铁粉烧结体的综合机械性能好，但价格较高，烧结体的致密度、强度及硬度较高，耐磨性强，限制了金刚石的出刃高度，影响锋利度。

化学法制备的超细铁粉，粉末粒度细，但存在着氧含量高、烧结温度高、粉末烧结体的耐磨损性不易调节等问题。

电解铁粉存在着制备成本高、环境污染大、价格偏高、烧结体耐磨性强等问题，在行业中极少应用。

目前价格低廉、消费量最大的是还原铁粉，但生产厂家众多，质量参差不齐，波动性较大，严重影响金刚石烧结制品的质量稳定性，特别是制品的锋利度较差，并且锋利度的波动性也很大。

水雾化铁粉在行业中也得到了广泛应用，由于氧含量偏高且波动幅度大，也存在着综合机械性能欠缺、质量稳定性差、烧结温度高及粉末烧结体耐磨性高等问题。

铁基烧结体的烧结质量是由粉末颗粒内部物相结构及颗粒表面物相结构所共同决定，颗粒内部物相结构是粉末烧结体整体力学性能的基础，而粉末表面的物相结构影响着粉末的表面烧结活性，影响着烧结致密度、强度、硬度及胎体对金刚石的润湿行为。为了提高产品质量，各类铁粉中均需严格控制Al、Si、S、P等杂质元素的含量，特别是当杂质元素以氧化物形式在粉末颗粒表面的分布数量较多时，如铁粉表面存在数量较多且无法还原的连续薄膜状或较大斑块状的Al₂O₃、SiO₂、MnO₂等氧化膜，会严重恶化铁粉的表面烧结活性，提高烧结温度、降低烧结致密度/强度、降低甚至失去胎体对金刚石的润湿能力而无法把持力金刚石，导致金刚石工具性能下降或失效。为此，需要对铁粉进行高温还原，以降低氧含量，提高铁粉的表面烧结活性。常规的杂质控制手段及还原除氧处理技术，只是将铁基粉末颗粒作为一个整体进行处理，通过造渣除杂等方式去除S、P等杂质来减少总体杂质含量而调控粉末质量，缺乏对粉末表面物相结构，特别是改变表面氧化物结构及分布形式，从而调控粉末表面烧结活性及烧结组织晶粒度的效能。以合金化元素Mn为例，当其作为有益元素存在于粉末颗粒内部时，将有利于降低粉末烧结温度、提高合金化能力、促进烧结致密化、提高烧结强度，从而改善粉末烧结体的综合力学性能；但若Mn元素以氧化物形式存在于粉末颗粒表面时，则会急剧恶化粉末表面烧结活性。因此，如何控制铁基粉末的杂质种类及含量，特别是如何在保证粉末内控质量的前提下，有效调控粉末表面的杂质种类及其分布数量与形态，从而有效调控粉末的表面烧结活性来调控粉末烧结体的晶粒度及磨损性，是获取既具有良好的整体烧结性能，又具有良好自锐磨损特性烧结胎体的一项关键技术。

公开号为CN106735307A的专利申请公开了一种含Mn量较高(1％～5％)的合金钢粉末的氧含量控制技术，通过酸洗生粉，干燥后在900～1000℃下高温还原1～2小时，获得氧含量≤1500ppm的合金钢粉，主要用于粉末冶金汽车零部件。但此种方法所制备的高Mn合金钢粉存在着制备工艺复杂、酸洗易造成环境污染、高温还原成本高等问题，未见其在金刚石工具行业中应用，特别是依然无法解决金刚石铁基烧结胎体耐磨性过高而降低锋利度的问题。

为了克服铁基结合剂金刚石工具因烧结胎体耐磨性过强而导致锋利度难以调控的难题，需要对铁基粉末进行改性调控，而解决问题的途径之一，就是有效控制铁基粉末在高温烧结时的颗粒界面烧结行为，细化胎体组织，抑制晶粒粗化长大，从而有效调控胎体的磨损性能，提高锋利度。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种多组元微合金化的Fe基水雾化预合金粉末的设计、生产及其与超细Cr₃C₂的功能化组合应用方法。

本发明采用的技术解决方案是：采用一种微合金化的Fe基粉末与超细的功能化添加剂Cr₃C₂/Mo₂C粉末共同组配为具有自锐磨损特性的功能化组合粉末，其中，水雾化法制备的多组元微合金化Fe基预合金粉末，包括以下组分：重量份数为98.8％～99.75％Fe、0.1％～0.3％Si、0.1％～0.6％Mn、0.05％～0.3％稀土(La+Ce混合稀土，市售牌号Ce-48)。功能化添加剂为0.3％～5％Cr₃C₂，或0.3％～5％Mo₂C，或0.3％～5％(Cr₃C₂+Mo₂C)混合物(其中，Cr₃C₂≥0.2％，余量为Mo₂C)。更具体的微合金铁基复合粉末的组分及其含量如下所述。

一种用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末，其特征在于，组分有Fe基预合金粉末和超细添加剂粉末；所述的Fe基预合金粉末，组分及按重量百分比是98.8％～99.75％Fe、0.1％～0.3％Si、0.1％～0.6％Mn、0.05％～0.3％La+Ce混合稀土；所述的超细添加剂粉末，是Cr₃C₂或/和Mo₂C的粉末，用量按重量比为超细添加剂粉末︰Fe基预合金粉末＝0.3～5︰95～99.7。

所述的Fe基预合金粉末，平均粒径的激光粒度值D50为15～20μm，粗粒度的D97值不超过47μm；所述的超细添加剂粉末，粒度为2～4μm。

所述的Cr₃C₂和Mo₂C，按重量计Cr₃C₂大于等于微合金铁基复合粉末总量的0.2％，余量为Mo₂C。

本发明还涉及一种金刚石制品用水雾化微合金Fe粉末的制备方法，具体的技术方案如下。

一种用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末的制备方法，有以下步骤：依次将Fe、Si、Mn及La+Ce混合稀土加入到中频感应熔炼炉中,通电熔炼，加入碳粉进行熔炼脱氧；调整钢液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，钢液通过包底漏眼形成的液流柱被高压水击碎，在充有氮气保护的条件下雾化成粉末；雾化结束后的粉末真空抽滤脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后用氢氮混合气还原，将还原后粉末用筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行混合得到Fe基预合金粉末；Fe基预合金粉末与超细添加剂粉末一起混配均匀，形成功能化微合金铁基复合粉末。

所述的氢氮混合气还原，是在步进式推舟还原炉中进行的，还原温度为700～850℃；所述的氢氮混合气中氢气占的体积比为75％。

所述的步进式推舟还原炉，推舟量为5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。

所述的筛网，为300目筛网。

所述的碳粉，加入量为熔炼物总重量的0.2％。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种金刚石工具用微合金化Fe基复合粉末及其制备方法。本发明采用高温液态熔炼及高压水雾化方法，生产制备出由Si、Mn及稀土La/Ce等多组元合金化的铁基预合金粉末。本发明中，将在常规铁粉中视为杂质相需进行严格控制的Si和Mn，作为有益的合金化添加元素，与微量稀土元素La和Ce共同作用，可显著细化、改善粉末颗粒内部物相组织，提高粉末烧结体的综合力学性能；同时，通过合理控制水雾化生产工艺，调整粉末颗粒表面氧化物的分布数量与形态，利用细小的稀土氧化物对粉末颗粒表面FeO、SiO₂、MnO₂等的连续膜状或大斑块状氧化物进行有效的复合造渣与弥散分化，从而提高粉末表面烧结活性、细化粉末烧结体组织、有效阻止粉末颗粒烧结粗化长大，在保证粉末烧结体综合力学性能的前提下，弱化烧结胎体的耐磨性，改善金刚石工具的锋利度。同时，Fe基预合金粉末与超细Cr₃C₂、Mo₂C混配应用，使超细碳化物颗粒弥散分布于Fe基预合金粉末颗粒间，在烧结过程中可以阻碍Fe基合金粉末颗粒间的粗化长大，细化烧结胎体组织，并且，碳化物颗粒与金属粉末颗粒间的界面结合力弱于同质的Fe基粉末颗粒间的界面结合力，在连续磨削过程中可在胎体中起到“隔离/松动”铁基粉末颗粒的作用，进而促进金属胎体的快速磨损剥落而明显提高金刚石工具的锋利度，可很好满足以锋利度为核心要求的金刚石工具的工程使用要求。

附图说明

图1为实施例1的微合金化水雾化Fe基预合金粉末颗粒SEM形貌图。

图2为实施例1的微合金化Fe基预合金粉末烧结组织及其包镶金刚石SEM图。

图3为实施例6微合金化Fe基预合金粉末+3％超细Cr₃C₂粉末所制备的烧结胎体组织及其对金刚石包镶的SEM形貌图。

图4为实施例8微合金化Fe基预合金粉末+3％超细Mo₂C粉末所制备的烧结胎体组织及其对金刚石包镶的SEM形貌图。

具体实施方式

实施例1Fe基预合金粉末的制备(1)

使用容量250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为98.8％Fe、0.3％Si、0.6％Mn、0.3％稀土，配制总重量为200kg的炉料，原材料投料重量如下表1：

表1实施例1原材料及投料重量配比

原料	Fe块	Si块	Mn块	稀土块	总重
						重量(kg)	197.6	0.6	1.2	0.6	200

依次将Fe、Si、Mn、稀土加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为700～850℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表2：

表2实施例1产品性能检测

实施例2Fe基预合金粉末的制备(2)

使用容量为250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为99.75％Fe、0.1％Si、0.1％Mn、0.05％稀土。投料总量200kg，原材料及重量配比如下表3：

表3实施例2原材料及重量配比

原料	Fe块	Si块	Mn块	稀土块	总重
						重量(kg)	199.5	0.2	0.2	0.1	200

依次将Fe、Si、Mn、稀土加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为700～850℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表4：

表3实施例2产品性能检测

实施例3Fe基预合金粉末的制备(3)

使用250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为99.4％Fe，0.2％Si，0.3％Mn，0.1％稀土，投料总重200kg，原材料及投料重量如下表5：

表5实施例3原材料及重量配比

原料	Fe块	Si块	Mn块	稀土块	总重
						重量(kg)	198.8	0.4	0.6	0.2	200

依次将Fe、Si、Mn、稀土加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥4～10小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为700～850℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表6：

表6实施例3产品性能检测

实施例4Fe基预合金粉末的制备(4)

使用250kg炉容量的中频感应冶炼炉，成分配比为99％Fe，0.3％Si，0.5％Mn，0.2％稀土。投料总量200kg，原材料及投料重量如下表7：

表7实施例4原材料及投料重量

原料	Fe块	Si块	Mn块	稀土块	总重
						重量(kg)	198	0.6	1.0	0.4	200

依次将Fe、Si、Mn、稀土加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为700～850℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表8：

表8实施例4产品性能检测

实施例5微合金铁基复合粉末的制备(1)

采用实施例1所制备的水雾化铁基预合金粉末与添加重量比例为0.5％的超细Cr₃C₂粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化组合粉末，即微合金铁基复合粉末。原材料及投料重量见表9：

表9实施例1预合金粉末与0.5％超细Cr₃C₂粉末混配重量

原材料	实施例1预合金粉末	超细Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>粉末
			重量(kg)	99.5	0.5

对功能化组合粉末进行烧结测试，测试结果见下表10：

表10混合后的功能化组合粉末的检测指标(实施例5)

实施例6微合金铁基复合粉末的制备(2)

采用实施例2所制备的水雾化铁基预合金粉末与添加重量比例为3％的超细Cr₃C₂粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化组合粉末，即微合金铁基复合粉末。原材料及投料重量见表11：

表11实施例1预合金粉末与3％超细Cr₃C₂粉末混配重量

原材料	实施例2预合金粉末	超细Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>粉末
			重量(kg)	97	3

对功能化组合粉末进行烧结测试，测试结果见下表12：

表12混合后的功能化组合粉末的检测指标(实施例6)

实施例7微合金铁基复合粉末的制备(3)

采用实施例1所制备的水雾化铁基预合金粉末与添加重量比例为5％的超细Cr₃C₂粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化组合粉末，即微合金铁基复合粉末。原材料及投料重量见表15：

表13实施例1预合金粉末与5％超细Cr₃C₂粉末混配重量

原材料	实施例1预合金粉末	超细Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>粉末
			重量(kg)	95	5

对功能化组合粉末进行烧结测试，测试结果见下表14：

表14混合后的功能化组合粉末的检测指标(实施例7)

实施例8微合金铁基复合粉末的制备(4)

采用实施例3所制备的水雾化铁基预合金粉末与添加重量比例为3％的超细Mo₂C粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化组合粉末，即微合金铁基复合粉末。原材料及投料重量见表15：

表15实施例3预合金粉末与3％超细Mo₂C粉末混配重量

原材料	实施例3预合金粉末	超细Mo<sub>2</sub>C粉末
			重量(kg)	97	3

对功能化组合粉末进行烧结测试，测试结果见下表16：

表16混合后的功能化组合粉末的检测指标(实施例8)

实施例9微合金铁基复合粉末的制备(5)

采用实施例4所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为1％的超细Cr₃C₂粉末及重量比例为1％的超细Mo₂C粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化组合粉末，即微合金铁基复合粉末。原材料及投料重量见表17：

表17实施例4预合金粉末与1％超细Cr₃C₂+1％超细Mo₂C粉末混配重量

原材料	实施例4预合金粉末	超细Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>粉末	超细Mo<sub>2</sub>C粉末
				重量(kg)	98	1	1

对功能化组合粉末进行烧结测试，测试结果见下表18：

表18混合后的功能化组合粉末的检测指标(实施例9)

实施例10微合金铁基复合粉末的应用(1)

采用实施例6所配制的功能化微合金铁基复合粉末烧结制备Φ110mm的花岗岩干切小锯片，锯片配方为：73％实施例6所配制混合粉末、22％电解Cu粉、5％Sn粉，采用粒度为40/45目、强度为D60、体积浓度为9％的金刚石，在具有还原气氛的钟罩炉中850℃热压烧结制成。锯片干切厚度为1.7cm、莫氏硬度为6～8的中硬花岗岩板材，连续切割平稳，切割速度可达1.28米/分钟，而同类产品的速度通常为0.9～1.1米/分钟，本实施例产品的锋利度较同类产品提高16％以上，特别是连续切割锯片可始终保持平稳的锋利度而不发生切割衰减现象，可很好的满足实际工程应用需求。锯片的切割寿命119米，也达到了同类产品水平。实施例11微合金铁基复合粉末的制备(2)

采用实施例7所配制的功能化微合金铁基复合粉末，热压烧结制备Φ350mm中径花岗岩锯片，锯片刀头规格为40mm×15mm×3.2mm，刀头配方为76％实施例7所配制混合粉末、20％电解Cu粉、2％Sn粉、2％Zn粉，烧结温度为850℃；采用粒度为40/45目、强度为D60、体积浓度为25％的金刚石，在自动桥式切割机上连续湿切厚度为2.5cm、莫氏硬度为7～8的花岗岩板材。锯片的切割速度可达5.8～6.3米/分钟，锋利度较同类产品的4.5～4.8米/分钟提高20％以上，体现出本实施例产品对锯片锋利度的改善具有明显的提升作用。锯片的切割寿命为267米，较同类产品200～230米的使用寿命提高了16％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末，其特征在于，组分有Fe基预合金粉末和超细添加剂粉末；所述的Fe基预合金粉末，组分及按重量百分比是98.8％～99.75％Fe、0.1％～0.3％Si、0.1％～0.6％Mn、0.05％～0.3％La+Ce混合稀土；所述的超细添加剂粉末，是Cr₃C₂或/和Mo₂C的粉末，用量按重量比为超细添加剂粉末︰Fe基预合金粉末＝0.3～5︰95～99.7。

2.根据权利要求1所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末，其特征在于，所述的Fe基预合金粉末，平均粒径的激光粒度值D50为15～20μm，粗粒度的D97值不超过47μm；所述的超细添加剂粉末，粒度为2～4μm。

3.根据权利要求1或2所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末，其特征在于，所述的Cr₃C₂和Mo₂C，按重量计Cr₃C₂大于等于微合金铁基复合粉末总量的0.2％，余量为Mo₂C。

4.一种权利要求1所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末的制备方法，有以下步骤：依次将Fe、Si、Mn及La+Ce混合稀土加入到中频感应熔炼炉中,通电熔炼，加入碳粉进行熔炼脱氧；调整钢液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，钢液通过包底漏眼形成的液流柱被高压水击碎，在充有氮气保护的条件下雾化成粉末；雾化结束后的粉末真空抽滤脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后用氢氮混合气还原，将还原后粉末用筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行混合得到Fe基预合金粉末；Fe基预合金粉末与超细添加剂粉末一起混配均匀，形成功能化微合金铁基复合粉末。

5.根据权利要求4所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的氢氮混合气还原，是在步进式推舟还原炉中进行的，还原温度为700～850℃；所述的氢氮混合气中氢气占的体积比为75％。

6.根据权利要求5所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的步进式推舟还原炉，推舟量为5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。

7.根据权利要求4或5所述的用于金刚石制品的微合金铁基复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的碳粉，加入量为熔炼物总重量的0.2％；所述的筛网，为300目筛网。

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