金刚石工具胎体预合金粉末制取与应用

金刚石工具胎体预合金粉末制取与应用

摘要：金粉末是采用多种金属熔炼成低熔点合金后再喷制成的粉末，其制取可以用雾化法和湿法冶金等工艺生产。文中介绍了气体雾化法预合金粉末的工艺过程；描述了湿法冶金制取预合金粉末的工艺流程。分析了预合金粉末胎体金刚石工具的优点，说明了国外预合金粉末技术现状和发展趋势，剖析了国内预合金粉末及工具的研究情况，探讨了金刚石地质钻头胎体用预合金粉末的制取和实际应用情况，研究了切割花岗岩的预合金粉末胎体金刚石锯片。

关键词：合金粉末雾化法湿法冶金金剐石工具

1 预合金粉末和其金刚石工具性能

1．1 预合金粉末的概念

由一种金属跟另一种或几种金属或非金属所组成的具有金属特性的物质叫合金。合金一般由各组分熔合成均匀的液体，再经冷凝而制得。采用多种金属熔炼成低熔点合金后再喷制成的粉末，称为预合金粉末。

需要说明的是，上述预合金粉末的定义是根据粉末的雾化法生产工艺得出的，考虑到预合金粉末也可以通过湿法冶金工艺制取，这样上述定义就显得不很严谨。

1．2 预合金粉末制取方法

预合金粉末的制取可以用雾化法生产，还可以通过湿法冶金的工艺得到。

雾化法属于机械制粉法，是借助机械作用破坏固体金属原子间的结合，将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴。雾化法可以制取多种单质粉末和各种预合金粉末。雾化法包括二流雾化法，即借助高压水流或气流的冲击破碎液流，分气体雾化和水雾化；离心雾化法，即用离心力破坏液流，分旋转圆盘雾化，旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等；其他雾化法如超声波雾化，即利用超声波能量来实现液流的破碎。利用二流雾化法中的气体雾化工艺制取预合金粉末时，金属一般过热100～150℃，并注入预先烘烤到600℃左右的漏包中。金属液流直径4—6mm，空气压力5～7大气压。喷嘴可用环孑L或环缝喷嘴，环缝喷嘴用于喷制青铜时，在相同工艺条件下，过loo目的粉末产出率一般比环孔喷嘴高30％。雾化

粉末喷入干式集粉器，下部有水冷套，粗粉末直接从集粉器下方出口落到振动筛上过筛，中、细粉末从器内抽出，经集粉器沉降。更细的粉末进入风选器，抽风机的出口安装有布袋收尘器。

由于水比气体的粘度大且冷却能力强，水雾化法特别适于熔点较高的金属与合金以及制造压缩性好的规则形状粉末。

熔化用电炉可以是感应电炉，也可以是电弧炉。水雾化所使用的水压通常为35一100大气压，喷嘴以前用环形喷嘴，现在发展到使用板状流V型喷射的喷嘴。

压力高，水的流速快，流量大，金属液流直径小，过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金属液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得球形粉末：金属表面张力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，液滴飞行路程长等。

湿法冶金是指主要在水溶液中进行的提取冶金过程心。利用湿法冶金制取预合金粉末是在水溶液中析出具有一定化学成分和物理形态的化合物或金属，然后经过还原得到。利用湿法冶金制取粉末可以控制粉末粒度，因而可以生产超细粉末。

在《世界专利》中介绍了一种利用沉淀法制取适用于金刚石工具胎体的铁合金粉末旧J。该发明是通过沉淀草酸盐混合液，并对沉淀物进行分解来制备预合金粉末的。其具体工艺流程为：草酸盐配制溶液+混合溶液一搅拌溶液一滴加碱液-过滤溶液-滤饼洗涤-滤饼烘干-滤饼研碎-还原一预合金粉末。

1．3 预合金粉末胎体金刚石工具的特点

采用预合白眵沫作为金刚石工具的胎体，与机械混合单元素金属粉末相比，他具有以下几方面的优越：

(1)提高胎体的机械性能；

(2)改善胎体合金对金刚石的把持力；

(3)解决金属粉末的氧化、脏化问题；

(4)增强粉末的烧结活性降低烧结节省能源；

(5)简化生产工艺减少差错；

(6)防止技术流失遏制机密泄露；

(7)提高金刚石工具的质量，降低成本。

2 国内预合金粉末及工具的研究情况

目前国内真正生产和使用预合金粉末制造金刚石工具的企业并不很多。在很大程度上是生产预合金粉末的厂商仅根据自己的理解来制取预合金粉末，不了解金刚石工具胎体的设计机理，不知道金刚石工具厂家需要什么样的预合金粉末。而金刚石工具制造商知道自己需要什么性能的金刚石工具胎体，需要什么性能的预合金粉末，但苦于没有生产预合金粉末的能力，直接在粉末制造厂定点生产，又担心技术泄密和流失。这种现象严重制约了我国预合金粉末技术在金刚石工具行业的应用和推广。

3 预合金粉末配方设计

预合金粉末在钻头胎体中充当粘结剂的作用，在设计预合金粉末的合金成分时，应考虑以下几点要求：

(1)钻头烧结温度的高低主要取决于粘结金属熔点的高低，为了避免高温对金刚石造成热损伤，预合金粉末成分应该选择以低熔点金属为主。

(2)预合金粘结剂在一定烧结温度下应能刚好润湿胎体中的骨架成分和金刚石，而在外压力作用下又不能产生流失现象。

(3)在烧结过程中，预合金粘结剂与骨架成分若产生反应，则只能对胎体机械性能有利，只能对降低烧结温度有利，而不允许形成性能低劣的合金，和使液相消失不能全面去润湿骨架成份和金刚石，同时也不能对金刚石造成损伤。

(4)钻头烧结后的冷却过程，或在以后保存过程中，淬火或时效作用下，只能对钻头胎体机械性能有利，以保证钻头的质量不受影响。

(5)在钻头正常的工作温度下，预合金粘结金属应保证粘结物质层能承受胎体中硬质颗粒(骨架成分和金刚石)传给它的应力而不产生变形或位移。(6)根据地层的不同、使用条件的各异、钻进方法的区别，预合金粘结剂和骨架成分在品种和含量等方面应可适当调整，以适应不同的使用情况。

根据上述要求，作者设计了两种预合金粘结剂配方：第一种为cu—zn-Ni 系合金，为了进一步提高锌白铜的机械I生能和耐磨性能，可在Cu．zn—Ni系合金中加入锰，提高合金的强度和耐磨性，改善合金的工艺性能。第二种为锰白铜系合金，即cu．Ni-Mn系合金，为了调整钻头胎体的综合性能，可在Cu．Ni．Mn 系合金配方中，加入少量的其他金属元素，如Cr，可使钻头胎体材料显得硬而韧。