一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，准备金属原材料，按重量百分比如下：Cu：5～85％，Ni：1～25％，Sn：1～20％，Si：0～8％；Al：1～15％；Cr：5～15％；B：0.1～5％；V：0.1～6％；Nb：0.1～5％；Zr：0.1～5％；La：0.1～10％；Fe余量；依次进行冶炼、水雾化、压滤脱水、真空干燥及还原步骤，制得本发明超细高抗弯强度水雾化合金粉末。本发明超细合金粉末的超细粒度提高了单颗粉末的成分均匀性以外，同时具有极高的烧结活性。特别是添加的低熔点元素促进微液相烧结，使金刚石刀头烧结胎体得到更高的致密度，增强了对金刚石的把持力。通过添加金属组织强化合金元素以及稀土元素，抗弯强度提高到1900MPa，最终提高胎体对金刚石的把持力，得到高切削性能的金刚石刀头工具。
【专利说明】-种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法
[0001 ] 本申请是对申请号为201510845249.7提出的分案申请
技术领域
[0002] 本发明设及金刚石工具制备技术领域，具体是指一种金刚石工具用超细高抗弯强 度合金粉末的制备方法。
【背景技术】
[0003] 金刚石工具的切割机理是利用金刚石的硬度切割硬质材料，例如石材、耐火材料、 陶瓷、半导体、混凝±等。由于切割过程中，金刚石受到冲击，包镶金刚石的部分胎体被破 坏，造成金刚石脱落。因此如何增强金刚石刀头胎体对金刚石的把持力，使金刚石在切割中 不会过早脱落，从而提高金刚石工具的切割效率和工作寿命是行业内的公认难题。目前，多 采用混合金属粉末或者水雾化合金粉末为胎体粉原料，与金刚石颗粒混合后，进行热压烧 结，胎体粉原料作为粘结剂来把持金刚石。
[0004] 金刚石工具要求的胎体抗弯强度最低要大于900M化，否则胎体初性不足，在切削 加工过程中容易碎裂导致工具失效。同时，抗弯强度越高的胎体对金刚石的把持力越好已 成为行业内公认事实。早期金刚石工具胎体材料多用钻作为粘结剂，就是因为钻的综合性 能很好，抗弯强度可达1300MPaW上，在各种金属中，钻对金刚石的把持力最好。但是由于钻 的价格昂贵，逐渐被化、NiXu、ai等元素的复合配方所取代，此方面已有很多研究成果和专 利公开。但不足之处有二，其一是Μ的价格也较昂贵，为了降低制造成本，只能降低Μ的含 量;其二是运种复合配方的烧结体抗弯强度均在1300-1400MPa，在用于加工中高硬度材质 时，经常出现抗弯强度不足，初性不够，胎体磨损过快，对金刚石把持力不足，导致工具寿命 低下的情况，因此必须提高胎体的抗弯强度，从而提高胎体耐冲击耐磨性能，并且增强对金 刚石的把持力。另外，针对不同切割对象材质，金刚石工具厂家经常通过添加适量单质金属 粉末来调节刀头胎体的成分含量。一般而言，添加单质粉末会降低胎体的抗弯强度，为了不 会过度降低抗弯强度，需要高抗弯强度的合金粉作为基础粉末，运对调节刀头胎体的成分 含量提供了方便和品质保证。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法， 提高烧结胎体的抗弯强度，最终提高胎体对金刚石的把持力，得到高切削性能的金刚石刀 头工具。
[0006] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] -种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其步骤如下：
[000引 1)准备金属原材料，准备各金属组分按重量百分比如下：Cu:5~85%，Ni:l~ 25%，Sn:l~20%，Si:0~8%;Al:l~15%;Cr:5~15%;B:0.1~5%;V:0.1~6%;Nb:0.1 ~5%;2。0.1~5%;1^日：0.1~10%;尸0余量；
[0009] 2)利用准备的金属原材料制备，依次进行①冶炼、②水雾化、③压滤脱水、④真空 干燥及⑤还原步骤，制得本发明超细高抗弯强度水雾化合金粉末。
[0010] 所述2)步骤的①冶炼步骤中，需控制各金属原材料的加入顺序及加入时间节点， 具体为，先将化，Ni，Si，Sn，化放入炉底，送电烙化;待烙化约1/2-2/^3时开始加入化，最后按 照顺序依次加入V，Nb，Zr，B，A^^a。
[0011] 所述2)步骤的①冶炼步骤中，冶炼采用中频感应炉冶炼，每炉投料总量不超过 220kg，功率控制在60~240KW之间；炉衬材质为儀砂或石英砂，烙炼过程的最高溫度控制在 。650。(：。
[0012] 所述2)步骤的①冶炼步骤中，采用复合脱氧剂娃巧石脱氧并造渣，先将娃巧石覆 盖合金溶液表层，在5~15分钟时间保持烙液溫度不低于1580°C，然后去除烙液表面的烙 渣;当烙液溫度在1580~1640°C之间时开始雾化。
[0013] 所述2)步骤的②水雾化步骤，其采用两组喷嘴二级雾化的方式，中间包漏眼直径3 ~8mm，雾化水流量80~14化/min，雾化压力60~135MPa。
[0014] 所述2)步骤的③压滤脱水步骤为，将雾化后的水粉混合物在集粉罐内密封气体增 压，集粉罐底部出水口加装1200目滤布，0.1~0.5M化压力下保压至出水口无明显水汽混合 物排出为止。
[0015] 所述2)步骤的④真空干燥步骤为，采用双锥回转真空干燥机，先将脱水后的湿粉 装入干燥器，装粉口密封，启动真空累，启动动力开关使干燥器垂直单向旋转，然后启动加 热开关，真空干燥机设定真空度小于-0. 〇9MPa，加热溫度40~120°C。
[0016] 所述2)步骤的⑤还原步骤为，采用步进式推舟还原炉，分解氨产生的氨气、氮气的 混合气体还原粉末，还原溫度为500~650°C，粉末在还原炉等溫区还原时间为20~60分钟。
[0017] 所述2)步骤中还进行⑥筛分步骤，按照所需求粒度选择相应-200目、-300目、-400 目或者-500目规格的筛网进行筛分。
[0018] 采用上述方案后，本发明一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方 法，优势在于：
[0019] 1)AL元素与Μ形成丫/-M3AL，属L12型结构的有序相金属间化合物，是一种面屯、 立方结构，弥散沉淀在刀头胎体的组织中，增强了胎体的抗弯强度；同时，刀头在切割过程 中产生局部高溫，丫 / -Ni3AL可W使刀头保持高溫初性。
[0020] 2)化与B元素可形成稳定碳化物，Cr3C2，BC在烧结胎体晶粒内部和晶界表面形细小 弥散的强化相，提高了胎体的抗弯强度。
[0021] 3)V，Nb在烧结胎体中形成稳定的氮化物，碳化物，VC，VN，NbC，NbN可W强烈钉扎晶 界，阻碍晶界长大，形成细小的晶粒组织，从而提高了刀头抗弯强度。
[0022] 4)Zr与稀±元素 La可W固溶在合金中，起到固溶强化作用；同时，&可W适当提高 胎体硬度，La与Fe形成的固溶体，不仅可W提高抗弯强度，还可W提高胎体的红硬性，即刀 头在受到冲击摩擦时产生瞬间高溫，La的固溶体可W保持胎体金属在高溫下仍有较高强 度。
[0023] 5)采用所述工艺方法制备的合金粉末具备良好的低溫烧结溫度性能，在760°C~ 840°C范围内热压烧结胎体块的相对致密度达到99% W上，抗弯强度大于1900MPa。
[0024] 综上，本发明可W制备超细粒度，高烧结致密度的金刚石刀头，超细合金粉末的超 细粒度提高了单颗粉末的成分均匀性w外，同时具有极高的烧结活性。特别是添加的低烙 点元素促进微液相烧结，使金刚石刀头烧结胎体得到更高的致密度，增强了对金刚石的把 持力。通过添加金属组织强化合金元素 W及稀±元素，将化-化基烧结胎体的抗弯强度提高 到1900MPa，最终提高胎体对金刚石的把持力，得到高切削性能的金刚石刀头工具。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的抗弯强度检测结果的示意图；
[0026] 图2为本发明的抗弯强度检测结果的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合【具体实施方式】对本案作进一步详细的说明。
[0028] 本案设及一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末，其化学成分按重量百分比 组成如下：Cu:5~75%，Ni:l~15%，Sn:l~15%，Si:l~5%;A1:1~15%;Cr:l~10% ;B: 0.1~3%;￥:0.1~3%;佩:0.1~2%;2。0.1~4%;1^日:0.1~7%;尸6余量。
[0029] 所述合金粉末的中位径粒度D50为3-15微米。合金粉末的氧含量含2000ppm。所限 定的较细的粉末粒度可W促进烧结活化，烧结后具有很高的致密度，所限定的低氧同样是 为了提高烧结致密度。
[0030] 本发明还设及一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其步骤如 下：
[0031] 1)准备金属原材料，准备各金属组分按重量百分比如下：Cu:5~85%，Ni:l~ 25%，Sn:l~20%，Si:0~8%;Al:l~15%;Cr:5~15%;B:0.1~5%;V:0.1~6%;Nb:0.1 ~5%;2。〇.1~5%;1^日：〇.1~1〇%;尸0余量；
[0032] 2)利用准备的金属原材料制备，依次进行①冶炼、②水雾化、③压滤脱水、④真空 干燥及⑤还原步骤，制得本发明超细高抗弯强度水雾化合金粉末。下面对步骤2)中的各个 分步骤进行详细阐述。
[0033] ①冶炼步骤中，冶炼采用中频感应炉冶炼，每炉投料总量不超过220kg，功率控制 在60~240KW之间（W达到将金属融化所需的溫度）；炉衬材质为儀砂或石英砂(因为考虑到 烙渣是碱性，所W选择碱性炉衬儀砂或中性炉衬石英砂），烙炼过程的最高溫度控制在< 1650°C(该溫度控制主要兼顾炉衬寿命及钢液流动性问题，倘若溫度过高会损害炉衬寿命， 过低会导致钢液流动性不足）。雾化过程中炉溫控制在1580~1640°C(限定运个溫度区间可 W保证炉衬不受损害，钢液流动性足够，而且易于控制），功率控制在60~120KW(限定运个 功率区间可W保证钢液的溫度，防止雾化过程中钢液溫度下降）。
[0034] ①冶炼步骤中，需控制各金属原材料的加入顺序及加入时间节点，具体为，先将 化，Ni，Si，Sn，化放入炉底，送电烙化;待烙化约1/2-2Λ时开始加入Cu，最后按照顺序依次 加入V，Nb，Z;r，B，A1和La;限定各金属原材料加入顺序及时间点主要考虑的是，不易于氧化 的金属在烙炼前期加入，特别容易氧化的金属在后面加入，W防止加入过早产生大量烙渣。
[0035] ①冶炼步骤中，采用复合脱氧剂娃巧石脱氧并造渣，先将娃巧石覆盖合金溶液表 层，在5~15分钟时间保持烙液溫度不低于1580°C，然后去除烙液表面的烙渣，时间及溫度 的限定，目的是利于用脱氧剂进行钢液的脱氧，并且形成娃巧烙渣起到聚渣的效果；当烙液 溫度在1580~1640°C之间时开始雾化。
[0036] ②水雾化步骤，其采用两组喷嘴二级雾化的方式，中间包漏眼直径3~8mm，雾化水 流量80~14化/min,雾化压力60~135MPa，W此来保证雾化粉末的粒度。
[0037] ③压滤脱水步骤为，将雾化后的水粉混合物在集粉罐内密封气体增压，集粉罐底 部出水口加装1200目滤布，0.1~0.5M化压力下保压至出水口无明显水汽混合物排出为止。 因为粉末较细，此处必须用高目数的滤布，0.5MPa的压力足够压滤。
[0038] ④真空干燥步骤为，采用双锥回转真空干燥机，先将脱水后的湿粉装入干燥器，装 粉口密封，启动真空累，启动动力开关使干燥器垂直单向旋转，然后启动加热开关，真空干 燥机设定真空度小于-0.〇9MPa，确保足够的真空度，防止粉末氧化;加热溫度40~120°C，W 此让水快速蒸发。
[0039] ⑤还原步骤为，采用步进式推舟还原炉，分解氨产生的氨气、氮气的混合气体还原 粉末，还原溫度为500~650°C，粉末在还原炉等溫区还原时间为20~60分钟。所限定的还原 溫度可W确保在粉末不结块的状态下脱氧，60分钟内可W足够脱氧。
[0040] 所述2)步骤中最后还可进行⑥筛分、⑦合批及⑧真空包装步骤。⑥筛分步骤，按照 所需求粒度选择相应-200目、-300目、-400目或者-500目规格的筛网进行筛分。⑦合批步 骤，将筛分后的筛下物集中，加入真空合批机混合，使之粒度分布均匀。⑧真空包装步骤，将 合批后的粉末采用塑料真空包装袋真空包装，可按需选择每袋包装重量。
[0041] 具体实施例1
[0042] 本发明制作的合金粉末，是按照经过成分设计配方，将原料进行高溫烙炼，高压水 雾化，经过真空烘干和氨气脱氧，过筛后得到产品粉末。把产品粉末热压成为标准抗弯强度 试样块，用抗弯强度测试机进行Ξ点抗弯强度试验。
[0043] 使用金属原料及重量如下表：
[0044]
'[0045]'使用工业'生产心50kg炉§量的Φ频应冶?炉，为苗砂，先'将Fe，Ni，| Si，Sn，化放入炉底，送电烙化。烙化约l/2-2/^3时开始加入化，最后按照顺序依次加入V，Nb， Zr，B，A1和La。原料烙化后，用复合脱氧剂娃巧石脱氧并造渣，先将娃巧石覆盖合金溶液表 层，在5~15分钟时间保持烙液溫度不低于1580°C;然后去除烙液表面的烙渣，当烙液溫度 在1580~1640°C之间时开始雾化。调节雾化压力为120M化。雾化后的水粉混合物经过压缩 气体压滤;将脱水后的湿粉装入干燥器进行真空干燥。将干燥后粉末装入还原炉，在600°C 下氨气还原30分钟。将还原粉末用400目筛网进行筛分得到最终产品粉末。
[0046] 检测结果如下：
[0047]
[004引抗弯强度检测结果参见图1所示。
[0049] 具体实施例2
[0050]与实施例1相比，实施例2调整了原料添加量。
[0化1 ]
[0052] ~原料投入顺序和冶炼方式与实施例1相同。调节雾化压力为135MPa。雾化后的水粉 混合物经过压缩气体压滤。将脱水后的湿粉装入干燥器进行真空干燥。将干燥后粉末装入 还原炉，在550°C下氨气还原30分钟。将还原粉末用500目筛网进行筛分得到最终产品粉末。
[0053] 最终产品粉末检测结果如下：
[0化4]
[0055] 抗弯强度检测结果参见图2所示。
[0056] W上所述仅为本发明的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和 修饰，均应属于本发明权利要求的范围。
【主权项】
1. 一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤如下： 1) 准备金属原材料，准备各金属组分按重量百分比如下:Cu:5~85%，Ni : 1~25%，Sn: 1~20%，Si:0~8% ;A1:1~15% ;Cr:5~15% ;Β:0·1~5% ;V:0.1~6% ;Nb:0.1~5% ;Zr: 0.1~5% ;La:0.1~10% ;Fe余量； 2) 利用准备的金属原材料制备，依次进行①冶炼、②水雾化、③压滤脱水、④真空干燥 及⑤还原步骤，制得本发明超细高抗弯强度水雾化合金粉末。2. 如权利要求1所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其特 征在于，所述2)步骤的①冶炼步骤中，需控制各金属原材料的加入顺序及加入时间节点，具 体为，先将Fe，Ni，Si，Sn，Cr放入炉底，送电熔化;待熔化约1/2-2/3时开始加入Cu，最后按照 顺序依次加入V，Nb，Zr，B，A1和La。3. 如权利要求1或2所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其 特征在于，所述2)步骤的①冶炼步骤中，冶炼采用中频感应炉冶炼，每炉投料总量不超过 220kg，功率控制在60~240KW之间；炉衬材质为镁砂或石英砂，熔炼过程的最高温度控制在 < 1650°C。4. 如权利要求1或2所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其 特征在于，所述2)步骤的①冶炼步骤中，采用复合脱氧剂硅钙石脱氧并造渣，先将硅钙石覆 盖合金溶液表层，在5~15分钟时间保持熔液温度不低于1580°C，然后去除熔液表面的熔 渣；当熔液温度在1580~1640 °C之间时开始雾化。5. 如权利要求1所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其特 征在于，所述2)步骤的②水雾化步骤，其采用两组喷嘴二级雾化的方式，中间包漏眼直径3 ~8mm，雾化水流量80~140L/min，雾化压力60~135MPa。6. 如权利要求1所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其特 征在于，所述2)步骤的③压滤脱水步骤为，将雾化后的水粉混合物在集粉罐内密封气体增 压，集粉罐底部出水口加装1200目滤布，0.1~0.5MPa压力下保压至出水口无明显水汽混合 物排出为止。7. 如权利要求1所述的一种金刚石工具用超细高抗弯强度合金粉末的制备方法，其特 征在于，所述2)步骤的⑤还原步骤为，采用步进式推舟还原炉，分解氨产生的氢气、氮气的 混合气体还原粉末，还原温度为500~650°C，粉末在还原炉等温区还原时间为20~60分钟。
【文档编号】C22C38/16GK105834417SQ201610378024
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年11月27日
【发明人】唐明强, 王冲, 赵放
【申请人】泉州天智合金材料科技有限公司