金屬粉末質(zhì)量控制對(duì)金剛石工具性能影響的探討（上）①

蕫書山，劉曉旭，胡占鋒，安文文

（河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 長(zhǎng)葛 461500）

1 前言

金屬結(jié)合劑金剛石工具廣泛應(yīng)用于石材加工、陶瓷加工、道路施工及建筑裝修等眾多行業(yè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，尤其是基礎(chǔ)設(shè)施及建筑業(yè)的快速發(fā)展，金剛石工具的消費(fèi)量每年以超過15%的遞增速度迅猛增長(zhǎng)，其中金屬結(jié)合劑工具的消費(fèi)量占85% 以上。目前，金剛石工具用金屬結(jié)合劑主要包括兩大類：一類是眾多生產(chǎn)廠家采用的單質(zhì)金屬粉末的混配體，另一類是以預(yù)合金粉末為主的粉末混配體，因而金屬粉末質(zhì)量是決定金剛石工具性能優(yōu)劣的基礎(chǔ)因素。在很多情況下，金剛石工具的制備性能不是取決于配方的調(diào)制水平，而是取決于金屬粉末質(zhì)量及制作工藝的控制。可以說，目前制約金剛石工具制備水平的因素不在配方的設(shè)計(jì)，而在于原材料質(zhì)量的控制。很多中小工具制造商缺乏對(duì)原材料質(zhì)量重要性的認(rèn)識(shí)，往往將注意力集中于配方的模仿、發(fā)掘及成本的降低方面，而忽視了至關(guān)重要的原材料質(zhì)量的監(jiān)控，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)，總是從配方的調(diào)整方面考慮，而不從根本上詢查原因，因而常常走入配方越調(diào)越亂，最后不知所云的誤區(qū)。配方的調(diào)整應(yīng)該在原材料及工藝裝備穩(wěn)定的前提下進(jìn)行才能起錦上添花的作用，否則將是盲目而無效的。因此，金屬結(jié)合劑金剛石工具性能提高的根本途徑之一就是要嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，尤其是易氧化元素的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)方案

選用－200目的單質(zhì)Fe、Ni、Cu、Sn、Zn粉末及水霧化JF－01（FeCu30）基礎(chǔ)預(yù)合金粉末，測(cè)試各種粉末的氧含量、粒度、松比等理化性能指標(biāo)，并按設(shè)定配方燒結(jié)花崗巖小鋸片，考察金屬粉末理化性能指標(biāo)對(duì)燒結(jié)工藝及制品性能的影響，從而確定各種粉末理化性能指標(biāo)的合理要求范圍，重點(diǎn)考察氧含量對(duì)工具性能的影響。

3 結(jié)果討論

金屬粉末質(zhì)量是決定金屬結(jié)合劑金剛石工具燒結(jié)工藝及成品性能的重要因素。表征金屬粉末質(zhì)量的性能指標(biāo)有多種，其中氧含量、粒度、松比等幾項(xiàng)指標(biāo)對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著顯著影響，直接決定著工具的混料均勻性、冷壓成型性、冷壓致密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)致密度、燒結(jié)硬度、抗彎強(qiáng)度、胎體對(duì)金剛石的把持力及胎體的磨損性能等一系列性能指標(biāo)。從實(shí)際應(yīng)用效果考察，粉末氧含量對(duì)金剛石工具的影響是首位因素，筆者曾對(duì)此進(jìn)行過系統(tǒng)研究［2］，在此再將先前的研究?jī)?nèi)容做一簡(jiǎn)要?dú)w納。

3.1 氧含量的影響

3.1.1 對(duì)冷壓成型性的影響

氧含量越高，冷壓成型性越差：主要是因?yàn)榻饘傺趸飼?huì)使粉末變硬，韌性下降，有損于壓制成型性，尤其是粉末表面氧含量過高時(shí)，會(huì)使粉末的粘附性增大［1］，降低壓制時(shí)粉末顆粒間的嚙合強(qiáng)度，使冷壓成型性變差。實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)混料量大時(shí)，物料未用完存放一段時(shí)間后往往容易出現(xiàn)冷壓成型性變差的現(xiàn)象，這主要與粉末的氧化有關(guān)，尤其是在潮濕氣候條件下，問題則更突出。

3.1.2 對(duì)燒結(jié)溫度及工藝穩(wěn)定性的影響

氧含量越高，胎體的燒結(jié)溫度就越高，燒結(jié)工藝的穩(wěn)定性也就越差。這主要是因?yàn)榻饘俜勰┭趸?，尤其是表面氧化物大大降低了粉末顆粒的表面活性，嚴(yán)重阻礙了燒結(jié)過程中粉末顆粒間的界面結(jié)合狀態(tài)，阻礙合金化進(jìn)程，降低顆粒間界面結(jié)合強(qiáng)度，從而降低了胎體對(duì)金剛石的把持力。若要提高胎體的燒結(jié)強(qiáng)度，只有提高燒結(jié)溫度，以提供更高的燒結(jié)能量，才能部分抵消氧化膜的燒結(jié)阻礙作用，這就會(huì)帶來一系列問題：①能耗增加，生產(chǎn)成本上升；②溫度過高，易造成金剛石的燒蝕；③溫度過高，易引發(fā)低熔點(diǎn)料的大范圍流失；④溫度過高，胎體過硬，影響金剛石的出刃，降低鋒利度。對(duì)此，我們選用不同氧含量的Fe粉，再固定配方及工藝條件進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，以考察氧含量的變化對(duì)胎體性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧含量越高，燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)體的致密化程度越低，低熔點(diǎn)料的流失率越大，胎體的性能惡化。

表面氧化物的存在阻礙了燒結(jié)過程中金屬粉末顆粒間的界面結(jié)合與合金化，影響燒結(jié)致密化進(jìn)程。

3.1.3 對(duì)燒結(jié)胎體強(qiáng)度的影響

在相同的燒結(jié)溫度及壓力下，氧含量越高，胎體的燒結(jié)強(qiáng)度越低。

①氧含量相同時(shí)，燒結(jié)溫度越高，抗彎強(qiáng)度越高。這主要是由于溫度的提高有利于金屬粉末顆粒間的合金化，提高其界面結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)致密化進(jìn)程。

②燒結(jié)溫度相同時(shí)，氧含量越高，試樣的抗彎強(qiáng)度越低。這主要是由于氧化物的存在阻礙金屬粉末顆粒間的合金化及界面結(jié)合強(qiáng)度，從而降低了抗彎強(qiáng)度。

金屬粉末的氧含量越高，冷壓致密性就越差，壓坯中存在許多“架橋”孔洞，燒結(jié)時(shí)難以消除。當(dāng)Fe粉氧含量超過6000×10－6時(shí)，在各個(gè)燒結(jié)溫度下試樣抗彎強(qiáng)度的降低十分明顯，其降幅可達(dá)13.3%～24.8%，這將嚴(yán)重影響胎體的綜合機(jī)械性能及其對(duì)金剛石的機(jī)械把持能力，大大降低工具的鋒利度和使用壽命。

3.1.4 對(duì)燒結(jié)胎體硬度的影響

燒結(jié)胎體的硬度主要與金屬粉末顆粒的性質(zhì)、組織均勻性、界面結(jié)合強(qiáng)度及致密化程度（孔隙度）有關(guān)。金屬粉末氧含量對(duì)燒結(jié)試樣的硬度影響不顯著。若粉末內(nèi)部氧化物以彌散狀態(tài)分布，則會(huì)增加粉末顆粒內(nèi)部的晶格畸變能，提高顆粒硬度。圖1為不同氧含量的試樣在不同燒結(jié)溫度下的硬度變化情況。

圖1 不同氧含量的試樣在不同燒結(jié)溫度下的硬度變化Fig.1 Hardness change of samples with different oxygen content at different sintering temperatures

從圖1可以看出：

（1）隨著氧含量的增加，燒結(jié)試樣的硬度逐漸增大。

（2）在不同燒結(jié)溫度下，當(dāng)氧含量＜5000ppm×10－6時(shí)，燒結(jié)試樣的硬度變化不大；當(dāng)氧含量＞6000×10－6時(shí)，硬度值的增加較為明顯。

需要指出的是，當(dāng)氧含量＞5000×10－6時(shí)，致使燒結(jié)試樣的硬度隨燒結(jié)溫度的提高而下降，這主要是與溫度提高時(shí)試樣的質(zhì)量流失率增大有關(guān)，流料量增加會(huì)降低燒結(jié)顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)留下更多的燒結(jié)孔洞，致使燒結(jié)胎體不致密，導(dǎo)致試樣的高溫?zé)Y(jié)硬度降低。

目前，許多工具生產(chǎn)商都將燒結(jié)胎體的硬度作為燒結(jié)質(zhì)量高低的評(píng)判依據(jù)，但僅憑硬度的高低來判定燒結(jié)質(zhì)量的好壞是不夠的。若在還原性氣氛中燒結(jié)時(shí)，還原充分的情況下（例如在鐘罩爐中燒結(jié)鋸片），燒結(jié)胎體的硬度值還較為可靠，可作為質(zhì)量的評(píng)判依據(jù)；但若在非還原氣氛中燒結(jié)（敞開式模具中燒結(jié)）或還原作用時(shí)間短、還原不充分的條件下燒結(jié)（例如在隧道式連續(xù)爐中燒結(jié)鋸片），以燒結(jié)硬度為判據(jù)就有缺失。因?yàn)楫?dāng)粉末氧含量較高時(shí)，燒結(jié)胎體的表面及內(nèi)部的組織均勻性差，在還原氣氛的作用下，胎體的表面燒結(jié)質(zhì)量狀態(tài)有一定程度的改善，硬度值會(huì)有提高，但胎體內(nèi)部的燒結(jié)組織卻較為疏松，表現(xiàn)為“外硬內(nèi)軟”，即使硬度測(cè)試合格，但工具的使用性能仍有大幅度下降。

3.1.5 對(duì)燒結(jié)胎體組織及致密性的影響

氧含量，尤其是粉末顆粒的表面氧含量對(duì)燒結(jié)胎體組織及致密性的影響極大，氧含量越低越有利于得到均勻性好、顆粒界面結(jié)合力強(qiáng)、致密化程度高的胎體組織，從而有利于提高胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力。目前，市售質(zhì)量好的電解Cu粉、霧化Sn粉的氧含量通常都不高于800×10－6，使用時(shí)只要注意避免過度受潮，一般情況下都不影響使用性能。市售質(zhì)量較好的Ni粉氧含量一般在2500～4000×10－6，基本上可保證正常使用。而目前市售的各種Fe（電解、還原、霧化）粉，質(zhì)量差異極大，對(duì)工具的燒結(jié)性能影響最大，其氧含量的變化范圍通常在2500～12000×10－6之間，而且Fe粉極易氧化，在保存和使用過程中稍有不慎即可對(duì)燒結(jié)工藝和制品質(zhì)量造成極大的不利影響。市售Zn粉的氧含量一般為2000～4000×10－6，但在運(yùn)儲(chǔ)過程中極易受潮氧化，氧化后其氧含量往往會(huì)達(dá)到7000×10－6以上，會(huì)對(duì)燒結(jié)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量帶來較大影響。市售Mn粉通常為真空封裝，去除封裝后其氧含量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增至4500×10－6以上。金屬在使用前的氧化，主要是增加表面氧化膜，氧化膜會(huì)嚴(yán)重阻礙粉末顆粒間的界面反應(yīng)與合金化，阻礙液態(tài)Sn在粉末顆粒間的流動(dòng)鋪展與潤(rùn)濕性能（液態(tài)金屬對(duì)氧化膜不潤(rùn)濕），易導(dǎo)致Sn的偏析聚集，致使組織均勻性差，胎體的整體性能不均一。

從以往的大量實(shí)驗(yàn)及用戶產(chǎn)品分析中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e粉含氧量5000×10－6左右是燒結(jié)工藝較為敏感的區(qū)間段，當(dāng)氧含量＜5000×10－6時(shí)，燒結(jié)工藝的穩(wěn)定性尚可，而氧含量＞5000×10－6時(shí)，燒結(jié)工藝易出現(xiàn)波動(dòng)，特別是當(dāng)氧含量＞7000×10－6時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)溫度升高、流料量增大等現(xiàn)象，燒結(jié)胎體的硬度值下降（主要是由于燒結(jié)胎體疏松所致），鋒利度和使用壽命會(huì)大幅度下降，甚至造成廢品。當(dāng)Fe粉氧含量超過7000×10－6時(shí)，不僅是粉末自身的氧含量高，而且粉末中往往有很多其它氧化物夾雜，高溫?zé)Y(jié)時(shí)液態(tài)Sn更易偏聚流失，缺Sn的區(qū)域粉末顆粒間界面結(jié)合力弱或粉末間彼此孤立分隔，表現(xiàn)出“干裂”特征，導(dǎo)致區(qū)域組織疏松。此時(shí)胎體的致密化度一般很難高于95%，胎體的耐磨性及對(duì)金剛石的把持力下降，會(huì)導(dǎo)致工具的鋒利度和使用壽命大大下降，這也是實(shí)際生產(chǎn)中常見的現(xiàn)象。若要提高致密化程度則需要升溫加壓，但易導(dǎo)致大范圍流料，甚至工具失效。

3.1.6 對(duì)燒結(jié)胎體合金化的影響

常用的粘結(jié)金屬有Fe、Cu、Ni、Sn、Co、Zn、Mn、Cr、Pb等，這些金屬元素間可形成二元／三元或多元合金［3］，固態(tài)混合粉末燒結(jié)胎體的合金化主要是靠元素間在粉末顆粒界面處形成合金相而完成。金屬粉末中的氧，尤其是表面氧嚴(yán)重阻礙合金化過程。燒結(jié)胎體粉末間的合金化主要是通過兩種途經(jīng)實(shí)現(xiàn)的：①依靠低熔點(diǎn)物料（Sn、Zn等）熔化后在顆粒界面處擴(kuò)散溶解形成固溶體、中間相或化合物；②固態(tài)顆粒界面間的相互擴(kuò)散。氧化膜的存在阻礙合金化過程主要表現(xiàn)為：

（1）表面氧化物的存在提高了合金化進(jìn)程的起始溫度。元素間若要進(jìn)行有效合金化，需克服氧化膜阻隔所帶來的能量勢(shì)壘。

（2）氧化膜對(duì)液態(tài)低熔點(diǎn)物料基本不潤(rùn)濕，氧化膜的阻隔作用使得液態(tài)料難以在金屬粉末表面鋪展擴(kuò)滲，因而也就無法實(shí)現(xiàn)粉末顆粒間的界面擴(kuò)散或化合，無法實(shí)現(xiàn)合金化；

（3）氧化膜本身在燒結(jié)過程中難以有效破碎，被氧化膜包覆的金屬顆粒難以露出新鮮表面參與反應(yīng)，因而也就無法實(shí)現(xiàn)界面合金化。在還原氣氛中燒結(jié)的工具，當(dāng)氧化膜較薄時(shí)，還可以通過還原作用去除部分氧化膜，活化粉末顆粒表面，促進(jìn)合金化；但如果氧化膜較厚，即使在還原氣氛的作用下，在短時(shí)間內(nèi)也無法充分還原，氧化膜的阻隔作用依然難以消除，還是無法實(shí)現(xiàn)有效的合金化；

圖2 Fe粉氧含量過高時(shí)石材小鋸片燒結(jié)胎體對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)Fig.2 The retention between the matrix and diamond in saw blade with high oxygen content Fe powder

（4）表面氧化膜增厚時(shí)，粗顆粒粉末的塑性變形和滑移能力降低，在燒結(jié)過程中所形成的“拱橋”難以松動(dòng)，使得粉末顆粒間難以通過滑動(dòng)移位而充分接觸，因而也就無法實(shí)現(xiàn)粉末顆粒間的界面反應(yīng)，合金化也就無從談起。

3.1.7 燒結(jié)胎體對(duì)金剛石把持力的影響

如上所述，金屬粉末的氧含量越高，燒結(jié)胎體的合金化作用越差，胎體的綜合機(jī)械性能亦越差，對(duì)金剛石的機(jī)械把持力也就越差。

目前，金剛石工具胎體常用的配方體系以Fe－Cu－Ni－Sn為主，而最易受潮氧化的是Fe粉，其氧含量的變化對(duì)燒結(jié)胎體的致密化程度影響極大，亦即影響胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力。圖2為用Fe－Cu－Ni－Sn系單質(zhì)金屬粉末制備Φ105mm石材小鋸片時(shí)Fe粉在不同的典型氧含量范圍內(nèi)，胎體對(duì)金剛石的機(jī)械包鑲情況。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Fe粉氧含量超過5000×10－6時(shí)，胎體對(duì)金剛石的包鑲能力變差，主要是因?yàn)榉勰╅g合金化不足，胎體疏松，致密化程度不足所造成的。特別是當(dāng)氧含量超過7000×10－6后，燒結(jié)胎體組織中會(huì)出現(xiàn)極為疏松的“豆腐渣”狀組織（如圖2（b）），失去了對(duì)金剛石的把持能力。

［1］王秦生，等.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2006.

［2］董書山，等.預(yù)合金粉末氧含量對(duì)金剛石工具組織及性能的影響［C］.中國(guó)超硬材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展論壇論文集.2009，10，117－120.

［3］孫毓超，等.金剛石工具金屬學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999.