金剛石用預(yù)合金粉的研究現(xiàn)狀

金剛石用預(yù)合金粉的研究現(xiàn)狀

由于其高度的硬度，鉆石廣泛應(yīng)用于研磨、切割和精確加工等領(lǐng)域。金剛石工具的生產(chǎn)工藝主要包括燒結(jié),釬焊以及鍍覆等。其中燒結(jié)金剛石工具是將金剛石和胎體粉混合,以胎體粉作為粘結(jié)劑,通過壓制成型、燒結(jié)后獲得,胎體粉末在其中起到了重要的作用。在金剛石工具行業(yè)中,傳統(tǒng)的胎體粉是由單元素粉末進(jìn)行機(jī)械混合獲得,這種方法獲得的胎體粉末很難達(dá)到完全合金化,而且胎體成分很難均勻,隨后研制出了預(yù)合金粉,預(yù)合金粉即按設(shè)計(jì)好的成分配比,通過火法冶金等方法將金屬制成特定粒度的合金粉末。至今,國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)預(yù)合金粉末進(jìn)行了大量的研究,已有許多產(chǎn)品投入到實(shí)際應(yīng)用中。本文綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)預(yù)合金粉末的研究現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要的介紹。1國(guó)內(nèi)外預(yù)埋粉末的生產(chǎn)1.1diabase系列20世紀(jì)90年代中期,比利時(shí)Umicore公司首先提出在金剛石工具中使用預(yù)合金粉末的新概念,并于1998年將預(yù)合金粉末作為鈷粉及鈷混合粉的替代品真正應(yīng)用在金剛石工具中,并推出了Cobalite系列。法國(guó)Eurotungstene公司開發(fā)了NEXT系列,并不斷拓寬NEXT預(yù)合金粉范圍,相繼推出了NEXT100,NEXT200,NEXT300,NEXT900。德國(guó)Dr.Fritsch公司推出了Diabase系列(V18及V2l),具體性能見表1。國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)合金粉開展相關(guān)研究較晚,其中有湖南省冶金材料研究所利用霧化法生產(chǎn)了FJT系列預(yù)合金粉,研粉末新材料有限公司利用濕法冶金方法推出YHJ系列預(yù)合金粉,安泰科技股份有限公司利用高壓水霧法制取Follow系列預(yù)合金粉,卡斯通利用機(jī)械混合法生產(chǎn)的FC系列預(yù)合金粉等,已形成規(guī)?；I(yè)生產(chǎn),其他還有一些公司進(jìn)行了研究,其主要產(chǎn)品及性能見表2。1.2新型預(yù)合金粉的研究鈷對(duì)金剛石有著優(yōu)良的把持力,良好的燒結(jié)性能,與其他金屬有較好的相容性,因此金剛石工具多采用純Co或者高Co含量的預(yù)合金粉,但Co價(jià)昂貴,價(jià)格波動(dòng)不定,而且Co對(duì)人體有一定的傷害。因此人們大力開展代Co的預(yù)合金粉的研究,開發(fā)出了Ni基、Cu基、Fe基等預(yù)合金粉。而隨著金剛石工具的發(fā)展,釬焊金剛石工具越來越受到人們的歡迎,與傳統(tǒng)的金剛石工具相比,它具有結(jié)合強(qiáng)度高,出刃高度大,使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前金剛石用預(yù)合金釬焊粉,主要包括Ni-Cr、Ag-Cu和Cu-Sn三類合金。為了提高預(yù)合金釬料的性能,通常在其中添加一些碳化物形成元素和稀土元素。目前,國(guó)內(nèi)外在這方面的研究較多。1.2.1真空焊接實(shí)驗(yàn)由于金剛石與大多數(shù)金屬的潤(rùn)濕性較差,胎體粉對(duì)金剛石多為機(jī)械包裹,為了降低預(yù)合金釬料對(duì)金剛石的接觸角,加強(qiáng)對(duì)金剛石的把持力,通常在預(yù)合金釬料的選擇上一般都采用含有碳化物形成元素(如Cr、Ti等)的預(yù)合金釬料。Chattopadhyay等利用Ni-Cr釬焊金剛石工具,發(fā)現(xiàn)金剛石表面有Cr富集,加強(qiáng)了胎體對(duì)金剛石的把持力。LiWC等利用Cu-Sn-15Ti釬焊金剛石時(shí)發(fā)現(xiàn)金剛石表面生長(zhǎng)了一層40～60nm的TiC。盧金斌等采用Ag-Cu-T釬料對(duì)金剛石進(jìn)行真空釬焊實(shí)驗(yàn),利用SEM,EDS,XRD,Raman光譜等檢測(cè),發(fā)現(xiàn)Ag-Cu-Ti釬料中的Ti元素在界面處發(fā)生偏析,并在金剛石表面生成尺寸小于1μm的塊狀TiC,金剛石在焊接過程的高溫下沒有發(fā)生石墨化,在界面上形成了金剛石/TiC/釬料/鋼基體的梯度結(jié)合層。張鳳林等在Ag-Cu-Zn釬料合金與金剛石之間添加Cr、Ti金屬粉,在不同條件下釬焊金剛石磨粒,通過掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)釬焊金剛石表面形貌及金剛石-釬料合金-鋼基體之間界面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)Cr和Ti都部分融入釬料合金,并且向金剛石界面富集,從而提高了釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性。趙寧等采用自制的Cu-32Mn-8Ti預(yù)合金粉末,在真空釬焊條件下制備了金剛石復(fù)合材料,通過SEM,EDX及XRD等手段研究預(yù)合金粉末與金剛石顆粒界面反應(yīng),發(fā)現(xiàn)預(yù)合金粉末中的Ti向金剛石表面擴(kuò)散、富集,形成約為3～5μm的擴(kuò)散層,并與金剛石表面的C發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)生成TiC,實(shí)現(xiàn)了金剛石與胎體金屬之間的化學(xué)鍵結(jié)合,改善了胎體與金剛石的結(jié)合,提高了金剛石與胎體金屬的結(jié)合強(qiáng)度。關(guān)硯聰?shù)仍诔B(tài)790℃下進(jìn)行釬焊,以Ag-Cu-Ni合金為釬料實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍍覆Ti膜金剛石與鋼基體的牢固連接,磨削后金剛石脫落率為11%,可以適用于一般磨削加工;選用Ag-Cu-Cr合金釬料可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍覆Ni膜金剛石與鋼基體的牢固連接,釬焊溫度為800℃,磨削后金剛石脫落率為8%,適用于高級(jí)磨削加工。在真空中進(jìn)行釬焊,選用Ag-Cu-Ti對(duì)無鍍覆膜金剛石與鋼基體的牢固連接,真空度為0.2Pa,釬焊溫度為940℃,磨削后金剛石脫落率為5%,特別適用于高級(jí)磨削加工。1.2.2金屬胎體復(fù)合材料稀土元素對(duì)材料的性能有許多特殊的影響,已經(jīng)證明,稀土元素具有細(xì)化晶粒,凈化材料表面和界面,吸附有害雜質(zhì)O、S、P等并與之反應(yīng)生成其相應(yīng)的化合物等,能夠顯著提高材料的綜合性能,在工具胎體中添加稀土元素被認(rèn)為是提高金剛石工具性能的行之有效的方法。宋月清等以Cu-Ce合金粉的形式向金剛石工具銅基胎體中添加稀土Ce,發(fā)現(xiàn)添加稀土元素可以顯著提高胎體的機(jī)械性能,含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度以及金剛石的出露高度。在金剛石胎體中添加LaNi5合金粉末,發(fā)現(xiàn)La的加入可顯著提高胎體的綜合機(jī)械性能,當(dāng)La含量達(dá)0.75%時(shí),抗彎強(qiáng)度提高39.8%,磨損后金剛石在胎體中的出露高度提高30%。高云等向銅基粉料中加入LaNi5合金粉末,稀土元素La的加入減少了金屬胎體中的孔洞等缺陷,改善了金屬胎體對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性,從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和粘結(jié)性能。吳玉會(huì)等在金剛石工具胎體中添加1.0%的La-Ni預(yù)合金粉,金剛石/銅基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最高。利用掃描電鏡和能譜對(duì)斷口進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件下,稀土元素La有向Ti偏聚的傾向,并富集于基體金屬與金剛石的界面。經(jīng)X射線衍射分析發(fā)現(xiàn):合金粉中的活性La可以還原Ti顆粒表面的TiO薄膜,從而增強(qiáng)Ti的活性、凈化界面,提高銅基胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)性能。孫毓超等在銅基胎體中添加稀土La、Ce,二者都有強(qiáng)化基體、提高金剛石和胎體的結(jié)合力的作用。并且為了考察Ce的特異作用的普遍性,在Cu-Ni-Mn-Co系,Cu-Sn-Ti系,Al-Cu-Ni系,鈷系合金系中添加Ce,發(fā)現(xiàn)在Cu-Ni-Mn-Co中添加Ce使得其液相線降低約10℃,液相、固相線距離縮小,而且使得Cu-Ni-Mn-Co合金對(duì)石墨的接觸角降低為10°以上。在銅基胎體和鈷基胎體中測(cè)定Ce對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)添加0.1%的Ce使銅基胎體抗彎強(qiáng)度平均提高68.92MPa,而對(duì)高鈷或純鈷胎體,適當(dāng)提高Ce含量有利于機(jī)械性能的改善,對(duì)青銅胎體只要加入少量的Ce即可起到很好的作用。通過SEM金相照片和斷口分析發(fā)現(xiàn)含Ce合金斷口是韌性較好的粉末冶金材料斷口,組織細(xì)小致密,韌窩深而且大;無Ce合金斷口,組織較粗糙。2預(yù)鉻粉末的制備方法目前,預(yù)合金粉末的制備方法歸納起來主要有以下幾種。2.1鐵銅鎳鐵鹽粉料共沉淀法即是在含有兩種或多種金屬離子的溶液中,加入沉淀劑、表面改性劑,通過強(qiáng)化工藝條件,使各種金屬離子幾乎同時(shí)沉淀而獲得成分均勻的沉淀物,再將沉淀物經(jīng)過熱分解、還原、破碎、過篩等工序處理后,最終得到所需粉末的方法。共沉淀法是制備含有兩種以上金屬元素的復(fù)合粉料的重要方法,由于化學(xué)共沉淀法各組分預(yù)先可在溶液中達(dá)到分子間的均勻混合,制品的成分均勻穩(wěn)定,另外其他參數(shù)也易于控制,容易得到具有給定物理性能(如粒度、粒形等)的原始粉末。制取的粉料具有粒度細(xì)、粒度分布范圍窄、成分分布均勻、純度高、燒結(jié)活性好等優(yōu)點(diǎn)。向波等利用可溶性銅鹽、可溶性鈷鹽、可溶性鐵鹽,以Na2CO3為沉淀劑,控制pH值在9.7～10.0之間,制備了鐵銅鈷預(yù)合金粉末,其相對(duì)密度達(dá)到98.24%,抗彎強(qiáng)度達(dá)1127MPa,硬度達(dá)100.4HRB,性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械混合法制備的胎體粉。申思等同樣以共沉淀法制備了FeCo預(yù)合金粉末,同時(shí)還考察了不同沉淀劑(草酸、草酸銨、碳酸氫銨)對(duì)預(yù)合金粉末的粒度和形貌的影響,得出以碳酸氫銨作為沉淀劑制備的預(yù)合金粉末的粒度最細(xì)為7.5μm,粉末形貌為由小顆粒構(gòu)成的團(tuán)聚體,小顆粒之間發(fā)生一定的聚合,沉淀劑為草酸和草酸銨時(shí),形貌為表面疏松多孔的大顆粒。2.2水霧法與沖擊法霧化法,即借助高壓水流或氣流將液體金屬或合金直接粉碎成細(xì)小的液滴,通過冷卻后收集粉末。霧化法按介質(zhì)可分為水霧化和氣霧化。氣霧化即以空氣或惰性氣體為介質(zhì),沖擊并剪切已熔融的金屬流,使之破碎成細(xì)小的金屬液滴。繼而,液滴在充滿惰性氣體保護(hù)的高大容器內(nèi)被急劇冷卻下來而形成粉末顆粒。該法的特點(diǎn)是得到的粉末多為球形,如果使用惰性氣流為介質(zhì),粉末的含氧量較低,但此法對(duì)設(shè)備要求較高。水霧法是以高壓水為介質(zhì),將金屬流破碎成細(xì)小的金屬液滴,再通過冷卻而形成粉末顆粒,該法的特點(diǎn)是得到的粉末多為土豆或不規(guī)則形,對(duì)設(shè)備要求較低。田峰等利用霧化法制備了Cu-Fe-SnCe預(yù)合金粉,并考察了稀土Cu基金剛石工具的各種性能。2.3機(jī)械合金粉的制備機(jī)械合金化法,是在保護(hù)氣氛下在球磨機(jī)等設(shè)備中按一定的球料比,混合各種金屬粉,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間球磨,在機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的作用下,粉末經(jīng)反復(fù)的擠壓,冷焊及粉碎過程,組織結(jié)構(gòu)逐步細(xì)化,成為彌散分布的超細(xì)粒子,在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金化,從而制得超細(xì)合金粉。機(jī)械合金化的一個(gè)顯著特點(diǎn)是能在低溫下合成通常要求高溫加工才能制備的材料,并能獲得常規(guī)方法難以獲得的非晶合金、超飽和固溶體等材料。但是機(jī)械合金化法容易在球磨過程中將雜質(zhì)帶入粉末中降低產(chǎn)品的純度,且反復(fù)的擠壓使粉末內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,影響粉末的壓制性能和燒結(jié)性能。其他方法還有很多,如燒結(jié)破碎法、超聲化學(xué)法、非晶晶化法、氣相蒸發(fā)法等,另外隨著研究的深入,不斷有新的制備方法出現(xiàn)。3對(duì)預(yù)合金粉末的研究是高端市場(chǎng)的一種重