粉末冶金用烧结活性金属粉末和合金 粉末以及其制备方法和应用
本发明涉及金属粉末,其成分为Fe、Ni、Co、Cu、Sn等元素中的一种或几种,可能的添加剂为Al、Cr、Mn、Mo和W,还涉及其制备方法和应用。
合金粉末在以粉末冶金方法制造烧结材料方面有广泛的用途。粉末冶金的主要特点是将相应的粉末状合金粉末或金属粉末进行压制,然后在升温下烧结。这种方法已以工业规模应用于复杂形件的制造,如不这样,复杂形件的制造只能通过大量昂贵的最终加工。烧结可为固相烧结,或在通过形成液相烧结,例如重金属或硬质金属的情况便是如此。合金粉末和纯金属粉末的一个非常重要的用途是用作金属,石材和木材加工的工具。这种情况涉及两相材料,其中硬质介质(例如碳化物或金刚石)嵌入金属基体中,后者承担所要求的复合材料的韧性。这样制造出的硬质金属(在碳化物或氮化碳的情况下)或金刚石工具(在金刚石的情况下)具有很高的经济意义。
元素钴起着特殊的作用,因为它作为金刚石工具和硬质金属工具的基体具有某些特殊的性质。由于它对碳化钨和金刚石的浸润特性,传统上这种金属优先应用于这两种工具。籍助钴在基于碳化钨或金刚石的复合材料中作为金属粘结相,可达到硬质介质在金属粘接相中的粘接。重要的是这样一个事实,即在钴的情况下,形成Co3W3C(“η-相”)型碳化物的倾向不会像如铁的情况下那样鲜明,而η-相将使硬质金属变脆。Co对金刚石的侵蚀比铁小,后者易生成Fe3C。由于这个技术上的原因,硬质金属工具工业和金刚石工具工业传统上皆采用钴。
制造硬质金属一般从O.8-2μm FSSS(ASTM B330)的钴金属粉末出发,钴粉末与硬质材料、压制助剂和研磨液体一起放入研磨机或球磨机中进行研磨,磨机中装入硬质金属球作磨体。所得悬浮液接着与磨体分离、喷雾干燥,所得颗粒压制成型。下一步在高于W-CO-C-低共熔物的熔点的温度下的液相-烧结得到致密的烧结体(硬质金属)。这样制得的硬质金属的一个重要特性是其强度,这种强度会因孔隙而削弱。按照SATM B276(或DIN ISO 4505),工业硬质金属的孔隙率优于或等于A02 BOOCOO。A-孔隙率表示微孔率,而B-孔隙率表示粗孔率。钴金属粉末与硬质材料相反呈延展性,在研磨过程中不被粉碎,但发生塑性变形,或其存在的聚结体发生解聚。如果所用的钴金属粉末含致密烧结的大的聚结体,则以变形的形式转入喷雾的颗粒材料并在烧结硬质金属中产生A-和B孔隙率,常常与局部浓集的粘接相共同出现。
金刚石工具的第二种重要应用含作为切削和研磨构件的烧结部件(弓形块),它们主要由嵌入金属粘接相(主要是钴)的金刚石组成。此外还可添加硬质材料或另一种金属粉末,以便匹配对金刚石和被加工材料的粘合的磨损行为。为了制造弓形块,须将金属粉末、金刚石、还可有硬质材料粉末一起混合,需要时成粒,并在高温高压的热压中致密烧结。对粘结剂金属粉末的要求,除了必需的化学纯度外,还要求良好的可致密性、尽可能高的烧结活性、对金刚石和待加工介质有相匹配的硬度,这些可通过粒度和烧结时对晶格粗化的倾向以及在烧结温度下亚稳金刚石(石墨化)的低侵蚀来调节。
一般说来,随烧结温度的增高孔隙率降低,即是说,烧结体的密度接近其理论值。因此,出于强度的原因选择尽可能高的烧结温度。另一方面,金属基体的硬度在高于一最佳温度时会重新下降,因为发生晶格粗化。还应注意,温度升高会对金刚石有较强的侵蚀。出于这个原因,制造弓形块应优选在尽可能低的烧结温度下就能达到其理论密度和易于致密的粘结剂粉末。
钴的可获得性有限,价格剧烈波动,环境问题以及改进技术的愿望引出了大量工作,其目的在于取代在硬质金属工具和金刚石工具工业中的钴。
已经提出了一系列的建议,至少部分地用铁和/或镍或其合金代替钴作粘结剂金属(Metall(金属),40(1986),133-140);Int.J.ofRefractory Metals &Hard Materials(耐火金属和硬质材料国际杂志)15(1997),139-149)。
利用单个元素的金属粉末以及青铜粉末制造金刚石工具的缺点在于,烧结之后的金属粘结很不均匀,因为烧结温度和烧结时间不够进行均匀化。此外,应用铁金属粉末时出现高的压力,会磨损压制工具,并使压坯的强度下降(例如棱断裂)。这应归咎于铁的体心立方晶格,该类晶格所拥有的滑动面少于钴、镍或铜金属粉末的面心立方体晶格。此外,可用的较细羰基铁粉末具有大量的碳,后者可使弓形块的强度受损。粉化的金属粉末或合金不具备足够的烧结活性,致使在对金刚石合适的温度下不能得到足够的致密度。
采用羰基铁粉末制造硬质金属会产生粘结剂的分布问题(A-孔隙率和/或B-孔隙率)。这点可通过剧烈研磨于以抵消,但这将使粒度分布发生不希望的变宽。
与此相应,还有一系列建议,即通过沉淀,部分地在有机相存在下,和紧接还原来制造金属合金粉末(WO 92/18656、WO96/04088、WO97/21844)。
本发明的目的在于提供一种金属粉末和合金粉末,该粉末至少含有铁、铜、锡、钴或镍等金属中的一种,该粉末满足硬质金属工具和金刚石工具对粘结剂金属的所述要求。本发明的金属粉末和合金粉末可通过掺杂少量(无关重要量)的Al、Cr、Mn、Mo和/或W元素改性,并使其符合特殊的要求。
本发明首先提供一种制造金属粉末和合金粉末的方法,该法通过混合金属盐的水溶液与羧酸溶液,从母液中分离出沉淀产物,将沉淀产物还原为金属,其特征在于,采用浓缩水溶液形式的超化学计量的羧酸。
沉淀产物在与母液分离后宜用水洗涤并烘干。
沉淀产物的还原宜在含氢的气氛中在400-600℃的温度下实现。反应可在间接加热的回转炉中或在推进式炉中以较薄的床复盖实现。其它还原途径是本专业技术人员熟知的,例如在多层炉中或者流化层中进行。
根据本发明的一个优选方案,干燥的沉淀产物在还原之前在含氧的气氛中在250-500℃的温度下焙烧。一方面,焙烧可使由多晶粒或聚结体组成的沉淀产物通过羧酸基分解释放出的气体以烧爆作用得到粉碎,从而对紧接的气体(还原)反应提供了较大的表面积和得到较细的最终产品。另一方面,在含氧气氛中的焙烧可产生一种金属粉末或合金粉末,该粉末与直接还原的相比,其孔隙率大大降低。在(混合)金属羧酸盐到金属粉末或合金粉末的转化过程中颗粒体积的大大缩小,它使孔隙封闭。通过中间在含氧气氛中的焙烧步骤,首先会将(混合)金属羧酸盐转化为(混合)金属氧化物,并被回火,致使在晶格缺陷得致修复的情况下实现预致密。据此,在紧接的含氢气氛下的还原仅使氧化物转到金属的体积收缩得到抑制。通过中间焙烧步骤,每次皆在晶格结构稳定的情况下达到逐步的体积收缩。
适宜作为羧酸的有脂族或芳香族的、饱合的或非饱合的单羧酸或双羧酸,特别是碳原子数为1-8的羧酸。基于其还原作用宜选蚁酸、草酸、丙烯酸和丁烯酸,出于其可获取性,特别宜选蚁酸和草酸。特别优选采用草酸。过量的要还原的羧酸阻止Fe(Ⅲ)-离子的生成,后者会在沉淀时引成问题。
羧酸的过量按金属计宜为1.1-1.6倍化学计量。特别优选1.2-1.5倍过量。
根据本发明的另一优选方案,采用悬浮液式的羧酸,它含悬浮的未溶解的羧酸。优先选用的羧酸悬浮液包括未溶解的羧酸的储存,通过由溶液中沉淀回收的羧酸来取代,致使在整个沉淀反应过程中母液中保持高浓度的羧酸。在沉淀反应终结时母液中溶解的羧酸的浓度宜至少为羧酸在水中饱含浓度的20%。在沉淀反应终结时母液中溶解的羧酸浓度特别宜为羧酸在水中饱合浓度的25-50%。
宜采用一种氯化物溶液作金属的盐溶液。金属盐溶液的浓度宜约为1.6-2.5摩尔/升。金属盐溶液的铁含量以总的金属含量计,宜为10-90%(重量),并至少含有另一元素,诸如铜、锡、镍或钴。金属盐溶液中铁的含量宜为至少20%(重量),更宜为至少25%(重量),特宜为至少50%(重量),但宜低于80%(重量),特宜低于60%(重量),皆以总金属含量计。
另外,金属盐溶液宜含10-70%(重量),特别是达45%(重量)的钴(以总金属含量计)。金属盐溶液的镍含量宜为0-50%(重量)特宜达16%(重量)。
铜和/或锡的用量以总金属含量计可达30%(重量),优选达10%(重量)。根据本发明方法的一个特别优选的方案,金属盐溶液以缓慢方式加入羧酸悬浮液中,使溶解的羧酸在母液中的含量在整个添加金属盐溶液过程中不超过羧酸在水中溶解度的50%。特别宜将金属盐溶液缓慢添加,直至悬浮的羧酸溶解,溶解的羧酸浓度不超过其在水中溶解度的80%。金属盐溶液向羧酸悬浮液的添加的速度,应使从母液中排出的羧酸,包括随金属盐溶液带入的水的稀释引起的浓度下降,基本上由未溶的悬浮羧酸的继续溶解所补偿。
关于金属盐的沉淀,浓羧酸溶液有“活度1”,半浓羧酸浓液有“活度0.5”。根据本发明,添加金属盐溶液的过程中母液的活度不低于0.8。
例如,优先采用的草酸在水中的溶解度约为1摩尔/升水(室温),相当于126g草酸(2分子结晶水)。根据本发明优选的方法,草酸应为悬浮液,该悬浮液含2.3-4.5摩尔草酸/升水。该悬浮液约含1.3-3.5摩尔未溶草酸/升水。金属盐溶液的引入和沉淀终结之后,母液中草酸含量仍有20-55g/l。在金属盐溶液中引入草酸悬浮液的过程中,沉淀所消耗的草酸不断由悬浮草酸的溶解所补充。为了匀化母液,母液继续搅动。根据优选的实施方案,金属盐溶液的缓慢加入要使母液中的草酸浓度在添加过程中宜不低于75g/升母液,特宜不低于100g/升母液。通过这种方式使金属盐溶液添加过程中总能达到足够高的过量,这个过量足够使晶种生成,即产生不断沉淀的颗粒。这种方式一方面保证晶种生成速率高,导至相应的颗粒度,另一方面由于母液中存在的金属离子的浓度小,通过溶解基本上避免了粒子聚结。
其次,本发明优选的沉淀过程中的高羧酸浓度,使沉淀产物在对金属的相对含量方面拥有与金属盐溶液相同的组成,即产生在其组成方面是均匀的沉淀产物,从而生产出均匀的合金金属粉末。
本发明还提供一种为金属粉末和合金粉末,该粉末至少含铁、铜、锡、镍或钴等元素之一,有时还可掺杂少量Al、Cr、Mn、Mo、W等元素之一或几种,其平均粒度按ASTM B330(FSSS)为0.5-5μm,优选低于3μm。本发明的合金粉末的特征在于,它无任何由研磨产生的破裂面,它直接在还原之后得到这种粒度。优选的本发明的金属颗粒或合金颗粒的碳含量甚低,低于0.04%(重量),甚至低于0.01%(重量)。其原因在于,在沉淀和还原之间在含氧气氛中进行了温度处理,其间去除了沉淀之后存在的有机碳。其次,本发明优选的金属粉末和合金粉末的氧含量低于1%(重量),甚至低于0.5%(重量)。如上所述,本发明的合金粉末的优选组成相当于所采用的金属盐溶液的优选的相对金属含量。本发明的金属粉末和合金粉末特别适于作硬质金属或金刚石工具的粘结剂金属,其次,它们适于通过粉末冶金制造构件。
本发明的金属粉末和合金粉末在制造硬质金属时由于其细分散分布表现出较高的可烧结性。
本发明的金属粉末和合金粉末的特征还在于,它能在较低的温度下烧结出非常致密的烧结体。因此,本发明也提供一种金属粉末和合金粉末,该粉末在650℃下烧结和施加3分钟的35MPa压力可形成一种烧结体,其密度达材料理论密度的96%甚至97%以上。
本发明特别优选的合金粉末在620℃的烧结温度下已达到材料理论密度的97%以上。其中“材料理论密度”应理解为一种在真空中熔炼产生的相应组成的合金的密度。
本发明将通过下列1-7实施例进一步加以阐述。
实施例1-4
每个实施例中,将6.3l含75g/l的Fe、15g/l的Ni和10g/l的Co的金属氯化物溶液在搅拌下缓慢加入到1954g草酸(为金属盐化学计量的1.4倍)的悬浮液中,其水量如表1所示。在沉淀终结之后,再搅拌30分钟,接着过滤沉淀物并用水洗涤。该草酸盐在105℃下干燥至恒重。干燥的混合草酸盐的粒度(FSSS)列于表1。混合草酸盐然后在马弗炉中于300℃下焙烧3小时,之后在推进式炉中于500℃氢气下还原为合金属粉末。
每27g混合金属粉末与273g WC(DS80级,含0.15%VC,制造商HCSt,Goslar)在添加0.3g炭黑下在含已烷中研磨机中研磨。在分离研磨球和烘干研磨物之后制造坯体,在压缩压力为1500kg/cm
2下烧结:以20℃/分的速度加热至1100℃,在此温度下保持60分钟,再以20℃/分的速度加热至1400℃,在此温度下保持45分钟,冷却至1100℃,在此温度下保持60分钟,再冷却至室温。烧结体的性质列于表1。表1
|
实施例 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
草酸悬浮液的水量(l) |
15,6*) |
7,8 |
5,9 |
3,9 |
混合草酸盐粒度(μm,FSSS) |
25,7 |
21,0 |
11,5 |
7,6 |
合金金属粉末粒度:(μm,FSSS)实体密度(g/cm3)堆密度(g/cm3)氧含量(Gew.-%) |
2,1**)6,490,440,96 |
1,737,510,380,81 |
0,727,530,260,69 |
0,77,530,240,70 |
烧结体:密度(g/cm3)维克斯硬度HV30(kg/mm2)孔隙率ASTM B 276 |
14,361785A04B02C00 |
14,381797A04B00C00 |
14,431814<A02B00C00 |
14,411812<A02B00C00 |
* 清澈溶液
** 粒度分布不均匀
实施例5
391含50g/l的Fe、42.3g/l的Co和7.7g/l的Ni的金属氯化物溶液在室温和不断搅拌下,在30分钟内加到由12,877kg草酸和451水组成的悬浮液中,接着再搅拌69分钟,然后过滤、洗涤,并且草酸盐在110℃下干燥至恒重。草酸盐在300℃的马弗炉中焙烧3小时,所得氧化物然后在推进式炉的3个串联加热区(480/500/530℃)内在氢气氛中(露点10℃)总共停留130分钟还原为金属粉末。金属粉末的测量结果为:FSSS值为0.71μm,实体密度为7.76g/cm3,堆密度为0.24g/cm3,氧含量为0.71%。
用这种金属粉末在与实施例1-4的同样条件下进行硬质金属试验,测得试验体的密度为14.54g/cm3,维克斯硬度HV30=1817kg/μm2,孔隙度按ASTMB276<A02BOOC00(光显微镜,200倍放大下未见微孔)。
实施例6
草酸盐沉淀按例5进行,但采用含42.7g/l的Co和56.3g/l的Fe的氯化物溶液。
马弗炉的焙烧在250℃下进行。在氢气氛下的三步还原温度为520/550/570℃。
每25g这种Fe-Co合金粉末在石墨基体中在真空(Dr.Fritsch公司TSP型热压机)中和压制压力为35MPa及压制时间为3分钟下于不同温度下烧结。
所得结果列于表2。
表2
烧结温度℃ |
硬度洛氏B |
烧结体密度g/cm3 |
%理论密度* |
580 |
116,9 |
7,87 |
93,98 |
620 |
116,3 |
8,07 |
96,37 |
660 |
113,5 |
8,15 |
97,32 |
700 |
109,4 |
8,16 |
97,44 |
740 |
109,5 |
8,16 |
97,44 |
780 |
110,1 |
8,11 |
96,84 |
820 |
109,4 |
8,16 |
97,44 |
860 |
109,7 |
8,10 |
96,72 |
理论密度=Co和Fe按其百分份额计算的密度的均值8,37g/cm3
实施例7
与实施例1类似,进行铁-钴-铜草酸盐淀,洗涤和干燥,其中采用的金属氯化物溶液约含45g/l的Fe、45g/l的Co和10g/l的Cu。
所得混合金属草酸盐的一部分直接在氢气中在520℃下还原6小时(批料A)。材料的另一部分先在大气空气中在300℃下处理3小时,然后在氢气流中于520℃下还原130分钟(批料B)。
金属粉末的性质列于表3。
表3
实施例 |
7A |
7B |
粒度 | | |
FSSS,μm |
4,67 |
4,8 |
主尺寸 | | |
D10 μm |
12,91 |
14,43 |
D50 μm |
35,23 |
36,72 |
D90 μm |
430,22 |
419,9 |
密度g/cm3 |
7,91 |
8,04 |
O2含量 ppm |
3210 |
2100 |
C-含量 ppm |
200 |
50 |
用金属粉末进行与实施例6相同的热压试验。结果列于表4(HBR=洛氏硬度B,SD=烧结体密度g/cm3,%TD=%理论密度):
表4
|
实施例7A |
实施例7B |
烧结温度℃ |
HRB |
SD |
%TD |
HKB |
SD |
%TD |
580 |
105,8 |
7,55 |
88,95 |
110,9 |
7,92 |
93,83 |
620 |
111,1 |
8,05 |
94,84 |
111,3 |
8,22 |
97,38 |
660 |
111,2 |
8,19 |
96,49 |
110,6 |
8,22 |
97,38 |
700 |
110,6 |
8,19 |
96,49 |
109,8 |
8,22 |
97,38 |
740 |
109,6 |
8,20 |
96,6 |
107,5 |
8,22 |
97,38 |
780 |
109,6 |
8,19 |
96,49 |
108,6 |
8,24 |
97,62 |
820 |
108,6 |
8,18 |
96,37 |
104,4 |
8,24 |
97,62 |
860 |
106,6 |
8,20 |
96,60 |
106,2 |
8,23 |
97,5 |