不同造粒工藝和粉末粒徑對(duì)混合粉料中金剛石分布均勻性的影響

關(guān)鍵詞 造粒工藝；松比；流速；形貌；粒徑；金剛石分布

中圖分類號(hào) TQ164;TF124文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào) 1006-852X（2025）02-0214-10

DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0191

收稿日期 2023-09-13修回日期2024-03-02

近年來，我國金剛石工具行業(yè)快速發(fā)展，其中粉末造粒工藝在金剛石工具生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[14]。造粒工藝是將粉末、熔融液、水溶液等物料經(jīng)加工制成具有一定形狀與大小的粒狀物5。隨著造粒工藝技術(shù)的不斷完善和市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，造粒和自動(dòng)冷壓設(shè)備在國內(nèi)金剛石工具行業(yè)中應(yīng)用廣泛4

隨著金剛石工具行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外一些規(guī)模較大的生產(chǎn)廠家逐漸采用新設(shè)備、新工藝，其中粉末造粒工藝逐漸被重視。雖然造粒粉末比未造粒粉末的流動(dòng)性大幅度提高，但松裝密度（即松比）卻有所下降；而造粒工藝與不同金屬粉末的松裝密度、造粒劑等的加入量息息相關(guān)；且粉末造?？朔私饎偸诜哿现械姆植疾痪鶆颥F(xiàn)象，可滿足冷壓工藝要求，并保障了燒結(jié)后金剛石工具胎體的力學(xué)性能等[6-12]

金剛石在胎體中的分布狀態(tài)對(duì)金剛石工具的性能有重要影響，兩者間關(guān)系密切，且粉料中金剛石的均勻性對(duì)胎體中金剛石的分布均勻性起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)金剛石工具中的金剛石處于隨機(jī)分布狀態(tài)，結(jié)合劑對(duì)其的把持也是隨機(jī)的，因而局部金剛石顆粒易受過大的沖擊力作用而脫落，影響金剛石工具的切割效率和使用壽命[13]。采用定量評(píng)價(jià)方法可較好區(qū)分金剛石在胎體中的分布情況[4]。但由于胎體粉末的制程工藝不同，粉末顆粒的形貌有較大差異，可引起金剛石在胎體中的偏析或局部富集，從而引起工具性能的變化[10.15]。如切割用金剛石繩鋸中金剛石易發(fā)生偏磨，導(dǎo)致繩鋸提前報(bào)廢，達(dá)不到預(yù)設(shè)壽命等[16-17]。相反，金剛石均勻分布可顯著提高金剛石工具的質(zhì)量與性能，且不同排布方式的金剛石工具切割性能差異較大。采用合理的金剛石定位排列方法，使金剛石在工其中得到充分利用，能顯著提高其鋸切效率和鋸切壽命等[18-21]

因此，為改善金剛石工具性能，提高其使用效率，延長其使用壽命，探討同一種預(yù)混合粉料在不同造粒工藝形成的不同粉末形貌和不同粉末粒徑，及其對(duì)混合粉料中金剛石分布均勻性的影響，以期改善后工序胎體中金剛石的分布均勻性。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以同種預(yù)混合粉料為原料，采用圓盤造粒、冷壓破碎造粒和擴(kuò)散破碎造粒3種不同的造粒工藝進(jìn)行造粒，混合粉料編號(hào)分別為A、B、C。

然后采用不銹鋼沖框標(biāo)準(zhǔn)篩篩分的方法，將每一種造粒工藝制備的粉料篩分成 180～380μm 、 120～ 180μm 1 75～120μm3 種粒徑區(qū)間的粉料，共得到9種不同狀態(tài)的粉料。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。表1中，篩分得到的9種粉料分別以 A₁～A₃ ！ B₁～B₃ ！ C₁～C₃ 命名。

將表1中9種不同狀態(tài)的粉料與金剛石混合，得到9種不同狀態(tài)的含金剛石混合粉料，分別以 A₁₁ ，A₃₃ 、 B₁₁～B₃₃， C₁₁～C₃₃ 命名，用以檢測(cè)含金剛石混合粉料中金剛石的分布均勻性。

1.2試樣制備

試樣制備過程包括預(yù)混合粉料制備、造粒、篩分、篩分后的粉料與金剛石混合。

（1）預(yù)混合粉料制備

預(yù)混合粉料的制備是將超細(xì)鐵粉（雅安世佳微爾，D₅₀ 為 2.5～3.5μm ）和 FeCu20 水霧化預(yù)合金粉（河南泰和匯金，粒徑為 120μm ）2種粉料，按質(zhì)量比為 2：3 稱量后（共 90kg ）混合均勻得到?；炝显O(shè)備為常州瞬干干燥設(shè)備有限公司的SYH-200L型三維運(yùn)動(dòng)混料機(jī)，混料時(shí)間為快速擋混合 120min 。

（2）預(yù)混合粉料造粒

將預(yù)混合粉料均分成3份，并以均分后的預(yù)混合粉為基礎(chǔ)進(jìn)行3種不同造粒工藝實(shí)驗(yàn)。

圓盤造粒是將 30kg 的預(yù)混合粉料勻速加入圓盤中，同時(shí)采用霧化噴出的方式間歇性地持續(xù)加入總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的造粒劑溶液，造粒劑溶液是由丙烯酸樹脂BR118（日本三菱麗陽“戴安娜”牌）與二甲苯溶劑以質(zhì)量比為 1：6 的方式攪拌溶解制備而成。在重力、離心力、物料間的機(jī)械嚙合及造粒劑黏接的綜合作用下，物料在盤內(nèi)做仿離心運(yùn)動(dòng)并沖擊擋板完成造粒，造粒持續(xù)時(shí)間為 140min ；將造粒后的粉料均分成3批次，每批次 10kg ，放入恒溫干燥箱中烘干，最后收集得到圓盤造粒粉料A。烘干設(shè)備為紹興市易誠儀器制造有限公司的101-3B型恒溫干燥箱，其功率為 4kW ，烘干溫度為 90^°C ，烘干時(shí)間為 50min 。圖1為圓盤造粒工藝流程。

冷壓破碎造粒是將 30kg 的預(yù)混合粉料通過模壁潤滑[22的方式冷壓成型得到圓柱狀胎體。冷壓設(shè)備為寧波匯眾粉末機(jī)械制造有限公司的FY300D型粉末成形壓機(jī)，冷壓方式為在成形機(jī)上裝上內(nèi)徑為 ?80mm 的模具，采用 2300kN 的壓力，每次將 700g 粉料壓制成1個(gè)圓柱狀胚體。圓柱狀胚體粉末顆粒間通過機(jī)械嚙合方式結(jié)合，再通過錘式破碎機(jī)得到冷壓破碎造粒粉料B。破碎設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室用小型 錘式破碎機(jī)，以 2.0～2.5kg/min 的投料速度進(jìn)行破碎，重復(fù)破碎3次。圖2為冷壓破碎造粒工藝流程。

擴(kuò)散破碎造粒是將 30kg 的預(yù)混合粉料分別放置在不銹鋼燒結(jié)舟中，每個(gè)燒結(jié)舟中放置 1kg 粉料，燒結(jié)舟規(guī)格為 180mm×180mm×20mm 然后在連續(xù)式網(wǎng)帶爐（臺(tái)灣詠昇YS-126型）內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散處理，使粉末顆粒通過擴(kuò)散的方式進(jìn)行黏結(jié)；再通過錘式破碎機(jī)得到擴(kuò)散破碎造粒粉料C。破碎設(shè)備為 型錘式破碎機(jī)，以 2.0～2.5kg/min 的投料速度進(jìn)行破碎，重復(fù)破碎2次。其中：擴(kuò)散處理是粉料在連續(xù)式網(wǎng)帶爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛 N₂ 與 H₂ 流量比為 9：1 ，溫度為 820‰ 保溫時(shí)間為 30min 的條件下進(jìn)行的粉末固化燒結(jié)。圖3為擴(kuò)散破碎造粒工藝流程。

（3）造粒粉料篩分

造粒粉料篩分采用不銹鋼沖框標(biāo)準(zhǔn)篩篩分的方法，其設(shè)備是河南省勇梅機(jī)械設(shè)備有限公司的YMS-200型振動(dòng)篩，總篩分時(shí)長為 20min20s （正轉(zhuǎn) 10min ，停止20s. ，反轉(zhuǎn) 10min ）。根據(jù)所需混料試樣粒度，選取篩框篩網(wǎng)孔徑分別為380、180、120和 75μm 的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。每次篩分總質(zhì)量為 2kg ，分批次篩分，共得到尺寸范圍為 180～380μm 、 120～180μm ！ 75～120μm 的9種不同狀態(tài)的粉料。

（4）篩分后的粉料與金剛石混合

將得到的9種不同狀態(tài)的粉料各取 2kg ，分別加人粒徑為 250～380μm 的中南ZND2280金剛石 100g 及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5% 的硬脂酸鋅（脫模劑），在SYH-10L型三維運(yùn)動(dòng)混料機(jī)中的快速檔混合 120min ，得到9種含金剛石的混合粉料。

1.3性能表征和測(cè)試方法

采用Phenom-WorldBV公司的PhenomProX掃描電鏡檢測(cè)不同造粒工藝下的混合料A、B、C的顆粒形貌。按《GB/T1479.1—2011金屬粉末松裝密度的測(cè)定第1部分：漏斗法》以及《GB/T1482—2022金屬粉末流動(dòng)性的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)漏斗法（霍爾流速計(jì)）》中的相關(guān)要求[23-24]，采用孔徑為 ?5mm 的漏斗，檢測(cè)篩分 A₁₁ ）A₃₃ 、 B₁₁～B₃₃ 、 C₁₁～C₃₃ 粉料的松比（即松裝密度）和流動(dòng)性。

采用圖4中的9點(diǎn)取樣法對(duì)桶內(nèi)含金剛石的混合粉料的上、中、下3層的每一層進(jìn)行9點(diǎn)取樣，3種工藝的含金剛石 樣品共取樣81組。然后對(duì)每一個(gè)樣品中的金剛石顆粒數(shù)人工計(jì)數(shù)，得出其實(shí)際總顆粒數(shù)。再使用精度為 的電子天平稱量每組粉末質(zhì)量，計(jì)算出金剛石的理論顆粒數(shù)，理論顆粒數(shù) ?=. 單組混合粉末質(zhì)量 × 每克混合粉料中金剛石理論質(zhì)量 ×5× 平均每克拉顆粒數(shù)。根據(jù)1.2“粉料與金剛石混合”中的配比，可以計(jì)算出每克混合粉料中金剛石理論質(zhì)量為 0.0474g 。且根據(jù)1.2“篩分后的粉料與金剛石混合”中的金剛石粒徑，對(duì)金剛石取樣5次，采用歐美克PIP9.1型顆粒圖像測(cè)定儀測(cè)量1ct金剛石中含有的顆粒數(shù)[25-26]，計(jì)算出平均每克拉的顆粒數(shù)為1386顆。最后對(duì)比實(shí)際金剛石顆粒數(shù)與理論金剛石顆粒數(shù)，求出其偏差值 δ， ，偏差值 δ= （實(shí)際顆粒數(shù)n₁- 理論顆粒數(shù) n₂ ）/理論顆粒數(shù) n₂×100% ，以偏差值的均值和極差作為含金剛石混合粉末中金剛石分布均勻性的判定依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1粉末顆粒形貌

圖5為圓盤造粒工藝得到的混合料A的掃描電鏡形貌。由圖5可以看出：采用圓盤造粒工藝制備的預(yù)混合粉末顆粒形狀呈仿球形，表面相對(duì)平整光滑，形似“土豆”。圖6為冷壓破碎造粒工藝得到的混合料B的掃描電鏡形貌。由圖6可以看出，采用冷壓破碎造粒工藝制備的預(yù)混合粉末顆粒呈不規(guī)則形狀且其表面可分辨出原始顆粒形貌。圖7為擴(kuò)散破碎造粒工藝得到的混合料C的掃描電鏡形貌。由圖7可以看出，采用擴(kuò)散破碎造粒工藝制備的預(yù)混合粉末顆粒形狀較復(fù)雜且不規(guī)則。

2.2松比和流速

分別檢測(cè)3種不同工藝造粒后篩分的 A₁₁～A₃₃， （204號(hào)B₁₁～B₃₃ C₁₁～C₃₃9 種混合粉料的松比和流速，具體檢測(cè)結(jié)果見圖8。從圖8可以看出：（1）對(duì)比不同造粒工藝，冷壓破碎造粒的粉料松比最高，圓盤造粒和擴(kuò)散破碎造粒的粉料松比差別不大。分析原因?yàn)槔鋲浩扑樵炝５姆勰┰诶鋲撼尚蜁r(shí)，粉末已經(jīng)發(fā)生位移和形變，靠粉末顆粒之間的機(jī)械嚙合結(jié)合，造粒后顆粒內(nèi)部各組分間的間隙小，排列更緊密，所以松比最高；擴(kuò)散破碎造粒的粉末擴(kuò)散時(shí)粉末處于松散狀態(tài)，故顆粒之間以弱擴(kuò)散燒結(jié)頸的方式結(jié)合，顆粒之間間隙偏大，排列較為松散;圓盤造粒因?yàn)樵炝r(shí)加入了 3% 的造粒劑，粉末顆粒通過造粒劑黏接在一起，顆粒未發(fā)生形變或形成燒結(jié)頸，因此粉末顆粒排列不是很緊密，且造粒劑本身亦占據(jù)一部分體積，導(dǎo)致圓盤造粒的松比低于冷壓破碎造粒的，而與擴(kuò)散破碎造粒的相接近。（2）在同種造粒工藝下，大顆粒的松比小，但隨著顆粒的尺寸減小，這種影響逐漸變小。分析為較大粉末顆粒更容易出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象且搭橋后間隙更大。（3）圓盤造粒的流速最大，且隨粒徑變小而變小，但冷壓破碎造粒的流速最小且變化不明顯，擴(kuò)散破碎造粒的流速變化居中。分析為同一種粉末的流速與松比和顆粒形貌的球形度有較大關(guān)聯(lián)，松比和顆粒形貌球形度越高，則流速越快。

2.3 金剛石分布

表2～表4分別為3種不同造粒工藝制備的含金剛石混合粉料中金剛石的分布檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖9為不同造粒工藝和粒徑分布條件下含金剛石混合粉料 A₁₁ ～A₃₃ 1 B₁₁～B₃₃ ！ C₁₁～C₃₃ 中的金剛石分布均勻性。結(jié)合表2、表3、表4與圖9可以看出：在同一造粒工藝條件下，均為 180～380μm 的混合粉料試樣中金剛石的分布均勻性最好；在同一粒徑區(qū)間條件下，均為擴(kuò)散破碎

3結(jié)論

研究同種預(yù)混合粉料在不同造粒工藝條件和不同粒徑下對(duì)混合粉料中金剛石分布均勻性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）不同造粒工藝獲得的顆粒形貌不同。圓盤造粒的粉末顆粒形貌是形似“土豆”的仿球形，冷壓破碎造粒的粉末顆粒形貌呈不規(guī)則形狀且表面可分辨原始顆粒形貌，擴(kuò)散破碎造粒的粉末顆粒形貌呈復(fù)雜的不規(guī)則形狀。

（2）在同種造粒工藝條件下，粒徑為 180～380μm 的混合粉料中金剛石（其原始粒徑為 250～380μm ）的分布均勻性明顯優(yōu)于粒徑為 120～180μm 和 75～120μm 的混合粉料的。

（3）在同一粒徑區(qū)間條件下，擴(kuò)散破碎造粒工藝制備的混合粉料中金剛石的分布均勻性明顯優(yōu)于圓盤造粒工藝和冷壓破碎造粒工藝制備的混合粉料中金剛石的分布均勻性。

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作者簡介

馬爭(zhēng)輝，男，1990年生。主要研究方向：粉末冶金制品。E-mail：mzh823816@163.com

通信作者：胡婷，女，1996年生，碩士。主要研究方向：超硬材料。

E-mail： 1255416147@qq.com

（編輯：周萬里）

Effect of different granulation processes and powder particle sizes on uniformity of diamond distribution in the mixed powder

MA Zhenghui， HU Ting， LUO Wen， FANG Zhi， LUO Feng（Changsha BetoNewMaterial Technology Co.，Ltd.，Changsha，China）

AbstractObjectives：With therapid development of diamond tool qualityand varieties，the requirements fordiamond tool properties are increasingly rigorous，and the uniformityof diamond distribution in diamond tools is an important index afecting its performance.The imperfect granulation process of mixed powder containing diamond is one of the reasons for the uneven distribution of diamond in diamond tools.By studying the secondary particle morphology obtained by diferent granulation processes and the influence of mixed powder with different particle sizes on the uniform distributionof diamond，the distribution uniformityofdiamond inthe mixed powder isimproved，soastoimprove the performance of diamond tols.Methods： Using the same premixed powder as raw material， tree different granulation processs—disk granulation，cold presscrushing granulation，and diffusion crushing granulation—were used to carry out experiments.The powdersofthe three granulation processs were sieved using stainless steel standard sieves， and the particle size samples of 180 to 380μm ，120 to 180μm ，and 75 to 120μm were obtained under the same process. The effects of diffrent granulation processes and different powder particle sizes on the distribution of 250 to 380μm （204號(hào) diamond in the same mixed powder were studied. At the same time，the nine-point sampling method was used to sample.The actual numbers of diamond particles in each sample were counted manually，the actual numbers of particles were compared with the calculated theoretical numbers of diamond particles and the deviation values were obtained. The averages and the ranges ofthe deviation values wereused to determine the uniformityof diamond distribution inthe mixed powder containing diamond. Results： （1）From the morphology of the powder particles， it can be seen that the circular granulation produces spherical-shaped powder，the cold press crushing granulation produces iregularlyshaped powder with distinguishable original particle morphology on itssurface，and the difusion crushing granulation produces irregularly complex shaped powder. （2）The loose packing ratio of powder produced by cold press crushing granulation is the highest， while the loose packing ratio ofpowder produced bydisk granulationand diffusion crushing granulation is not significantly diferent. Under thesame granulation processthe loose packing ratioof large particles is smaler，butas the particle size decreases，the influenceof particle size becomessmaller.The flowrateofdisk granulation is the highest and decreases with the decrease ofparticle size，butthe flowrate ofcold press crushing granulation is thelowestand the change is notsignificant，while the flowrate of difusion crushing granulation is in the middle. （3） Under the same granulation processconditions， the distribution uniformity of diamond in mixed powder samples of 180 to 380μm with three different granulation processes is the best. Under the same particle size range conditions， the distribution uniformity of diamond is the best in the mixed powder samples which are all difusion crushing granulation. Compared with the diamond distribution in the different particle size mixed powder of thethree methods of granulation process，the distribution of diamond controlled in the particle size interval of 180 to 380μm by diffusion granulation process is the best. Conclusions： The influences ofthe same kind of premixed powder on the distribution of diamond in the mixed powders under diferent granulation processconditions and different particle sizes is studied，andthe following conclusions are drawn： （1） The particle morphology of diffrent granulation processs is different. The powder particlemorphologyof disk granulation is a pseudo-spherical shape like \"potato\"，the powder particle morphology of cold press crushing granulation is iregular shapeand the surface can distinguish the original particle morphology，and the powder particle morphology of diffusion crushing granulation is complex iregular shape. （2） Under the same granulation process conditions，the distribution uniformity of diamond in the mixed powder with particle sizeof 180 to （204號(hào) 380μm （original particle size of 250 to 380μm， ） is obviously better than that of the mixed powders with particle size of 120 to 180μm and 75 to 120μm . （3） Under the condition of the same particle size range， the distribution uniformity of diamond in the mixed powder under the diffusion crushing granulation is obviously bettr than that underthedisk granulation process and the cold press crushing granulation process.

Key wordsgranulating process; apparent density; flowability; morphology; particle size; diamond distribution