金刚石制品用FeCuSn基复合合金粉末及其制备方法与流程

本发明属于金属材料粉末冶金的
技术领域：
，具体涉及一种金刚石制品用的fe-cu-sn三元预合金粉末的成分设计、水雾化制备方法及其与超细cr3c2、超细mo2c间的功能化组合应用。
背景技术：
：金刚石制品广泛应用于石材加工、陶瓷加工、建筑施工等众多应用领域，其中，金属结合剂制品的消费量约占全部制品消费量的85％左右。金属结合剂按成分类别划分主要有铁基、铜基及钴基，其中钴基结合剂的综合性能最佳，但价格也最为昂贵。铜基结合剂的突出特点是导热快、易于磨损剥落而促进金刚石快速出刃，但对金刚石的润湿性差、把持力不足，工具寿命短。而铁基结合剂的突出优点是价格低，可大幅度降低工具的制作成本；其突出缺点是烧结温度高、烧结胎体耐磨性强、粉末质量稳定性差。目前，铁基金属结合剂分为单质粉末体系及合金粉末体系，单质粉末体系是以fe粉为主，配合一定比例的cu、ni、sn、zn粉末，组成单质粉末的混合体系进行烧结，烧结胎体的合金化程度有限，且胎体性能因受多种粉末质量因素的影响而波动，极大的限制了金刚石制品性能的提升。为了提高烧结胎体的合金化程度及机械性能，多种预合金粉末得到了广泛的开发推广，合金粉末的生产方法包括化学共沉淀法、水雾化法及机械球磨法等。化学共沉淀法粉末通常为fe-cu-ni、fe-cu-co等合金体系的超细粉末，专利cn107243644a公布了一种化学共沉淀法制备的fe-cu-ni-sn四组元预合金粉末，元素配比为48％～50％cu、28％～30％fe、8％～10％ni、8％～10％sn,合金粉末具有良好的机械性能，但因生产成本较高导致价格偏高，使其应用受限。机械球磨法制备合金粉末，具有设备简单、操作方便、粉末的冷压成型性好等优点。专利cn102133640a公布了一种用铁基预合金粉末制备金刚石刀头的方法，将质量百分比分别为55％～75％的fe粉、1％～20％的cu粉、1％～10％的ni粉、1％～10％的w粉、1％～10％的mo粉、1％～10％的ti粉、1％～10％的炭黑、0.5％～10％的b4c粉均匀混合后在惰性气体保护下进行高能球磨,球磨20～40小时,得到铁基预合金粉末，对粉末进行钝化处理并与金刚石混合后高温烧结制备金刚石刀头。但此种方法存在着球磨时间长而导致生产效率低、单批次的生产量小、元素间的互扩散合金化能力有限、球磨后的粉末氧含量高、质量稳定性差等缺点，在工业规模化生产中极少应用。水雾化预合金粉末因批量大、成本低、性能稳定性好而成为市场应用量最大的一类合金产品。在众多的水雾化预合金粉末中，基础的fe-cu二元合金粉末，如fe80cu20、fe70cu30等，价格低，消费量最大。但存在的突出问题是烧结温度高(850℃以上)、烧结胎体的耐磨性过强而影响金刚石的出刃高度，从而极大的限制了金刚石工具锋利度的提升，而锋利度则是金刚石工具的核心性能要素。专利cn106048393a公开了一种金刚石工具用胎体粉末中加入少量cr、zr的fecu30水雾化预合金粉末的制备方法，先在石墨坩埚中熔化铜、锆而制备铜-锆合金锭，再将纯铁、铜块及预制的铜-锆合金锭块在中频感应炉中加热熔化，然后采用水雾化装备及工艺制取fecu30预合金粉末。此方法中的铬、锆均为易氧化元素，在水雾化制粉过程中极易氧化而导致粉末的质量稳定性难以控制，同时，此种预合金粉末仍存在烧结温度高、金刚石工具锋利度的调整难度大的问题，这也是此类粉末在金刚石制品行业中存在的普遍问题，亟待解决。因此，降低烧结温度，改变fe-cu类水雾化预合金粉末的物相结构，在保持烧结胎体具有合适的致密度、烧结强度而不失胎体对金刚石的把持力的前提下，弱化胎体的磨损性，提高金刚石的快速出刃能力，从而提高金刚石制品的锋利度，是fe-cu类水雾化预合金粉末需要克服的应用瓶颈和今后的重点发展方向。本发明在fe-cu二元水雾化预合金粉末中添加适当比例的sn，可以显著降低烧结温度、弱化胎体磨损性而促进金刚石快速出刃，提高金刚石工具的锋利度，但也存在着烧结胎体易于发生粉末烧结粗化长大，又会引发因胎体组织晶粒粗大而增加耐磨性的倾向，进而影响工具锋利度的提升。为此，将fe-cu-sn三组元水雾化预合金粉末与一定比例的超细cr3c2和mo2c混配应用，超细碳化物可以弥散细化烧结胎体，阻止合金粉末颗粒间的烧结粗化，保持三元合金粉末既有的易磨损特性而有利于提高金刚石工具的锋利度。由此，实现fe-cu-sn三元水雾化预合金粉末与超细cr3c2、mo2c的功能化组合，满足金刚石制品行业对工具锋利度提升的发展需求。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种fe-cu-sn三组元水雾化预合金粉末与超细cr3c2、超细mo2c的功能化组合的设计及其生产方法。本发明采用的技术解决方案是：一种用于金刚石制品的fe-cu-sn预合金粉末，包括以下组分：重量份数为64％～77％fe、20％～30％cu、3％～6％sn；然后将占总重量份数1％～5％的粒度为2～4μm的超细(cr3c2、mo2c粉末与fe-cu-sn三组元水雾化预合金粉末一同混配均匀，形成可有效调节烧结胎体磨损性的功能化粉末组合体。具体的技术方案如下。一种金刚石制品用fecusn基复合合金粉末，其特征在于，组分有fe-cu-sn预合金粉末和超细添加剂粉末；所述的fe-cu-sn预合金粉末，按重量份数为64％～77％fe、20％～30％cu、3％～6％sn；所述的超细添加剂粉末，为cr3c2或/和mo2c，占fecusn基复合合金粉末总重量的1％～5％。所述的超细添加剂粉末，粒度为2～4μm。所述的cr3c2和mo2c，按重量计cr3c2大于等于fecusn基复合合金粉末总量的0.2％，余量为mo2c。一种金刚石制品用fecusn基复合合金粉末的制备方法，包括以下步骤：依次将fe、cu、sn加入到中频感应熔炼炉中,通电熔炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉进行熔炼脱氧，调整钢液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，钢液通过包底漏眼后所形成的液流柱被高压水击碎，在充有氮气保护的条件下雾化成粉末，雾化结束后的粉末用真空抽滤脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后用氢氮混合气还原，将还原后粉末用筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合；添加超细添加剂粉末cr3c2或/和mo2c在三维混料机中混配均匀，得到fecusn基复合合金粉末。所述的氢氮混合气还原，在步进式推舟还原炉中进行；所述的氢氮混合气，氢气占的体积比为75％；所述的氢氮混合气还原温度为620～750℃。所述的步进式推舟还原炉中推舟量为5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。所述的筛网为300目筛网。本发明的有益效果是：本发明提供了一种金刚石工具用fe-cu-sn预合金粉末及其制备方法，本发明采用高温液态熔炼及高压水雾化方法，生产制备三组元铁基预合金粉末，在粉末颗粒内部形成fe、cu、sn原子团簇的均匀机械混合体，以fe为主，可降低生产成本；软质cu相即可弱化粉末烧结体的耐磨性而有利于提高锋利度；低熔点sn的加入，可有效降低粉末烧结温度，促进烧结致密化并增加烧结胎体的脆性磨损性能而改善工具的锋利度。但此类粉末在实际应用过程中也存在着高温烧结时粉末颗粒间易长大粗化而增强胎体的耐磨性，降低金刚石的出刃高度及速度，进而影响工具锋利度的提升。因此，混配弥散分布的超细cr3c2、mo2c可以阻碍预合金粉末颗粒间的粗化长大，细化烧结胎体组织，并且，碳化物颗粒与金属粉末颗粒间的界面结合力弱于同质的金属粉末颗粒间的界面结合力，在胎体的连续磨削过程中可先于金属基体剥落，进而促进金属胎体的快速磨损剥落而明显提高金刚石工具的锋利度，可很好满足以锋利度为核心要求的金刚石工具的工程使用要求。附图说明图1为实施例1的水雾化fe-cu-sn预合金粉末颗粒sem形貌图。图2为实施例1的fe-cu-sn粉末烧结组织及其包镶金刚石的sem图。图3为实施例7的fe-cu-sn合金粉末+3％超细cr3c2粉末所制备的烧结胎体组织及其对金刚石包镶的sem形貌图图4为实施例9的fe-cu-sn合金粉末+3％超细mo2c粉末所制备的烧结胎体组织及其对金刚石包镶的sem形貌图具体实施方式实施例1fe-cu-sn预合金粉末的制备(1)使用容量250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为64％fe、30％cu，6％sn，配制总重量为200kg的炉料，原材料投料重量如下表1：表1实施例1的原材料及投料重量配比原料fe块电解cu板sn块总重重量(kg)1286012200依次将fe、cu、sn加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为620～750℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表2：表2实施例1产品性能检测实施例2fe-cu-sn预合金粉末的制备(2)使用容量为250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为70％fe、26％cu，4％sn。投料总量200kg，原材料及重量配比如下表3：表3实施例2的原材料及投料重量配比原料fe块电解cu板sn块总重重量(kg)140528200依次将fe、cu、sn加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％的碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为620～750℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表4：表4实施例2产品性能检测实施例3fe-cu-sn预合金粉末的制备(3)使用250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为69％fe，28％cu，3％sn，投料总重200kg，原材料及投料重量如下表5：表5实施例3的原材料及投料重量配比原料fe块电解cu板sn块总重重量(kg)138566200依次将fe、cu、sn加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为620～750℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表6：表6实施例3产品性能检测实施例4fe-cu-sn预合金粉末的制备(4)使用250kg炉容量的中频感应冶炼炉，成分配比为77％fe，20％cu，3％sn。投料总量200kg，原材料及投料重量如下表7：表7实施例4的原材料及投料重量配比原料fe块电解cu板sn块总重重量(kg)154406200依次将fe、cu、sn加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为620～750℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有325目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表8：表8实施例4性能检测实施例5fe-cu-sn预合金粉末的制备(5)使用250kg的中频感应冶炼炉，成分配比为66％fe，28％cu，6％sn。投料总量200kg，原材料及投料重量如下表9：表9实施例5的原材料及投料重量配比原料fe块电解cu板sn块总重重量(kg)1325612200依次将fe、cu、sn加入到中频感应炉中,通电熔化并精炼，加入熔炼物总重量0.2％碳粉脱氧，调整熔液过热度为150～200℃时，倾倒入中间包中，熔液通过包底漏眼后，被高压水击碎，在充有氮气保护的雾化桶内雾化成粉末。雾化结束后的粉末用真空抽滤的方式充分脱水，装入干燥箱内干燥3～8小时，然后在步进式推舟还原炉中用氢氮混合气(氢气占75％)还原。设定还原温度为620～750℃，5～10kg/舟，推进速度为5～10分钟/舟。将还原后粉末用装有300目筛网进行筛分，筛下物装入粉末合批机中进行充分混合，合批粉末放出，检测合格后按5kg/袋真空包装。最终检测结果如表10：表10实施例5产品性能检测实施例6fecusn基复合合金粉末的制备(1)采用实施例1所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为0.5％的超细cr3c2粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化fecusn基复合合金粉末，原材料及投料重量见表11：表11实施例1预合金粉末与0.5％超细cr3c2粉末混配重量原材料实施例1预合金粉末超细cr3c2粉末重量(kg)99.50.5对fecusn基复合合金粉末进行烧结测试，测试结果见下表12：表12实施例6混合后的功能化复合粉末的检测指标实施例7fecusn基复合合金粉末的制备(2)采用实施例1所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为3％的超细cr3c2粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化fecusn基复合合金粉末，原材料及投料重量见表13：表13实施例1预合金粉末与3％超细cr3c2粉末混配重量原材料实施例1预合金粉末超细cr3c2粉末重量(kg)973对fecusn基复合合金粉末进行烧结测试，测试结果见下表14：表14实施例7混合后的功能化复合粉末的检测指标实施例8fecusn基复合合金粉末的制备(3)采用实施例1所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为5％的超细cr3c2粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化fecusn基复合合金粉末，原材料及投料重量见表15：表15实施例1预合金粉末与5％超细cr3c2粉末混配重量原材料实施例1预合金粉末超细cr3c2粉末重量(kg)955对fecusn基复合合金粉末进行烧结测试，测试结果见下表16：表16实施例8混合后的功能化复合粉末的检测指标实施例9fecusn基复合合金粉末的制备(4)采用实施例3所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为3％的超细mo2c粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化fecusn基复合合金粉末，原材料及投料重量见表17：表17实施例3预合金粉末与3％超细mo2c粉末混配重量原材料实施例3预合金粉末超细mo2c粉末重量(kg)973对fecusn基复合合金粉末进行烧结测试，测试结果见下表18：表18实施例9混合后的功能化复合粉末的检测指标实施例10fecusn基复合合金粉末的制备(5)采用实施例4所制备的水雾化预合金粉末与添加重量比例为0.5％的超细cr3c2粉末及重量比例为0.5％的超细mo2c粉末在三维混料机中混合2h，混料总重100kg，形成功能化fecusn基复合合金粉末，原材料及投料重量见表19：表19实施例4预合金粉末与超细cr3c2+、mo2c粉末混配重量原材料实施例4预合金粉末超细cr3c2粉末超细mo2c粉末重量(kg)990.50.5对fecusn基复合合金粉末进行烧结测试，测试结果见下表20：表20实施例10混合后的功能化复合粉末的检测指标实施例11fecusn基复合合金粉末的应用(1)采用实施例7所配制的功能化fecusn基复合合金粉末烧结制备φ105mm的花岗岩干切小锯片，锯片配方为：72％实施例7所配制的复合粉末、23％电解cu粉、5％sn粉，采用粒度为40/45目、强度为d60、体积浓度为9％的金刚石，在具有还原气氛的钟罩炉中840℃热压烧结制成。锯片干切厚度为1.7cm、莫氏硬度为6～8的中硬花岗岩板材，连续切割平稳，切割速度可达1.31米/分钟，而同类产品的速度通常为0.9～1.1米/分钟，本实施例产品的锋利度较同类产品提高19％以上，特别是连续切割锯片可始终保持平稳的锋利度而不发生切割衰减现象，可很好的满足实际工程应用需求。锯片的切割寿命98米，也达到了同类产品水平。实施例12fecusn基复合合金粉末的制备(2)采用实施例7所配制的功能化fecusn基复合合金粉末，热压烧结制备φ350mm中径花岗岩锯片，锯片刀头规格为40mm×15mm×3.2mm，刀头配方为81％实施例7所配制的复合粉末、15％电解cu粉、2％sn粉、2％zn粉，烧结温度为830℃；采用粒度为40/45目、强度为d60、体积浓度为25％的金刚石，在自动桥式切割机上连续湿切厚度为2.5cm、莫氏硬度为7～8的花岗岩板材。锯片的切割速度可达6.7～7.6米/分钟，锋利度较同类产品的5.0～5.5米/分钟提高15％以上，体现出本实施例产品对锯片锋利度的改善具有明显的提升作用。锯片的切割寿命为260米，较同类产品180～210米的使用寿命提高了23％以上。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12