一种金刚石工具用改性超细低氧水雾化合金粉末制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于粉末冶金领域，涉及一种金刚石工具用改性超细低氧水雾化合金粉末 的制备方法。其特点在氧含量低于2000ppm，D50是3-8微米，球形化颗粒，粉末粒度正态分 布。经过碳化物形成元素以及稀土元素改性，合金具有更高抗弯强度和对金刚石的把持力。
【背景技术】
[0002] 金刚石工具广泛应用于石材、建材、耐火材料、陶瓷、半导体、磁性材料、复合材料 等硬脆材料的加工，绝大多数采用混合金属粉末或者预合金粉末为粘结剂，与金刚石颗粒 混合热压烧结制造。
[0003] 粘结剂烧结形成的胎体耐磨性要求和被加工对象材质匹配。如果耐磨性过高，虽 然工具使用寿命提升，但是加工效率会下降，甚至导致工具不能使用；同理，耐磨性过低，虽 然工具加工效率提高，但工具的使用寿命相应缩短。
[0004] 金刚石工具同时对其使用过程中的加工效率和寿命都有严格要求，这就要求作为 胎体的金属粉末性能必须同时兼顾这两个方面。胎体耐磨性受到所用粉末成分、氧含量、粒 度组成、烧结体抗弯强度、硬度、夹杂等多种因素影响。
[0005] 金刚石工具要求的胎体抗弯强度需要大于900MPa，否则胎体韧性不足，在加工过 程中容易碎裂导致工具失效。一般而言，抗弯强度越高胎体对金刚石的把持力越好。Fe、 Ni、Cu、Sn等元素的复合配方在金刚石工具领域具有较高的性价比，但其烧结体抗弯强度均 在1400MPa左右；在用于加工相对较软和一些中硬材质的对象时，经常出现耐磨性过高使 得出露的金刚石破碎后，胎体未能与金刚石同步磨损，导致工具加工效率低下的情况；尤其 是通过熔炼预合金化的水雾化粉末，这一缺陷表现的更加明显；针对这一问题，增加胎体中 的脆性相是一个有效方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是通过在预合金粉末的成分设计中引入Si，碳化物形成元素，以及 稀土元素，在烧结体组织中形成适量的脆性相Fe-Si金属间化合物，碳化物，以及YSi 2，提高 烧结体抗弯强度，使胎体具备适中的耐磨性，同时满足金刚石工具对于加工效率和使用寿 命的要求。
[0007] 为实现上述目的，本发明的合金粉末成分设计配比为：Cu :27~67 %，Ni :1~ 10%，Sn :1~10%，Si :0· 05~8%，碳化物形成元素 Ti :1~15%，Cr :1~20%，稀土元素 La :0.03~5%，Y :0.03~5%;Fe余量。粉末氧含量小于lOOOppm。制造方法包含：冶炼、 水雾化、压滤脱水、真空干燥、还原、筛分、合批、真空包装等工艺。具体其操作步骤如下：
[0008] 1)冶炼：采用中频感应炉冶炼，其功率控制在180~240KW之间；炉衬材质为镁 砂，在熔炼过程中要严格控制各金属材料的加入顺序及时间，先加入Fe和Ni，融化大半时 加入Cu，化清后加入Si和Sn ;最后按顺序加入Cr，Ti，La，Y。采用生石灰造渣，完全覆盖合 金溶液表层，5~15分钟时间保温脱氧。然后控制钢液温度在1550~1640°C之间扒渣后 雾化；
[0009] 2)水雾化：采用两组喷嘴正交双V形二级雾化的方式；两组喷嘴的安装位置在 水平面的连线相互垂直；一级雾化夹角为40±Γ，雾化水流量二级雾化夹角为30±Γ ; 中间包钢液下行直径3~7mm，第一级雾化喷嘴的雾化水流量控制在40-80L/min，雾化 压力100-120MPa ;第二级雾化喷嘴的雾化水流量控制在40-60L/min，雾化压力控制在 6〇-95MPa〇
[0010] 3)压滤脱水：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。
[0011] 4)真空干燥：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，启动真空栗，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，加热温度40~120°C。
[0012] 5)还原：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，氢气比例 高于75%。还原温度为560~620°C，粉末在还原炉等温区匀速推进，还原时间为30~60 分钟。
[0013] 6)筛分：按照所需求粒度选择相应-200目、-300目或者-400规格的筛网进行筛 分。
[0014] 7)合批：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。
[0015] 8)真空包装：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。
[0016] 在本发明中，原料采用纯度大于99. 95%的纯铁、电解铜板、电解镍板、锡锭和单质 硅块、单质Cr块、电解Ti板、单质La、单质Y ;配方中铁和铜为基础成分；加入镍的目的是固 溶强化，提高粉末烧结体的硬度、抗弯强度，从而提高对金刚石颗粒的把持力，提高金刚石 工具的使用寿命。如果镍含量过低，强化效果不明显，工具寿命不足；如果镍含量过高，烧结 体硬度及耐磨性过高，会导致金刚石工具自锐性差，锋利度不足，加工效率低下。加入锡的 目的是降低合金粉末熔点及粉末烧结温度，如果含量过低，达不到理想效果；如果锡含量过 高，在热压烧结过程中会过早出现液相，降低模具使用寿命，同时导致烧结密度不足。加入 硅的目的是形成脆性相Fe-Si金属间化合物，在保证烧结体韧性的情况下提高工具的锋利 度；如果加入硅含量过高，会导致烧结体变脆，韧性不足，工具无法使用；如果加入量过低， 则无法起到材料改性的作用。加入稀土元素 Y的目的是在粉末组织中形成弥散细小的YSi2， 起到了弥散强化效果。加入La的目的是烧结时抑制晶粒长大，并起到固溶强化作用，提高 合金抗弯强度。加入Ti，Cr的目的在金刚石表面形成TiC，Cr 3C2的金属间化合物，增加与 金刚石的化学结合，并均匀分布于晶界表面，提高合金的晶界结合力。
[0017] 与其他预合金粉末相比，本发明所制备的合金粉末具有超细粒度，低氧含量的特 点，因此具备良好的低温烧结温度性能，并且烧结温度范围较宽：在760°C~880°C范围内 均可热压烧结，并且烧结致密度达到99%以上，由于改性元素的添加，使烧结块的抗弯强度 大于1900MPa。以其制造的金刚石工具，工具使用寿命和加工效率均显著地提高。
【具体实施方式】 [0018] 1.
[0019] 使用工业生产用250kg炉容量的中频感应冶炼炉，炉衬材质为镁砂，使用原料及 重量如下表1 :
[0020] 表1.原料使用种类和配比表（实施方式1)
[0021]
[0022] 原料加入顺序如下：
[0023] 第一步：加入纯铁，在纯铁中间插入Ni板，功率控制在230KW，熔化开始。
[0024] 第二步：熔化大半时，加入Cu板。
[0025] 第三步：Cu板熔化后加入Si锭和Sn锭。
[0026] 第四步：加入Cr锭，Ti板，La和Y粉
[0027] 原料熔化后，在金属熔液表面用石灰覆盖，10分钟后石灰熔化，开始扒渣。测量熔 液温度，当温度达到1580°C时启动高压水栗，向雾化桶内充氮气，调节雾化压力为lOOMPa， 倾倒熔液进入中间漏包开始雾化。雾化后的水粉混合