超硬材料制品用水霧化預(yù)合金粉末的進(jìn)展應(yīng)用及存在問(wèn)題①

董書(shū)山,周小彥,董小雷,江斌,侯俊彥

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012;2.小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司,石家莊 050800; 3.博深工具集團(tuán)有限公司,石家莊 050000)

超硬材料制品用水霧化預(yù)合金粉末的進(jìn)展應(yīng)用及存在問(wèn)題①

董書(shū)山1,周小彥2,董小雷2,江斌3,侯俊彥3

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012;2.小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司,石家莊 050800; 3.博深工具集團(tuán)有限公司,石家莊 050000)

文章系統(tǒng)介紹了水霧化金屬預(yù)合金粉末在我國(guó)超硬材料制品行業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀,重點(diǎn)指出了現(xiàn)存的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。其在行業(yè)中的應(yīng)用處于起步發(fā)展的引導(dǎo)消費(fèi)階段,市場(chǎng)發(fā)展空間巨大。質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性、應(yīng)用指導(dǎo)能力是影響其擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙因素。今后將向細(xì)顆粒、多組元、高活性、低錫/無(wú)錫化等方向發(fā)展。

水霧化;預(yù)合金粉末;進(jìn)展;應(yīng)用;存在問(wèn)題

1 前言

近5年來(lái),金屬預(yù)合金粉末在我國(guó)金剛石制品中得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用,2013年的消費(fèi)量在6000噸左右,預(yù)計(jì)未來(lái)5年還將以每年高于15%的速度增長(zhǎng)。其中,水霧化預(yù)合金粉末的發(fā)展成為市場(chǎng)主體,約占消費(fèi)總量的80%以上,這也成為近年來(lái)行業(yè)發(fā)展的一種中國(guó)特色。國(guó)外主要以化學(xué)共沉淀法制備的Fe-Co-Ni、Fe-Cu-Ni等預(yù)合金粉末為主,主要用于高檔鋼筋混凝土鋸片和工程薄壁鉆頭的制作。其突出優(yōu)點(diǎn)是:顆粒細(xì)(2～10μm)、活性好、燒結(jié)致密度高、胎體的彈性模量高、強(qiáng)韌性高、耐磨性好;但缺點(diǎn)是產(chǎn)能有限,價(jià)格較高。水霧化預(yù)合金粉末具有活性高、成分多樣、生產(chǎn)量大、成本低、應(yīng)用靈活等特點(diǎn),尤其是具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì),因而在國(guó)內(nèi)的相關(guān)行業(yè)得到迅速推廣。生產(chǎn)實(shí)踐表明,在各類(lèi)金屬結(jié)合劑金剛石工具中,預(yù)合金粉末在配方中的應(yīng)用量達(dá)到30%左右時(shí)可明顯體現(xiàn)出其作用特點(diǎn),而當(dāng)其為配方主體,用量超過(guò)60%時(shí),則可充分體現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。而目前預(yù)合金粉末的市場(chǎng)銷(xiāo)量?jī)H占全部金屬粉末用量的7%～8%,其未來(lái)的市場(chǎng)空間十分巨大。盡管水霧化預(yù)合金粉末質(zhì)優(yōu)價(jià)廉,深受用戶(hù)青睞,但也還存在許多應(yīng)用障礙,主要有:①質(zhì)量穩(wěn)定性;②冷壓成型性;③應(yīng)用指導(dǎo);④價(jià)格因素。

受制于國(guó)內(nèi)單質(zhì)金屬粉末發(fā)展滯后的影響,國(guó)內(nèi)制品依靠傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬粉末發(fā)展體系將很難有大幅度提升的空間,而預(yù)合金粉末的應(yīng)用則逐漸成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),為行業(yè)的技術(shù)升級(jí)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了新的發(fā)展契機(jī)。在我國(guó),霧化預(yù)合金粉末的發(fā)展則需要揚(yáng)長(zhǎng)避短,強(qiáng)化在質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性及應(yīng)用指導(dǎo)方面的研究開(kāi)發(fā),才能突破應(yīng)用瓶頸,實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；茝V應(yīng)用,形成有民族特色的產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。

2 發(fā)展?fàn)顩r

2.1 發(fā)展歷史

自20世紀(jì)90年代起,國(guó)外率先提出預(yù)合金粉末的概念并開(kāi)發(fā)出實(shí)用產(chǎn)品[1-7],在金剛石制品行業(yè)中逐步推廣應(yīng)用。上海材料所、北京人工晶體所、中南工大粉冶所、安泰科技股份有限公司、有研粉末新材料有限公司、長(zhǎng)沙冶金材料所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院等單位則在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了相關(guān)研究工作,并取得了卓有成效的開(kāi)發(fā)成果[8-22],為預(yù)合金粉末在國(guó)內(nèi)金剛石制品行業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。安泰科技開(kāi)發(fā)出了Follow系列水霧化預(yù)合金粉末,并在行業(yè)中得到了一定規(guī)模的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,推廣了水霧化預(yù)合金粉末在國(guó)內(nèi)制品行業(yè)中的應(yīng)用。

2.2 發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬預(yù)合金粉末的制備方式及產(chǎn)品類(lèi)別多種多樣,霧化法、化學(xué)共沉淀法、電解法等所制備的預(yù)合金粉末在行業(yè)中都有實(shí)踐應(yīng)用,目前消費(fèi)量最大的是水霧化鐵基預(yù)合金粉末,其應(yīng)用領(lǐng)域已基本覆蓋了金屬結(jié)合劑制品的所有產(chǎn)品,可簡(jiǎn)單地劃分為二元的基礎(chǔ)類(lèi)合金和三元以上的專(zhuān)業(yè)類(lèi)合金。目前的生產(chǎn)廠(chǎng)家較多,河南黃河旋風(fēng)股份有限公司、秦皇島雅豪新材料科技有限公司、北京安泰科技有限公司、有研粉末新材料有限公司等單位都在從事水霧化預(yù)合金粉末的研發(fā)生產(chǎn),2013年的市場(chǎng)消費(fèi)量大約在5000噸左右,其中,黃河旋風(fēng)公司的銷(xiāo)售量已超過(guò)3500噸,銷(xiāo)售額超過(guò)2.4億元。由于生產(chǎn)廠(chǎng)家多,各廠(chǎng)家的產(chǎn)品中除應(yīng)用量較大的基礎(chǔ)二元合金FeCu30、FeCu40外,其它多組分的產(chǎn)品各不相同,名目繁多,性能及質(zhì)量差異較大。

基礎(chǔ)二元合金FeCu30、FeCu40的生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定,使用簡(jiǎn)便靈活,可用于各類(lèi)制品中,市場(chǎng)應(yīng)用量較大,約占總消費(fèi)量的60%以上。其在各類(lèi)工具中的大致應(yīng)用比例見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)二元Fe-Cu系列水霧化預(yù)合金粉末在各類(lèi)工具中的大致應(yīng)用比例Table 1 Feasible application proportion of Fe-Cu binary alloy metal powder made by water atomization process in different kinds of diamond tools

多組元合金產(chǎn)品可大致劃分為含錫與不含錫的兩大類(lèi)。

三組元不含錫的合金產(chǎn)品主要為Fe-Cu-Co、Fe-Cu-Ni、Fe-Ni-Co等。由于不含低熔點(diǎn)物料,其燒結(jié)溫度較高,燒結(jié)體的致密度、硬度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量等機(jī)械性能指標(biāo)較高,主要用于切割及鉆削類(lèi)工具中提高燒結(jié)胎體的致密度、硬度、熱硬性及耐磨性。

三組元含錫的合金產(chǎn)品主要為Fe-Cu-Sn、Fe -Ni-Sn、Cu-Ni-Sn等,以Fe-Cu-Sn為主,也可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)制品中。

四組元及以上含錫合金體系主要為Fe-Cu-Ni -Sn和Fe-C-uCo-Sn,這類(lèi)組元以調(diào)節(jié)工具的鋒利度為主,應(yīng)用于各類(lèi)中高檔制品中。由于合金成分復(fù)雜,霧化制粉工藝控制難度大,因此產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)性大。

水霧化預(yù)合金粉末的突出優(yōu)勢(shì)是:生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、產(chǎn)能大、價(jià)格低,符合中國(guó)制品市場(chǎng)的發(fā)展特點(diǎn)和實(shí)際需求,因而在近5年來(lái)呈現(xiàn)階躍式的增長(zhǎng),也是未來(lái)國(guó)產(chǎn)金剛石制品用預(yù)合金粉末的主流發(fā)展基礎(chǔ)。

3 存在問(wèn)題

目前,水霧化預(yù)合金粉末在實(shí)踐應(yīng)用中還存在著諸多問(wèn)題,主要表現(xiàn)為合金化均勻性、質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性、磨損適配性、粒度分布性、冷卻收縮性等。由于其中的球狀/類(lèi)球狀的顆粒數(shù)目偏多,嚴(yán)重影響冷壓成型性,這是現(xiàn)階段制約其在工具中大比例應(yīng)用的最大工藝障礙;再者就是粘滯性磨損特性強(qiáng),與金剛石間的磨損適配性調(diào)整難度大。

3.1 質(zhì)量穩(wěn)定性

水霧化預(yù)合金粉末的生產(chǎn)看似簡(jiǎn)單,又有很大的市場(chǎng)空間,因而吸引了許多廠(chǎng)家投資生產(chǎn)。但其生產(chǎn)過(guò)程涉及金屬熔煉、冶金學(xué)、流體力學(xué)等眾多交叉學(xué)科領(lǐng)域,各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響因素較多,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的控制難度大。尤其是多組元合金體系,由于合金元素間存在著熔點(diǎn)、比重、互溶度、化學(xué)反應(yīng)、流動(dòng)性、抗氧化性等諸多差異,導(dǎo)致在熔融合金化、霧化制粉及后序處理等方面存在許多相互關(guān)聯(lián)影響因素。如何確定影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素,并確定相應(yīng)的控制工藝,是考察每個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家掌控質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3.2 冷壓成型性

目前絕大多數(shù)金屬結(jié)合劑金剛石制品的工作節(jié)塊均需先壓制成型,再熱壓燒結(jié)。因此,冷壓成型性是衡量粉末應(yīng)用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),尤其是在自動(dòng)化設(shè)備日益增多的生產(chǎn)條件下,冷壓成型性更為重要。由于水霧化預(yù)合金粉末中球狀/類(lèi)球狀的顆粒數(shù)目偏多,粉末松裝密度偏高,因此冷壓成型困難,這是目前影響和制約其應(yīng)用的最大障礙。因此,如何改善粉末形狀,減少或消除球狀/類(lèi)球狀顆粒,是改善冷壓成型性的關(guān)鍵。各生產(chǎn)廠(chǎng)家目前重點(diǎn)都在設(shè)備結(jié)構(gòu)、制粉工藝及后處理工藝方面尋求改善方案,但受制于制粉原理的限制,效果有限。

不含錫的鐵基預(yù)合金粉末,由于組元間的熔點(diǎn)差異小,霧化制粉時(shí)熔融金屬流的粘滯性大,霧化成粉時(shí)不規(guī)則形狀的粉末顆粒數(shù)量增多,球狀/類(lèi)球狀粉末顆粒數(shù)量相對(duì)減少,因而,通過(guò)改變生產(chǎn)裝備及工藝,可在一定程度上進(jìn)一步減少球狀/類(lèi)球狀粉末顆粒數(shù)量,降低粉末的松裝密度,但無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。

含錫的預(yù)合金粉末,由于各金屬組元間的熔點(diǎn)差異大,熔煉傾注時(shí)熔融液流的粘滯性小,水射流霧化急冷時(shí)液滴的冷卻凝固特性與不含錫的液滴相比發(fā)生了很大變化,其中的球狀/類(lèi)球狀顆粒數(shù)目增多,提高了粉末的松裝密度,進(jìn)一步惡化了冷壓成型性。此類(lèi)合金粉末,在成分設(shè)計(jì)、熔煉工藝、霧化工藝及后處理工藝方面都需嚴(yán)格把握,才能將松裝密度控制在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi),如此才能不因松裝密度的劇烈波動(dòng)而影響冷壓的成型性。

冷壓成型性的改善,是目前影響水霧化預(yù)合金粉末更大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸,亟待改進(jìn),如能將松裝密度穩(wěn)定控制在2.8g/cm3以下,其冷壓成型性將會(huì)得到極大改善,應(yīng)用量將呈現(xiàn)倍增式增長(zhǎng),也將會(huì)極大促進(jìn)全行業(yè)制品質(zhì)量的提升。

3.3 磨損適配性

燒結(jié)胎體與金剛石間的磨損適配性是制備高質(zhì)量金剛石工具的關(guān)鍵,也是難點(diǎn)。就目前的技術(shù)現(xiàn)狀而言,無(wú)論是對(duì)單質(zhì)金屬粉末體系還是預(yù)合金粉末體系,通過(guò)提高燒結(jié)致密度等手段來(lái)提高胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力并非難事,而難點(diǎn)就在于如何在確保胎體對(duì)金剛石把持力的前提下,適度弱化胎體的耐磨性,使之與金剛石保持一定的磨損同步性。而提高把持力與弱化磨損性又往往是一對(duì)共生矛盾,尤其是對(duì)于鐵基胎體而言,矛盾更為突出。水霧化預(yù)合金粉末的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)活性高,容易燒結(jié)致密化,尤其是高溫?zé)Y(jié)時(shí),胎體對(duì)金剛石具有較強(qiáng)的機(jī)械把持力;但同時(shí)也易引發(fā)負(fù)面影響:粉末顆粒間易發(fā)生再結(jié)晶長(zhǎng)大而形成耐磨性過(guò)高的粗顆粒團(tuán),尤其是鐵基胎體的粗顆粒團(tuán)極易產(chǎn)生粘滯性磨損,從而影響金剛石的出刃狀態(tài),降低鋒利度。因此,如何設(shè)計(jì)調(diào)控粉末的燒結(jié)活性及燒結(jié)胎體的組織狀態(tài),從而獲得具有良好力學(xué)性能及合適的磨損性能,也是水霧化預(yù)合金粉末在應(yīng)用過(guò)程中面臨的一項(xiàng)重要課題。

3.4 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

盡管水霧化預(yù)合金粉末20世紀(jì)90年代在國(guó)內(nèi)已開(kāi)展研發(fā)應(yīng)用,但生產(chǎn)廠(chǎng)家少,市場(chǎng)消費(fèi)量少,只是近5年來(lái)才在國(guó)內(nèi)金剛石制品行業(yè)中得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用,其市場(chǎng)消費(fèi)量急劇增長(zhǎng),尚屬朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。目前從事水霧化預(yù)合金粉末生產(chǎn)的廠(chǎng)家逐漸增多,但每個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品都各不相同,這就導(dǎo)致了除基礎(chǔ)二元合金粉末,如FeCu30、FeCu40外的其它種類(lèi)的預(yù)合金粉末名目眾多,品種繁雜,使用戶(hù)感到無(wú)所適從。由于發(fā)展時(shí)間短,國(guó)家尚無(wú)相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),各個(gè)廠(chǎng)家的供貨質(zhì)量良莠不齊,質(zhì)量穩(wěn)定性難以有效保證,而用戶(hù)單位只能被動(dòng)接受產(chǎn)品,也無(wú)法有效掌握進(jìn)貨質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),這極大影響了產(chǎn)品在全行業(yè)的大面積推廣應(yīng)用。因此,逐步建立超硬材料制品用金屬預(yù)合金粉末的行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范生產(chǎn),以保障新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,促進(jìn)其在全行業(yè)中的規(guī)模化應(yīng)用,是今后預(yù)合金粉末發(fā)展的重要現(xiàn)實(shí)需求。行業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可以先從簡(jiǎn)單的二元Fe-Cu合金著手,涵蓋粉末的氧含量控制、粒度分布、松裝密度、燒結(jié)體機(jī)械性能等方面的內(nèi)容。

3.5 基礎(chǔ)研究

式中，Ei為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的單因子指數(shù)；Ai為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度；Si為農(nóng)產(chǎn)品重金屬i的限量標(biāo)準(zhǔn)值，采用GB 2762（中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部，2012）中規(guī)定的食物中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)各粉末生產(chǎn)廠(chǎng)家在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品后,往往只在對(duì)粉末本身進(jìn)行簡(jiǎn)單的性能表征測(cè)試后,就急于將產(chǎn)品推向市場(chǎng),未能扎扎實(shí)實(shí)做好應(yīng)用推廣前的相關(guān)基礎(chǔ)研究,包括產(chǎn)品的物理/化學(xué)特性、燒結(jié)體的組織結(jié)構(gòu)、綜合機(jī)械性能(硬度、強(qiáng)度、韌性、彈性模量、磨損性能等)、工藝性能、適用領(lǐng)域、與其它粉末的配伍適應(yīng)特點(diǎn)、實(shí)踐應(yīng)用方法等系列化的基礎(chǔ)性能研究工作,因而,也就難以為用戶(hù)提供有效的應(yīng)用指導(dǎo)。這一點(diǎn),恰恰是國(guó)內(nèi)外粉末生產(chǎn)廠(chǎng)家的顯著差距:國(guó)外粉末生產(chǎn)商在將產(chǎn)品正式推向市場(chǎng)前,先做大量的細(xì)致的基礎(chǔ)研究工作,對(duì)產(chǎn)品本身有了深刻的了解和掌握后,才為用戶(hù)提供有效的應(yīng)用指導(dǎo),從而促進(jìn)市場(chǎng)銷(xiāo)售。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商往往偏重于市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)手段,而忽視或沒(méi)有能力開(kāi)展基礎(chǔ)應(yīng)用研究,產(chǎn)品一經(jīng)面世后就急于銷(xiāo)售推廣。這種急功近利的做法,往往事倍功半,反而不利于產(chǎn)品的銷(xiāo)售。這種運(yùn)作模式,是國(guó)內(nèi)相關(guān)廠(chǎng)商普遍存在的通病,亟需改正。

3.6 應(yīng)用指導(dǎo)

缺乏以基礎(chǔ)研究為支撐的應(yīng)用指導(dǎo),是目前影響和阻礙合金粉末銷(xiāo)售的主要障礙因素之一。目前,預(yù)合金粉末生產(chǎn)廠(chǎng)家大都缺乏意識(shí)或?qū)嵙﹂_(kāi)展售前的基礎(chǔ)應(yīng)用研究,而往往是寄希望于用戶(hù)去摸索使用,視用戶(hù)為“試驗(yàn)員”,將新產(chǎn)品直接推銷(xiāo)給用戶(hù)試用,當(dāng)然,對(duì)有研發(fā)實(shí)力的極少數(shù)大用戶(hù)而言,無(wú)需廠(chǎng)家指導(dǎo),根據(jù)產(chǎn)品的成分特點(diǎn)其就可自行設(shè)計(jì)使用。但對(duì)絕大多數(shù)研發(fā)實(shí)力薄弱的中小用戶(hù)來(lái)說(shuō),其對(duì)預(yù)合金產(chǎn)品的掌握并不充分,這種做法往往會(huì)引起疑惑或抵制,不愿花費(fèi)精力為廠(chǎng)家試驗(yàn)應(yīng)用,因而極大地影響了預(yù)合金產(chǎn)品的推廣銷(xiāo)售。

預(yù)合金粉末生產(chǎn)廠(chǎng)家應(yīng)從長(zhǎng)計(jì)議,摒棄急功近利的思維和做法,在開(kāi)發(fā)推廣新產(chǎn)品時(shí),應(yīng)將重點(diǎn)放在基礎(chǔ)應(yīng)用研究方面,做好售前的充分準(zhǔn)備工作,以便能夠?yàn)橛脩?hù)提供有效的應(yīng)用指導(dǎo),這才是最有效的促銷(xiāo)手段,要擺脫單純依靠?jī)r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)方式取得市場(chǎng)份額的做法,才能形成有自己特色的產(chǎn)品系列,依靠穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和良好的應(yīng)用服務(wù)才能立足于市場(chǎng)。

3.7 設(shè)計(jì)思想

目前,各廠(chǎng)家生產(chǎn)的水霧化預(yù)合金粉末的品種多達(dá)幾十種,令用戶(hù)眼花繚亂,無(wú)所適從。從實(shí)用的角度出發(fā),無(wú)需品種繁雜,僅需要設(shè)計(jì)出為數(shù)不多的具有通用性或針對(duì)性強(qiáng)、有特色及實(shí)效性的產(chǎn)品即可。預(yù)合金粉末產(chǎn)品應(yīng)用性能的優(yōu)劣及銷(xiāo)售量的多少,主要取決于廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)思想?？傮w而言,無(wú)論是通用性強(qiáng)的簡(jiǎn)單二元/三元基礎(chǔ)預(yù)合金粉末,還是針對(duì)性強(qiáng)的多組元專(zhuān)業(yè)預(yù)合金粉末,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)遵循的總體原則是:經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、適用性;具體來(lái)說(shuō),應(yīng)充分考慮以下因素:①適用領(lǐng)域;②生產(chǎn)可行性;③質(zhì)量可控性;④燒結(jié)胎體的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu);⑤燒結(jié)胎體的綜合機(jī)械性能(硬度、強(qiáng)度、韌性、彈性模量、熱硬性、磨損性等);⑥冷壓成型性;⑦制品的制備工藝;⑧與其它粉末的配伍適應(yīng)性;⑨銷(xiāo)售價(jià)格。這就要求生產(chǎn)廠(chǎng)家不僅能夠生產(chǎn)出穩(wěn)定的預(yù)合金粉末產(chǎn)品,還要十分熟悉各類(lèi)金剛石制品的特點(diǎn)要求及制備工藝,才能設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求的適用產(chǎn)品。

目前,只有極少數(shù)大廠(chǎng)家能夠在一定程度上掌握設(shè)計(jì)原則,根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)產(chǎn)品,以產(chǎn)品引導(dǎo)消費(fèi);而大多數(shù)中小生產(chǎn)廠(chǎng)家則只能生產(chǎn)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)合金粉末,或者根據(jù)用戶(hù)使用單質(zhì)粉經(jīng)驗(yàn)而提出的合金體系來(lái)委托加工多組元合金粉末,而單質(zhì)粉末的配方一經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹辖鸱勰┖?其性能則會(huì)發(fā)生很大變化,往往又不符合委托者的使用預(yù)期,無(wú)法推廣銷(xiāo)售,因而,導(dǎo)致了中小生產(chǎn)廠(chǎng)家只增加品種,不增加銷(xiāo)量的尷尬境地。

只有強(qiáng)化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā),才能明晰設(shè)計(jì)思想,預(yù)合金粉末的發(fā)展才能由繁到簡(jiǎn),走向持續(xù)穩(wěn)定的健康發(fā)展道路。

4 發(fā)展趨勢(shì)

在金屬預(yù)合金粉末的應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)外所采取的技術(shù)路線(xiàn)差異明顯,國(guó)外制品商多采用化學(xué)法制備超細(xì)顆粒粉末,以獲取高致密化、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性、高彈性模量、高熱硬性的胎體組織,胎體對(duì)金剛石的把持力及磨損適配性較好,但制品的生產(chǎn)成本高。以超細(xì)粉末為主體,這是目前及今后一定時(shí)期內(nèi)國(guó)外先進(jìn)制品商所堅(jiān)持的設(shè)計(jì)思想。而國(guó)內(nèi)制品行業(yè)在經(jīng)歷了幾十年的單質(zhì)金屬粉末體系后,正逐漸向預(yù)合金方向發(fā)展,尤其是廉價(jià)的水霧化鐵基粉末,將是今后中國(guó)制品行業(yè)消費(fèi)量最大的一類(lèi)預(yù)合金粉末,這也將形成有中國(guó)特色的發(fā)展路線(xiàn)。但要獲取持續(xù)穩(wěn)定的推廣應(yīng)用,尚需著力改善其不足之處,今后的發(fā)展方向應(yīng)主要體現(xiàn)在以下方面:

4.1 細(xì)顆粒

獲取細(xì)顆粒粉末的目的在于:使顆粒內(nèi)部的元素均勻化分布,細(xì)化燒結(jié)組織,提高胎體的致密度,改善胎體的磨損性。根據(jù)水霧化預(yù)合金粉末的特點(diǎn)及現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)的需要,粉末顆粒并非愈細(xì)愈好,其粒度的控制必須考慮制品現(xiàn)行的壓制工藝裝備、模具結(jié)構(gòu)型式、燒結(jié)工藝裝備等方面的特點(diǎn)及與其它種類(lèi)粉末配合應(yīng)用時(shí)在粒度、化學(xué)活性等方面的匹配性?，F(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)主要以-200/-300目的粉末為主,-400目以細(xì)的粉末用量較少。隨著霧化技術(shù)工藝的進(jìn)步,細(xì)顆粒合金粉末的成品率會(huì)逐步提高,生產(chǎn)成本也會(huì)逐漸下降,-400目以細(xì)合金粉末的應(yīng)用比例會(huì)逐步提高,并將發(fā)揮更大的應(yīng)用潛力,這也是水霧化預(yù)合金粉末的一個(gè)重要發(fā)展方向之一。

4.2 低氧高活性

預(yù)合金粉末燒結(jié)活性的高低,主要與合金結(jié)構(gòu)、粒度、氧含量等因素有關(guān)。氧含量的控制,是合金粉末質(zhì)量穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是決定其燒結(jié)活性好壞的主要因素。不同合金體系的氧含量控制要求不同,鐵-銅基礎(chǔ)類(lèi)水霧化預(yù)合金粉末的氧含量通?？刂圃?000×10-6左右。無(wú)論是預(yù)合金粉末還是單質(zhì)金屬粉末,其氧含量越低,燒結(jié)活性越高,越有利于獲得高質(zhì)量的燒結(jié)胎體。但氧含量的控制,必須考慮生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、制品工藝等多種因素,將其控制在穩(wěn)定合適的范圍內(nèi)。低氧、高活性是水霧化預(yù)合金粉末的漸進(jìn)發(fā)展方向之一。

4.3 高冷壓成型性

冷壓成型性差,是影響和阻礙水霧化預(yù)合金粉末應(yīng)用量的一個(gè)突出瓶頸。利用自動(dòng)冷壓機(jī)進(jìn)行批量化生產(chǎn)的石材小鋸片對(duì)粉末的粒度、形狀結(jié)構(gòu)的要求相對(duì)較高,以保證連續(xù)作業(yè)的冷壓成品率。目前,各類(lèi)水霧化預(yù)合金粉末的松裝密度普遍偏高,通常為3.0～4.2g/cm3,因而限制了其在配方中的應(yīng)用比例一般不超過(guò)45%,對(duì)于松裝密度＞3.5 g/cm3的粉末,其應(yīng)用比例更低。因而,減少球狀/類(lèi)球狀粉末顆粒數(shù)目,降低松裝密度,改善粒度分布狀態(tài),以獲取良好的冷壓成型性,是水霧化預(yù)合金粉末面臨的首要問(wèn)題,也是今后應(yīng)著力改善的重點(diǎn)發(fā)展方向。

4.4 低錫/無(wú)錫化

在單質(zhì)金屬粉末配方體系中,Sn幾乎是必不可少的元素。預(yù)合金粉末中引入低熔點(diǎn)Sn的目的是為了降低燒結(jié)溫度、改善燒結(jié)活性、調(diào)整組織結(jié)構(gòu)、改變磨損性能、提高燒結(jié)致密度,以提高胎體對(duì)金剛石的把持力,改善胎體與金剛石間的磨損適配性。但Sn的加入,也同樣帶來(lái)了很大的負(fù)面影響:顯著降低了燒結(jié)胎體的抗沖擊能力及高溫?zé)嵊残?尤其是對(duì)工程薄壁鉆頭、地質(zhì)鉆頭及鋼筋混凝土切割鋸片等對(duì)胎體的強(qiáng)韌性、熱硬性、磨損性要求較高的制品,Sn的負(fù)面影響尤為顯著。因此,從提高燒結(jié)胎體的綜合機(jī)械性能(強(qiáng)度、硬度、耐磨性等)的角度出發(fā),獲取細(xì)顆粒、高活性的低錫/無(wú)錫化預(yù)合金粉末,也是今后水霧化預(yù)合金粉末的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4.5 高彈性模量

彈性模量是材料的剛度指標(biāo),與結(jié)合鍵的性質(zhì)及原子間的結(jié)合力有關(guān)。鋸切類(lèi)金剛石工具在工作過(guò)程中反復(fù)受到?jīng)_擊力的作用,這就要求胎體對(duì)金剛石磨粒具有足夠的剛性支撐能力,以降低金剛石因受沖擊而使支撐胎體產(chǎn)生擠壓塑性變形的傾向,這種壓致塑性變形會(huì)導(dǎo)致胎體與金剛石間產(chǎn)生縫隙,從而降低胎體對(duì)金剛石的把持力,甚至?xí)菇饎偸蜻^(guò)早脫落而失效。單質(zhì)粉末混合的配方體系,由于受粉末質(zhì)量、合金化程度、制備工藝等眾多復(fù)雜而又相互關(guān)聯(lián)因素的影響,難以穩(wěn)定獲取高彈性模量的胎體,尤其是含低熔點(diǎn)Sn的配方體系更是如此。而水霧化預(yù)合金粉末的合金化較為充分,易獲得高彈性模量的燒結(jié)胎體,因而通過(guò)合理的合金化設(shè)計(jì)等手段來(lái)獲取高彈性模量的粉末燒結(jié)體,也是水霧化預(yù)合金粉末的有效提升途徑和發(fā)展方向。

4.6 砂性磨損

無(wú)論是單質(zhì)粉末體系還是合金粉末體系,金屬結(jié)合劑金剛石工具的胎體必然向以Fe為主成分的Fe -Cu體系發(fā)展。而對(duì)鐵基胎體而言,其最大弊端就在于胎體的磨損特性為粘滯性磨損。因此,如何在保持胎體對(duì)金剛石具有足夠把持力的同時(shí),使胎體呈現(xiàn)砂性磨損特性,是今后“以鐵代鈷”發(fā)展方向的一個(gè)瓶頸難點(diǎn),也是今后水霧化預(yù)合金粉末發(fā)展需要突破的重點(diǎn)方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

水霧化預(yù)合金粉末具有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉等一系列優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),其在超硬材料制品中的應(yīng)用,為行業(yè)的技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)和發(fā)展契機(jī),會(huì)促進(jìn)制品行業(yè)向高效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。但也存在著很多缺欠,影響和阻礙其消費(fèi)量的擴(kuò)增,目前仍處于“引導(dǎo)消費(fèi)”階段,遠(yuǎn)未像單質(zhì)粉末那樣達(dá)到用戶(hù)的“自主消費(fèi)”階段,任重道遠(yuǎn),前途光明。鐵基預(yù)合金粉末的發(fā)展,將是實(shí)現(xiàn)“以鐵代鈷”的有效途徑。

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Current development,application situation and existing problems of the water atomized pre-alloyed metal powder used for diamond tools

DONG Shu-shan1,ZHOU Xiao-yan2,DONG Xiao-lei2,JIANG Bin3,HOU Jun-yan3
(1.State Key Lab of Superhard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China; 2.XMF Tools Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050800,China; 3.BOSUN Tools Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)

The latest development and application situation of the water atomized prealloyed metal powder for diamond tools are reviewed in this paper.Its existing problems and developing trend are also emphasized as it is still in starting and guiding consumption stage with broad market prospect.Currently,quality stability,compaction property and application guidance are the main obstacle factors for its large scale application.It will develop to ultra-fine particles,multi-components,high activities with low content of tin or free tin in the future.

superhard tools;water atomized pre-alloyed metal powder;development; application;existing problem

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0047-06

2014-02-15

董書(shū)山(1966-),男,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事超硬材料方面的研發(fā)工作。