制粒顆粒對(duì)容積式自動(dòng)冷壓的影響研究

李運(yùn)海，謝志剛

(1．桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2．中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

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制粒顆粒對(duì)容積式自動(dòng)冷壓的影響研究

李運(yùn)海1,2，謝志剛2

(1．桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2．中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

介紹了刮篩-滾圓式和噴霧-高速攪拌式兩種造粒機(jī)的制粒原理和特點(diǎn)。測量了兩種制粒顆粒的實(shí)用球形度Ψw，刮篩-滾圓制粒料為0.821，噴霧-高速攪拌制粒料為0.902。對(duì)比了三種粒度范圍的制粒料的容積自動(dòng)冷壓，結(jié)果60～100目的制粒料冷壓重量最穩(wěn)定。對(duì)比了臥向冷壓和豎向冷壓兩種方式對(duì)制粒料的影響，在臥向冷壓時(shí)，兩種制粒方式都能滿足要求，在豎向冷壓時(shí)，刮篩-滾圓式制粒料冷壓坯的重量偏差大。

制粒；顆粒形狀指數(shù)；容積式自動(dòng)冷壓；金剛石工具；壓制方向

1　前言

目前中國金剛石工具生產(chǎn)制造技術(shù)已經(jīng)得到了非常大的發(fā)展，“容積式”自動(dòng)冷壓方式已經(jīng)在較大范圍內(nèi)得到應(yīng)用，它替代手動(dòng)稱料方式，大大提高了生產(chǎn)效率。其中在大批量的通用型金剛石工具制造中，選用流動(dòng)性和填充性較好的粉料，設(shè)備上采取刮或震動(dòng)等“強(qiáng)制力”提高填充穩(wěn)定性，“不制?！本湍茌^穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)刀頭和鋸片的高效自動(dòng)冷壓成型，基本能滿足石材市場上對(duì)工具的需求，這是中國的工具制造的一大創(chuàng)新。但在一些性能要求高的金剛石工具產(chǎn)品中，需要選擇細(xì)粒度的金屬粉料來獲得更高的性能。而細(xì)粒度的金屬粉料往往流動(dòng)性和填充性差，粉料的“架橋”現(xiàn)象嚴(yán)重，如不通過“制?！碧幚?，用容積法自動(dòng)加料，很難獲得重量穩(wěn)定的冷壓坯。再者隨著設(shè)備工藝的進(jìn)步，上游粉末供應(yīng)商提供金屬粉料會(huì)慢慢往細(xì)粒度的方向發(fā)展，如常用的電解鐵粉和電解銅粉生產(chǎn)，要提高產(chǎn)量，采用大電流密度和短的粉末采取周期是必須的，而這樣生產(chǎn)出來的粉末顆粒必然變細(xì)。新的霧化法生產(chǎn)粉料設(shè)備的噴射壓力都比以前大，這樣的粉末產(chǎn)量大，制造出來的粉末也更細(xì)。而通過對(duì)粉末“制?！保瑒t能很好地改善粉末的流動(dòng)性和填充性，滿足“容積式”裝料的精度要求。

研究制粒顆粒外形狀特征，對(duì)滿足和提高“容積式”自動(dòng)冷重量精度，改善刀頭的性能有重要的意義。

2　制粒工藝與設(shè)備現(xiàn)狀

目前市場上金剛石工具制粒比較常用的兩種類型設(shè)備是刮篩-滾圓式制粒機(jī)和噴霧-高速攪拌式制粒機(jī)。

一是以德國Dr.Fritsch公司的GM180為代表的刮篩-滾圓式制粒機(jī)，該類型設(shè)備是將混合好的金剛石的粉料，加入粘接劑攪拌均勻后通過掛篩裝置擠出成柱狀顆粒，在偏心盤滾動(dòng)修圓，成形后再烘干即可(制粒如圖1、圖2所示)。

圖1　刮篩-滾圓法顆粒成型過程Fig.1　Granulating process through screen scraping-spheronization method

圖2　刮篩-滾圓法制粒顆粒Fig.2　Granules by screen scraping-spheronization method

二是以原韓國DIEX公司的GA-10為代表的噴霧-高速攪拌式制粒機(jī)，該類型設(shè)備是將不含金剛石的粉料和粉狀粘接劑放到設(shè)備中邊攪拌邊噴溶劑使粉料結(jié)團(tuán)成形，再烘干(如圖3、圖4所示)。

圖3　噴霧-攪拌法顆粒成型過程Fig.3　Granulating process through spray-high speed agitation method

圖4　噴霧-攪拌法制粒顆粒Fig.4　Granules by spray-high speed agitation method

兩種設(shè)備制粒原理不同，都能實(shí)現(xiàn)造粒，也各有優(yōu)劣。目前市場上還出現(xiàn)了一種新的制粒工藝，可將單顆金剛石用粉料包裹制成完全球狀的顆粒(制粒顆粒如圖5)，這種工藝制出了能結(jié)合了上面兩種制粒方式優(yōu)勢的顆粒，并且由于等直徑球顆粒的規(guī)則排列堆積，實(shí)現(xiàn)了金剛石的有序排布(如圖6所示)，是一種非常有優(yōu)勢的制粒工藝，但由于應(yīng)用尚未得到大范圍推廣，這里暫討論前兩種方式。

圖5　等直徑球顆粒Fig.5　Equal diameter particles

圖6　等直徑球顆粒制作的鋸片刀頭Fig.6　Cutting head of saw blade made by equal diameter particles

3　制粒顆粒對(duì)容積式冷壓的影響

3.1制粒顆粒形狀指數(shù)測量和對(duì)比

顆粒的流動(dòng)性與其形狀有很大的關(guān)系，越接近圓形流動(dòng)性越好。雖然從放大照片上可以看到刮篩-滾圓法制粒顆粒球形度明顯差于噴霧-攪拌法制粒顆粒，為了得到兩者量化的差異，選擇用實(shí)用球形度(即Wadell球形度)Ψw這一參數(shù)來衡量。

由上面公式可看到Ψw≤1，并且Ψw越接近1，說明顆粒越接近圓。

測量方法：用MicroCapture顯微鏡照相功能在同樣倍數(shù)下拍下制粒顆粒的照片，放到圖像測量軟件中測量顆粒的投影面積S投和顆粒的最小外接圓直徑D外(如圖7～圖10所示)，由S投計(jì)算出其面積相等的圓直徑D投，則可計(jì)算出實(shí)用球形度Ψw，實(shí)際測量出的值見表1。

圖7　顆粒測量Fig.7　Particle measurement

圖8　顆粒測量Fig.8　Particle measurement

圖9　顆粒測量Fig.9　Particle measurement

圖10　顆粒測量Fig.10　Particle measurement

制粒方法制粒設(shè)備實(shí)用球形度Ψw平均值刮篩-滾圓法GM1800.821噴霧-高速攪拌法GA-100.902

從上面的數(shù)據(jù)可以看到，使用刮篩-滾圓式法制粒，其顆粒實(shí)用球形度Ψw為0.821，比噴霧-高速攪拌法制粒的顆粒0.902要略差些。

3.2篩分對(duì)制粒顆粒成分的影響

制粒的顆?？偸怯幸粋€(gè)范圍分布，為了保證冷壓坯的重量精度，一般都需要進(jìn)行篩分，選出在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的顆粒，這樣的篩分是否對(duì)顆粒的成分產(chǎn)生影響，是我們選擇制粒方法時(shí)需要考慮的。

使用刮篩-滾圓式法制粒粉料和金剛石都是混在一起的，并且制粒前加入溶成膠水的粘接劑，制粒過程中不會(huì)產(chǎn)生成分偏析的動(dòng)作，所以制粒顆粒的篩分即使動(dòng)作再大也不會(huì)對(duì)成分產(chǎn)生影響，這點(diǎn)從下圖11至圖13中20～200目篩分的3個(gè)粒度范圍的照片中可以判斷出來。

使用噴霧-高速攪拌法制粒，制粒是單獨(dú)對(duì)金屬粉料制粒，最后才混合金剛石與制粒的粉料。其?；瘷C(jī)理是在制粒機(jī)中不停攪拌粉料和粘接劑，同時(shí)噴灑能溶解粘接劑形成膠水的液體，使原始粉末顆粒間形成“液橋”，凝聚成顆粒。這樣可能產(chǎn)生兩個(gè)問題，一是如果制粒料原始粉末是由多種不同形狀、不同大小的顆粒組成的，則其形成“液橋”的條件不同，易形成“液橋”的顆粒先聚集，不易形成“液橋”的顆粒后聚集，導(dǎo)致制粒顆粒的成分不均。圖7和圖8是有Wt50%球狀的CuSn15霧化粉末的配方的制粒顆粒，可看到圖8的細(xì)顆中有部分原始球狀顆粒未制成?；騿为?dú)成粒，這樣一旦篩分，整個(gè)配料的比例就會(huì)產(chǎn)生成分變化；二是由于原始粉末有攪拌運(yùn)動(dòng)，粉料成分的比重不同，在運(yùn)動(dòng)中可能產(chǎn)生不均的現(xiàn)象。

圖11　刮篩-滾圓式法制粒圖片20～60目Fig.11　Granules by spray-high speed agitation method 20～60#

圖12　刮篩-滾圓式法制粒圖片60～100目Fig.12　Granules by spray-high speed agitation method 60～100#

圖13　刮篩-滾圓式法制粒圖片100～200目Fig.13　Granules by spray-high speed agitation method 100～200#

圖14　含Wt50%CuSn15 20～80目顆粒Fig.14　Granules with Wt50%CuSn15, 20～80#

圖15　含Wt50%CuSn15 80～100目顆粒Fig.15　Granules with Wt50%CuSn15, 80～100#

這樣多種粉末組成粉料，經(jīng)制粒，最終篩分后，可能產(chǎn)生成分偏析，對(duì)燒結(jié)乃至最終產(chǎn)品性能產(chǎn)生一定的影響。如果是均一的預(yù)合金粉料，則不存在這些問題。所以噴霧-高速攪拌法適合粉料成分不復(fù)雜，原始粉末顆粒接近的配方的制粒，尤其適合單一的預(yù)合金粉末。

3.3制粒顆粒大小對(duì)冷壓坯重量精度的影響

制粒的粒度是生產(chǎn)過程必須控制的一大指標(biāo)，到底哪個(gè)范圍內(nèi)的粒度下冷壓坯重量精度最好，這里以壓制金剛石鋸片刀頭為例。

試驗(yàn)方法，用GA-10噴霧-高速攪拌機(jī)造粒，分別篩選20～60目，60～100目，20～100目三種粒度范圍的制粒料在自動(dòng)冷壓(壓制高度方向)進(jìn)行冷壓，逐一稱重量對(duì)比，數(shù)據(jù)如表2，圖16所示。

表2　三種粒度范圍顆粒冷壓重量表

圖16　不同粒度制粒冷壓坯重量變化Fig.16　Change of weight of cold-pressed compacts of granules of different particle size

從上面數(shù)據(jù)可以看出，60～100目的顆粒，冷壓重量精度最好，最大重量差值在0.06g內(nèi)；20～60目的顆粒冷壓重量精度次之，最大重量差值在0.09g內(nèi)；而在較大的顆粒范圍20～100目，冷壓重量精度就較差，最大冷壓重量差達(dá)到0.21g。顆粒大小范圍窄，冷壓精度就越好，并且越穩(wěn)定，因?yàn)轭w粒大小越接近，填充時(shí)形成的空位大小就越接近，整體重量差異就越小。至于60～100目的冷壓精度比20～60目的好，主要原因本文認(rèn)為除了顆粒之間“搭橋”外，還與“壁效應(yīng)”有關(guān)?！氨谛?yīng)”指的是當(dāng)顆粒填充容器時(shí)，在容器壁附近形成特殊的排列結(jié)構(gòu)，要減少這種情況，填料顆粒直徑與容器直徑之比要小于0.1。而本試驗(yàn)中20目顆粒直徑是0.85mm，模腔最寬處4mm，兩者比例為0.21，60目顆粒直徑是0.25mm，兩者比例為0.06，所以60～100目顆粒在豎壓鋸片刀頭中效果比20～60目顆粒好。如果進(jìn)料口尺寸加寬，兩種顆粒的重量精度差就會(huì)不明顯。這給我們?cè)O(shè)計(jì)容積式冷壓模具提供了一個(gè)啟示，冷壓模具的壓制方向應(yīng)盡量往寬的方向設(shè)計(jì)，這有利于冷壓重量精度穩(wěn)定。

4　制粒顆粒對(duì)冷壓方式的影響

刀頭冷壓方式按壓制方式分，可以分為豎壓(壓高度方向)和臥壓(壓厚度方向)兩種，如圖17所示。兩種方式各有優(yōu)劣。臥壓在厚度方向壓制，填料面積大，壓制高度小，冷壓坯致密度更均勻；但是壓帶焊接層的刀頭時(shí)，略有不便；送料的行程較長，刀頭長度方向兩端厚度容易產(chǎn)生差異；壓制不同高度的刀頭時(shí)要更換模具。豎壓在高度方向壓制，填料的面積小，填料空間深，在高度方向有密度梯度；壓制帶過渡層的刀頭方便，長度方向厚度一致；壓不同高度刀頭時(shí)不用更換模具。

4.1兩種制粒料臥壓對(duì)比

試驗(yàn)方法，用GA-10噴霧-高速攪拌機(jī)和GM180刮篩-滾圓造粒機(jī)，分別對(duì)同一配方的粉料制粒，篩選20～80目粒度范圍的制粒料在自動(dòng)冷壓機(jī)上按同樣的參數(shù)進(jìn)行冷壓，逐一稱重量，數(shù)據(jù)如表3、圖18所示。

圖17　臥壓和豎壓冷壓模具結(jié)構(gòu)Fig.17　Mold tructure of horizontal cold pressing and vertical cold pressing

制粒方法填料口尺 寸(mm)填料深度(mm)冷壓坯重量(g)minmax最 大重量差(g)刮篩-滾圓法39.5x18710.9611.120.16噴霧-高速攪拌法39.5x18711.4011.260.13

圖18　兩種制粒臥向冷壓坯重量變化Fig.18　Change of weight of cold-pressed compacts of two types of granules under horizontal cold pressing conditions

從上面數(shù)據(jù)可以看出，采用臥向冷壓，兩種制粒方式都基本能滿足自動(dòng)冷壓的生產(chǎn)要求。采用噴霧-高速攪拌法制粒料的冷壓坯重量范圍在0.13g內(nèi)，而采用刮篩-滾圓造粒料的冷壓坯重量差在0.16g內(nèi)，噴霧-高速攪拌法制粒冷壓坯重量范圍更窄些。在同樣的容積下，噴霧-高速攪拌法制粒冷壓坯的重量高于刮篩-滾圓制粒，也就是說噴霧-高速攪拌法制粒料的松裝密度高于刮篩-滾圓制粒料。

4.2兩種制粒料豎壓對(duì)比

試驗(yàn)方法，用GA-10噴霧-高速攪拌機(jī)和GM180刮篩-滾圓造粒機(jī)，分別對(duì)同一配方的粉料制粒，篩選20～80目粒度范圍的制粒料在自動(dòng)冷壓機(jī)上按同樣的參數(shù)進(jìn)行冷壓，逐一稱重量，數(shù)據(jù)如表4、圖19所示。

表4　兩種制粒顆粒豎壓重量表

圖19　兩種制粒豎向冷壓坯重量變化Fig.19　Change of weight of cold-pressed compacts of two types of granules under vertical cold pressing conditions

在豎壓時(shí)，刮篩-滾圓制粒的冷壓坯重量不穩(wěn)定(如圖19所示)，最大重量差達(dá)到0.32g，而噴霧-高速攪拌法制粒料的冷壓坯相對(duì)較穩(wěn)定，最大重量差0.18g，優(yōu)于刮篩-滾圓制粒料。說明球形度好的制粒料在豎壓中冷壓重量更穩(wěn)定。

總的來說，采用臥壓工藝，填料面積大，深度淺，所以對(duì)制粒料的要求不高，刮篩-滾圓法和噴霧-高速攪拌法的制粒料都能滿足要求；而在豎壓中，同樣條件下，球形度較差的刮篩-滾圓制粒料重量范圍遠(yuǎn)大于球形度較好的噴霧-高速攪拌制粒料。結(jié)合上面的結(jié)論，對(duì)刮篩-滾圓制粒料制成更細(xì)的料，在更窄范圍篩分，可提高其冷壓精度。我們?cè)谶x擇冷壓方式時(shí)，需同步考慮制粒方式，這樣才能使生產(chǎn)更順暢。

5　結(jié)論

(1)兩種制粒方法，噴霧-高速攪拌法的制粒料實(shí)用球形度Ψw為0.902，優(yōu)于刮篩-滾圓法的0.821。

(2)刮篩-滾圓法制粒料，經(jīng)過篩分不會(huì)產(chǎn)生成分偏差，可使用多種成分配方，應(yīng)用范圍廣；噴霧-高速攪拌法制粒料經(jīng)過篩分，對(duì)于多成分配方可能產(chǎn)生成分偏差，因此更適合預(yù)合金化的粉料。

(3)制粒料的粒度范圍越窄，冷壓坯重量精度越好，在合適范圍內(nèi)，較細(xì)的粉料冷壓重量精度比粗的好，60～100目制粒料的冷壓重量精度比20～60目的要好。

(4)在臥壓工藝下，刮篩-滾圓法和噴霧-高速攪拌法的制粒料都能滿足生產(chǎn)重量精度要求；而在豎壓工藝下，噴霧-高速攪拌法的制粒料基本能滿足要求，而刮篩-滾圓法冷壓重量偏差較大。也可以說球形度越好，冷壓的重量精度越好。因此，在生產(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際情況，配套選擇制粒設(shè)備和冷壓方式，才能達(dá)到最好的效果。

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Research on the Effect of Granulating Particle on Volumetric Automatic Cold Pressing

LI Yun-hai1,2，XIE Zhi-gang2

(1.Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd，Guilin, Guangxi, China 541004;2.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.，Ltd,Guilin,Guangxi,China541004)

Granulating principle and features of screen scraping- spheronization and spray-high speed agitation granulator granulation are introduced in this article. Practical sphericity of the two types of granulating particles has been measured, the results are: 0.821 for screen scraping-spheronization type granules and 0.902 for spray-high speed agitation granules. Volumetric automatic cold pressing of granules of three types of particle size range has been compared. Result shows that cold press weight of granules of 60-100 mesh is the most stabilized. Influence of horizontal cold pressing and vertical cold pressing on granulating grits has also been compared. Both granulation methods can meet requirements under horizontal cold pressing conditions. Under vertical cold pressing conditions, larger weight deviation of cold-pressed compacts of screen scraping- spheronization type granules has been identified.

granules; particle shape index; volumetric automatic cold pressing; pressing direction

2016-03-12

李運(yùn)海(1979-)，男，工程師，從事超硬材料行業(yè)工作10余年。E-mail：lilinfun@163.com

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0011-07

引文格式：李運(yùn)海，謝志剛.制粒顆粒對(duì)容積式自動(dòng)冷壓的影響研究[J].超硬材料工程，2016，28(3)：11-17.