預合金化金屬粉末、其獲得方法和使用其製備的切割工具的製作方法

2023-09-23 07:23:10

專利名稱：：預合金化金屬粉末、其獲得方法和使用其製備的切割工具的製作方法
技術領域：
：本發明涉及預合金化金屬粉末領域，由該預合金化粉末製成金剛石切割工具例如用於鋸的鋸片(segment)以及用於製備切割硬質材料如花崗巖的線鋸(HI)的串珠(perle)。
背景技術：
：通常由含有約20%碳化鴒和約80%鈷的細粒製備用於製造金剛石串珠的金屬粉末。將該細粒與金剛石混合併壓製成環形，並根據兩種可能的方法對生坯部件進行燒結。在第一種情形中，用每個配備有鋼套管的生坯部件填充石墨模具，然後在常規熱壓的壓力下進行燒結。然而，由於金剛石串珠的特殊形式-石墨模具具有複雜的幾何形狀且購買昂貴，還更因為必須對它們定期進行更換；-因為難以用生坯部件和環形物來填充模具，所以必須手工進行填充，這在人力方面涉及高成本；-為了獲得均勻燒結的金剛石串珠，限制每個模具中燒結的串珠數目為幾十個部件，這意味著生產率低。在第二種情形中，具有其鋼套管的生坯部件在靜態或傳送式窯爐中進行自然燒結，也稱為"自由燒結"(不使用模具)。然而，在這種燒結後，基於鈷和碳化鴒的串珠不能充分緻密化。需要第二熱處理，其必須在1500-2000巴高壓下操作的窯爐中進行，以實現串珠的熱等靜壓壓制。購買和維護這種窯爐是昂貴的。因此，在任何情形中，就原料和製備過程兩方面而言，這些方法是非常昂貴的。
發明內容首先，本發明的目標是獲得成本相對適中的預合金化金屬粉末，且該預合金化金屬粉末與成本顯著低於現有方法的金剛石串珠製備過程相容，特別是由於無需模具而進行的自然燒結仍允許獲得足夠高性能的產品，特別用於切割花崗巖。同樣，這樣的粉末也應適於製備用於較低要求用途的其它類型切割工具。為此，本發明涉及預合金化金屬粉末，特別是通過燒結製備切割工具，特徵在於以重量百分比計其組成是formulaseeoriginaldocumentpage6餘量是來自其製備的雜質。該預合金化金屬粉末顆粒的費氏(Fisher)直徑優選1-3jam。優選地，該預合金化金屬粉末由這樣的粉末和至少一種助燒結添加劑的混合物構成，比例為80-90重量％粉末和10-20重量°/。助燒結添加劑。助燒結添加劑優選為鐵、鎳、銅或鈷的磷化物、或至少兩種這些磷化物的混合物、或至少兩種這些金屬的混合磷化物。優選通過混合第一粉末和第二粉末及任選的燒結添加劑來獲得該粉末，所述第一和第二粉末各自具有以下特徵-對於第一粉末formulaseeoriginaldocumentpage6餘量是來自其製備的雜質，-對於第二粉末*Fe=75-80%*Co"%*Cu-17-22%*(Kl%餘量是來自其製備的雜質。優選地，第一粉末顆粒的費氏直徑為0.8-1.5jam，第二粉末顆粒的費氏直徑為3.0-4.Oium，且混合後獲得粉末的費氏直徑為1-3|iim。本發明還涉及製備金剛石切割工具的方法，特別包含混合預合金化金屬粉末與金剛石的步驟、冷壓該混合物的步驟和燒結所述壓制混合物的步驟，特徵在於所述金屬粉末是上述類型的粉末。燒結優選為自然燒結。所述工具可以是用於金剛石鋸的切割鋸片。所述工具可以是切割線鋸的金剛石串珠。所述粉末可以是上述類型粉末。本發明還涉及包括固定在金屬盤周邊的切割鋸片的金剛石鋸，特徵在於通過上述方法獲得所述鋸片。本發明還涉及包括穿在絲線上的金剛石串珠的切割線鋸，特徵在於通過前述方法獲得所述串珠。如已經理解的，本發明基於使用精確組成的預合金化粉末，該組成基於鐵、鈷和銅。已發現，未使用高比例非常昂貴元素的這種粉末，能夠通過簡單自然燒結，即通過能夠以高生產率進行且經濟的方法製備性能非常高的金剛石切割工具(鋸和串珠)。還提供了獲得該粉末的方法，使得能夠由所迷粉末獲得具有特別高標準的燒結產物。具體實施方式通過閱讀下面的說明將更好地理解本發明。根據本發明的預合金化粉末必須特別滿足下列要求。對於700MPa最大冷壓力，由該粉末獲得的生坯部件的相對密度必須至少為60%。優選地，該粉末必須易於以63-450pm的粒級進行造粒，該粒級最適於填充用於製備金剛石線鋸串珠的冷壓鋼模具。在傳送式窯爐(對於連續生產)中或在靜態窯爐(對於分批生產)中在850-1100C下自由燒結後，優選地，所獲部件的相對密度必須為至少97%。必須能夠使用該粉末生產在燒結後硬度至少為220HB的部件，使得它們能夠用於切割花崗巖。據發現，根據本發明藉助於具有以下特徵的預合金化粉末實現了這些及上述目標。該粉末的組成(以重量％計)是-Fe-48-52%-Co-14-19%-Cu=32-37%-(K1.2%，餘量是來自其製備的雜質。優選地，顆粒的平均費氏直徑(根據標準ISO10070測量，通過在穩態流動條件下測量粉末床的透氣性來測定包絡-比表面積)為1-3jam。優選地，該粉末的典型理論密度為8.4g/cm3。特意調整鐵和鈷含量之間的比例以避免形成硬質且弱化的oc'相，該相在Fe/(Fe+Co)重量比為30-70°/。時形成。根據本發明，該比例為72-78%,因此避免了a,相。添加的銅量足以獲得好的燒結。保持氧含量最多為1.2。/。以免存在氧化物，該氧化物在自然燒結過程中並不能完全被氫還原。這樣的未被還原的氧化物將降低生坯部件的可燒結性，將導致燒結部件結構中的不均勻性，將增加部件硬度及因此增加易碎性，以及將至少在表面上與金剛石反應並使其破壞。因此將降低工具的切割性能。特別地，能夠以兩種不同的方式獲得該粉末。根據第一製備方法，直接通過常規溼法冶金路線製備具有所需組成和形態特徵的粉末。溼法冶金路線包括首先藉助於氫氧化鈉、金屬氯化物混合物通過沉澱製備金屬氫氧化物，其根據反應xCuCl2+yFeCl3+zCoCl2+(2+t)NaOH—CuxFeyCoz(OH)2+2NaCl+tNa0H，其中x+y+z=l，t是相對於化學計量比的過量NaOH量。x、y和z的比例相應於在最終粉末中將存在的Cu、Fe、Co含量之間的原子比。然後進行固-液分離，之後用軟化水清洗氳氧化物濾餅以除去NaCl。然後將濾餅置於乾燥器中以獲得殘餘水含量為若干y。的共沉澱氫氧化物粉末。然後對氫氧化物粉末進行還原以將其轉變成預合金化金屬粉末。優選在傳送式窯爐中在H2下進行還原，根據CuxFeyCoz(OH)+H2—Cux+Fey+Coz+H20。在還原之後，在研磨機中在惰性氣體下研磨預合金化粉末，然後以90nm進行篩分。根據第二製備方法，通過混合兩種具有不同組成的粉末(所述粉末也是由溼法冶金分別獲得)製備根據本發明的粉末。表1顯示了有待使用的兩種粉末的組成表l:使用的粉末I和II的特徵。元素粉末I粉末II鐵(%)27-3275—80鈷(%)24-28《5銅(％)42-4717-22氧(w《1《1優選的費氏直徑(jum)0.8-1.53.0—4.0混合物的優選費氏直徑(|im)l-3令人驚訝地看到，與使用根據所述的第一製備方法直接通過溼法冶金方法獲得的粉末相比，當通過混合兩種粉末i和n(粉末比例使得總體上能夠獲得具有規定特徵的粉末)製備根據本發明粉末時，從幾個頁方面而言該燒結產生了更好的結果。通常，相對比例約60-40重量。/。的粉末i和n的混合物允許生產根據本發明的粉末。在已獲得根據本發明的粉末後，能夠直接使用或能夠通過現在將要描述的常^L方法使其形成細粒形式。隨後能夠使用該細粒製備特定的金剛石工具，例如金剛石線鋸和小厚度的金剛石鋸片。在高剪切力造粒器中，將要造粒的預合金化粉末與有機粘結劑粉末以及有機溶劑進行混合，其中有機粘結劑的比例為要造粒的粉末量的2-3重量％。在造粒步驟後，通過蒸發除去溶劑。最後，在具有兩種疊置布的振動篩上對細粒進行連續篩分，所述疊置布的篩孔尺寸不同(例如第一種為450jum,第二種為63jLim)。然後選擇直徑63|im-450jum部分。更細或更粗的細粒在隨後造粒操作期間-故再次利用。還推薦向粉末添加一種或多種添加劑，其允許燒結部件硬度增加。已經發現已知用於此目的的常規添加劑例如碳化鎢在本發明範圍內無效，因為它們降低燒結的緻密化，因此降低部件的硬度，這與所需的結果相反。已經發現，碳化鵠不溶於根據本發明的粉末中，因此不能與金屬基質進行冶金結合。相反，已經發現磷化鐵允許獲得出色的結果；鎳、銅和鈷的磷化物同樣也是令人感興趣的。已經對根據本發明的粉末進行自然燒結試驗，該試驗已經顯示通過上述粉末I和II的混合物獲得的粉末相對於直接通過單獨溼法冶金處理獲得的粉末具有優勢。通過上述溼法冶金方法製備了直接獲得的粉末("直接粉末")，即通過在Co和Fe的氯化物的混合物中添加NaOH，在乾燥器/微粉機中乾燥由此獲得的氫氧化物，在660X:進行還原，並在氮噴射研磨機中進行研磨。其組成為Fe=48.8%;Co-16.0%;Cu=34.4%;0=0.8%。其費氏直徑為1.3pm。在事先置於C02下的混合器中，從先前分別通過溼法冶金製備的60%粉末I和40。/。粉末n獲得了通過混合獲得的粉末("混合物粉末")。混合操作持續了50分鐘。獲得的粉末具有下面組成Fe-49.1%;Co-16.0%;Cu=34.4%;0=0.6%。其費氏直徑為1.74jam。然後將"直接"粉末和"混合物"粉末在200MPa下進行壓制，以製備PS21型部件，由其尺寸和重量計算生坯密度。直接粉末具有理論密度58.0%的密度；混合物粉末具有其理論密度55.2%的密度。應想到，常規地，PS21部件是在200MPa下在尺寸24.48x7.97mm的鋼模型中通過冷壓6g粉末獲得的平行六面體部件。獲得的生坯部件的高度取決於粉末的可壓縮性，且通常約5-6mm。然後在靜態實驗室窯爐中在&下在約850-1000X:溫度範圍內進行燒結。在所有情形中，升溫速率為150X:/小時，在燒結溫度下的保溫時間是l小時，並進行自然冷卻持續約1夜。測量燒結部件的以相對於理論值(8.35g/cm"百分比計的密度、其HB硬度和其HRB硬度。在表2中匯總了結果。表2:直接粉末和混合物粉末的燒結結果。tableseeoriginaldocumentpage11試驗結果顯示，直接粉末比混合物粉末具有更好的冷壓縮性。因此在燒結前能更容易成型。另一方面，混合物粉末顯示出更好的燒結緻密度和更高的燒結後硬度。對直接粉末和混合物粉末進行相似試驗，在燒結前向所述粉末添加由BASF提供的、含有10重量。/。P的磷化鐵。以85%粉末和15XFeP(以重量％計)的比例在Gericke混合器中在002下進行混合50分鐘。在與前面相同的條件下進行冷壓試驗。據發現，添加FeP的直接200780042696.2說明書第8/14頁粉末具有理論密59.1%的密度，而混合物粉末具有其理論密度53.1%的密度。然後在與前面相同的條件下進行粉末燒結，並測量獲得部件的密度及HB和HRB硬度。在表3中匯總了結果。表3:添加FeP的直接粉末和混合物粉末的燒結結果。tableseeoriginaldocumentpage12添加FeP的直接粉末和混合物粉末之間的性能級別與純粉末(沒有添加劑)的性能級別相同。在燒結後，混合物粉末顯示出更好的結果。與在相同條件下由不具有添加劑的粉末獲得的部件相比，添加劑允許獲得具有顯著更高硬度的燒結部件，如通過比較表2和3的結果可見。需要知道的是，添加FeP的根據本發明的粉末(比例為85%粉末和15%FeP)大致具有下面特徵-典型的理論密度為8.21g/cm3-Fe-54-58%-Co-12-16%-Cu-27-31%-P-1-2%-0<1.5%費氏直徑為2-5Mm。還對添加磷化鎳(含有8.8重量。/flP)的混合物粉末(比例為85%粉末混合物和15。/。NiP)進行燒結試驗。在表4中匯總了結果。表4:添加NiP的混合物粉末的燒結結果。tableseeoriginaldocumentpage13因此，在所述條件下添加NiP在燒結部件的密度和硬度方面也獲得了出色的結果。需要知道的是，添加NiP的根據本發明的粉末(比例為85°/。粉末和15%NiP)大致具有下面特徵-典型的理論密度為8.37g/cm3-Fe-40-44%-Co=11-17%-Cu=27-31%-Ni=13-15%-P=1-2%-(Kl.5%費氏直徑為1-4jjffl。還能夠使用磷化銅或磷化鈷作為添加劑。同樣還能使用鐵、鎳、銅和鈷的磷化物中至少兩種的混合物，或至少兩種這些金屬的混合躊化物。使用藉助於本發明粉末和參比粉末製備的部件進行花崗巖切割試驗，結果如下。使用直徑500mm的金剛石鋸進行花崗巖切割試驗，使用下麵粉末通過自然燒結製備金剛石鋸的切割鋸片-現有技術中已知的參比粉末(CobaliteCNF)，具有以下組成(重量％):Co-0%;Cu=26%;Fe=68.4%;Ni-0%;Sn=3%;Y2O3=0.6%-如上文所迷添加FeP(85。/。-15。/。)的本發明的粉末。使用兩種粉末製備金剛石鋸片，形成鋸的鋸齒。鋸片是"分層鋸片"類型，即其在周邊(l.l克拉/cm3鋸片)比在中心(0.8克拉/cm3鋸片)具有更高濃度金剛石。使用標準金剛石和塗覆鈦的金剛石。選擇這種類型鋸片，因為其在石墨模具中通過常規熱壓方法進行製備時特別複雜和昂貴。在傳送式窯爐中通過自然燒結對使用參比粉末和使用本發明粉末製備的鋸片進行燒結，對於本發明粉末在940X:下進行燒結而對於參比粉末在980匸下進行燒結，然後焊接到直徑500mm的鋼盤上以形成鋸。然後使用所述鋸切割不同種類的花崗巖。對於每種粉末，試驗了三種類型金剛石的混合物，由來自ELEMENTSIX的金剛石製備所述混合物，將給出參比。在每次切割試驗後，計算切割速度(以cm2計每分鐘切割的花崗巖)和鋸的壽命(以012計每毫米鋸片高度切割的花崗巖)。這些值越高，鋸的品質越好。使用SDBVB40-50目金剛石(30%)和SDBLBW50-60目金剛石(70%)的混合物，結果如下參比鋸壽命為4.4m7mm，切割速度為520cm7分鐘。本發明的鋸壽命為4.8m2/mm，切割速度為620cmV分鐘。使用SDBVB30-40目金剛石(10%)、SDBVB40-50目金剛石(40%)和SDBLBW50-60目金剛石(50%)的混合物，結果如下。發現參比鋸不能切割花崗巖。本發明的鋸壽命為3m7mm，切割速度為620cm7分鐘。使用SDBVB30-40目金剛石(10%)、SDBTMF40-50目金剛石(40%)和SDBTMF50-60目金剛石(50%)的混合物，結果如下(TMF類型金剛石塗覆有鈦)。參比鋸壽命為4.lmVmm，切割速度為600cm7分鐘。本發明的鋸壽命為6.7m7mm，切割速度為900cm7分鐘。因此，就絕對意義方面而言，本發明鋸的試驗結果優異，從所有方面均系統地優於參比鋸。因此，其中將鋸片自然燒結與所用預合金化粉末的精確組成相結合的製備本發明鋸片的方法，與已知的使用模具的方法相比，以非常適度的價格產生令人滿意的結果。還證實，根據本發明的粉末適於製備用於生產切割花崗巖的切割線鋸的金剛石串珠，這是本發明所預期的優選應用。串珠具有7.2mm外徑(用於多線切割機的串珠)和llmm外徑(用於單線切割機的串珠)，並且通過以下方法製備-通過上述方法從添加FeP(85°/。/15°/。)的根據本發明的粉末製備細粒；-將細粒與標準金剛石或塗覆鈦的金剛石進行混合，取決於試驗；-對細粒/金剛石混合物進行冷壓以產生密度約為理論密度65%的生坯部件；-在590X:下除去造粒粘結劑；-在900X:下進行燒結；當附著到作為栽體的:岡套管J^。''、在傳送式窯爐中在H2下進行去除粘結劑、燒結和焊接的操作。獲得的串珠以37串珠/延米的比率穿在鋼絲線上，然後對整體增塑以使其硬化。在用於切割不同花崗巖的不同機器上，對線鋸進行試驗。在表5中匯總了測試結果。表5:切割線鋸的試驗結果(由添加FeP的根據本發明粉末製備串珠)tableseeoriginaldocumentpage15這些結果整體上令人滿意，並顯示出本發明能夠以比常規方法顯著更低的成本價格製備高性能的金剛石串珠。相比之下，使用塗覆鈦的金剛石的常規線鋸壽命為約28mV延米。通常，當以純粉末形式使用根據本發明的粉末時，其具有好的冷壓縮性，且在900"或更高溫度下被恰當地緻密化(其理論密度的97%)，特別是當通過混合如上定義的粉末I和II而獲得粉末時。據認為，燒結後獲得的硬度不足以切割花崗巖但足以切割大理石。然而，添加15%鐵或鎳的磷化物允許燒結部件的緻密度和硬度增加到非常適於切割花崗巖的程度。作為比較，為了顯示本發明需要使用預合金化粉末或這樣的粉末混合物以獲得所需結果，進行以下試驗。由如表6所示的商購Fe、Co和Cu粉末在C02下持續50分鐘製備稱為"混合物1"的混合物表6:混合物1的特徵tableseeoriginaldocumentpage16以除去氧含量之外的方式表示金屬的重量百分比。這種組成在根據本發明的預合金化粉末範圍的中間。向85重量％的這種混合物中添加(根據與上文相同的方案)15%的與上述試驗所用相同品質的來自BASF的10。/。磷化鐵FeP。混合物2的組成為(表7):表7:混合物2的組成元素重量°/。鐵(%)56鈷(%)12.75銅(w29.75磷1.5氧(%)0.95混合物2的費氏直徑(jam)2.99以除去氧含量之外的方式表示金屬和磷的重量百分比。對於這兩種混合物，在200MPa下壓制PS21型部件。由尺寸和重量計算出的部件平均粗密度是(表8):表8:生坯部件理論密度的百分比混合物i混合物2生坯部件的理論密度y。64.4%62.1%然後在850、900、950和IOOO'C下燒結生坯部件。依照上述對根據本發明製備的部件的方案測量這些部件以理論密度％表示的密度、其HB硬度和其HRB硬度。在燒結之後，獲得以下結果(表9和10):表9:混合物1的燒結結果。燒結溫度('c)°/。理論密度HB硬度HRB硬度91.59953.690091.311766.895089.19651.8100088.69451.517表10:混合物2的燒結結果。tableseeoriginaldocumentpage18全部結果顯示出，與具有類似組成的根據本發明的預合金化粉末相比，兩種商用金屬粉末混合物展示出-非常類似的顆粒尺寸，-較好的冷壓縮性，-在燒結後顯著較差的緻密度及較低的HB和HRB硬度，-由於組分具有大的初始顆粒尺寸，導致燒結部件顯著較粗的組織。在這些條件下-特別由於高的孔隙率，由這些商用金屬粉末混合物製備的金剛石工具將具有較差的金剛石保持力(即金剛石在金屬基質中的較低附著性)；-這將導致工具的性能(切割速度和壽命)顯著差於由具有類似組成和顆粒尺寸的本發明預合金化粉末(以純粉末形式或添加磷化鐵)製得工具的性能。本發明的粉末特別是具有添加劑形式的粉末是易於造粒的，這允許通過廉價的方法製備具有較小厚度的鋸片和金剛石線鋸。在金剛石的存在下，在靜態窯爐或傳送式窯爐中，在粉末狀態和細粒狀態均易於對其燒結。因此，很好地解決了提出的問題。當然，根據本發明的粉末還將有利地用於通過除上述方法之外的方法來製備切割工具。權利要求1.預合金化金屬粉末，特別用於通過燒結製備切割工具，特徵在於以重量％計其組成是*Fe＝48-52％*Co＝14-19％*Cu＝32-37％*0≤1.2％，餘量是來自其製備的雜質。2.根據權利要求1的預合金化粉末，特徵在於其顆粒的費氏直徑為l-3ium。3.預合金化金屬粉末，特徵在於其是由根據權利要求1或2的粉末和至少一種助燒結添加劑的混合物構成，比例為80-90重量％粉末和10-20重量％添加劑。4.根據權利要求3的預合金化金屬粉末，特徵在於助燒結添加劑為鐵、鎳、銅或鈷的磷化物、或至少兩種這些磷化物的混合物、或至少兩種這些金屬的混合磷化物。5.根據權利要求1-4中任一項的預合金化金屬粉末，特徵在於其是通過混合第一粉末和第二粉末及任選的助燒結添加劑來獲得，所述第一和第二粉末具有各自特徵-對於第一粉末*Fe-27-32%*Co=24-28%*Cu=42-47%*0<1%，餘量是來自其製備的雜質，-對於第二粉末*Fe-75-80%*Co<5%*Cu-17-22%*0<1%餘量是來自其製備的雜質。6.根據權利要求5的預合金化金屬粉末，特徵在於第一粉末的顆粒的費氏直徑為0.8-1.5pm,第二粉末的顆粒的費氏直徑為3.0-4.0jum，並且混合後所得粉末的費氏直徑為l-3jum。7.製備金剛石切割工具的方法，特別包括混合預合金化金屬粉末與金剛石的步驟、冷壓混合物的步驟和燒結所述壓制混合物的步驟，特徵在於所述金屬粉末是根據權利要求1-6中任一項的類型的粉末。8.根據權利要求7的方法，特徵在於燒結為自然燒結。9.根據權利要求7或8的方法，特徵在於所述工具為用於金剛石鋸的切割鋸片。10.根據權利要求7或8的方法，特徵在於所述工具為用於切割線鋸的金剛石串珠。11.根據權利要求7-10中任一項的方法，特徵在於所述粉末為根據權利要求5或6的類型的粉末。12.金剛石鋸，其包含固定在金屬盤周邊的切割鋸片，特徵在於通過根據權利要求9的方法獲得所述鋸片。13.切割線鋸，其包含穿在絲線上的金剛石串珠，特徵在於通過根據權利要求10的方法獲得所述串珠。全文摘要預合金化金屬粉末，特別用於通過燒結製備切割工具，特徵在於以重量％計其組成是48-52％Fe；14-19％Co；32-37％Cu；≤1％O，餘量是來自其製備的雜質。用於獲得這種粉末的方法，以及由這種粉末製備的金剛石鋸和切割線鋸。文檔編號C22C33/02GK101541990SQ200780042696公開日2009年9月23日申請日期2007年10月4日優先權日2006年10月4日發明者B·瑪裡圖,H·瑟尼爾羅,M·默爾特尼,S·瑪康申請人:歐洲鎢粉公司