超硬材料工具用金屬預合金粉末的國內發展現狀及趨勢①

蕫書山，劉曉旭，李長青，劉益剛

（河南黃河旋風股份有限公司，河南 長葛 461500）

1 前言

目前中國已成為全球最重要的超硬材料及其制品的生產供應大國，尤其是近年來，中國超硬材料行業呈現出持續的高增長發展勢態，其年增長速度遠遠超過我國國民經濟GDP的增長速度［1］，相應地帶動了金屬粉末消費量的大幅度增長。目前金屬結合劑超硬材料工具還是以單質金屬粉末為主，預合金粉末為輔，但由于預合金粉末具有良好的綜合性能，近年來在行業中得到了快速推廣應用［2-7］，盡管其應用比例和總體消費量還較少，但隨著產品種類的增加、質量穩定性的提高，其應用比例和范圍在逐漸擴大。尤其是各個制品領域內的大廠家對預合金粉末的重視和應用，極大地帶動了預合金粉末在全行業的普及推廣，起了以點帶面的推動作用，使全行業對金屬預合金粉末有了全新及深入的了解，促進了預合金粉末的快速消費增長。預合金粉末的應用是提高超硬材料制品性能的有效途徑之一，是行業發展的一個必然趨勢。

2 不同制備工藝的金屬預合金粉末的特性

預合金粉末的制備方法較多，目前主要有水／氣霧化法、化學共沉淀法、電沉積法和擴散法等。但國內消費量較大的是霧化預合金粉末，而其它方式制備的預合金粉末亦具有一系列特點，在行業內也在迅速推廣應用。今后，我國制品行業中預合金粉末的應用將會呈現出多類產品的競爭格局，不同種類的產品將發揮優勢互補的特點，促進全行業的進步與發展。

2.1 霧化金屬預合金粉末

霧化法包括水霧化和氣霧化兩種生產工藝。氣霧化工藝設備復雜，生產成本較高，以往被用于生產金剛石的觸媒粉，現在基本為水霧化觸媒粉所取代，除極少數廠家用于生產霧化Sn粉外（氣噴水冷），在行業內均未采用此工藝生產胎體預合金粉。除生產成本高外，另外一個重要原因就是氣霧化金屬粉末顆粒幾乎是球狀，難于冷壓成型，應用受限。目前市售霧化金屬預合金粉末基本上都是水霧化粉末，粉末形態多不規則，同時也存在少量球狀／類球狀顆粒，其市場消費量呈逐年增長勢態，這主要是由于水霧化預合金粉末的生產工藝相對簡便，價格相對低廉，成分易于調整，產品質量適宜穩定控制，易于實現大批量的工業規模化生產，因而在市場中的消費量急劇增長。

水霧化工藝的一個突出優點就是易于實現多組元成分的設計調整，可方便地實現三元以上成分復雜的產品生產，而其它生產工藝不易實現多組元合金粉末產品的生產，這也是水霧化預合金粉末得以大規模推廣應用的一個有利因素。

2.2 化學置換預合金粉末

化學置換法所生產的典型產品為銅包鐵，目前在超硬材料制品行業中主要用于大直徑石材圓鋸片刀頭（大刀頭）的制備生產。銅包鐵的突出特點就是制備工藝簡便、產品價格低廉、冷壓成型性好。由于具有價格優勢，在其它工具中也逐步得到應用，其不足之處在于燒結溫度高，燒結收縮性差，在一定程度上影響了其應用效果，但只要能夠保證產品質量的穩定性，其應用范圍還將進一步擴大。

2.3 化學共沉淀預合金粉末

目前市售的化學共沉淀法所制備的預合金粉末主要是Fe－Co－Ni，Fe－Co－Cu系列產品。此方法雖然制備工藝簡便易行，生產裝備也不復雜，但生產工藝過程不易控制，產品的后處理工藝要求較為嚴格，產品質量的穩定性控制要求較高。此工藝方法所制備的預合金粉末價格較高，但燒結性能好、松裝密度低，冷壓成型性好，因而在高端制品中得到相當程度的應用。

2.4 電沉積預合金粉末

電沉積法所制備的預合金粉末是業內廠家新近開發的一類新產品，目前主要是Fe－Cu系列預合金粉末，其突出特點是粉末顆粒形狀復雜、松比低、冷壓成型性好，目前處于市場推廣階段。

2.5 擴散法預合金粉末

擴散法所制備的預合金產品目前主要是Cu－Sn系列的合金粉末。由于此類產品的顆粒形狀復雜，松比較霧化Cu－Sn合金粉末低，具有良好的冷壓成型性和燒結性能，在超硬材料工具行業中也得到了相當范圍的應用。

3 金屬預合金粉末的應用領域及應用特點

目前，各類金屬預合金粉末幾乎應用到了超硬材料工具制作的各個方面，涉及石材、陶瓷、混凝土、玻璃加工等領域。

3.1 石材加工工具

涉及石材的切割、磨削和鉆削，其中石材切割鋸片的應用量最多。

二元合金作為基礎合金可廣泛適于各類工具，在花崗巖鋸片中應用量最大的是Fe－Cu系列合金，包括水霧化法、化學置換法及電沉積法所制備的預合金粉，這類粉末適合生產中低檔制品。大理石鋸片中主要是Cu－Sn系列合金粉。

三元以上預合金粉末主要以水霧化的Fe－Cu（Ni／Co）－Sn、Fe－Co－Ni、Fe－Co－Cu等系列預合金粉末為主，輔以化學法所制備的Fe－Co－Ni、Fe－Co－Cu系列合金粉末，這類粉末適于制備中高檔制品，其中含鎳粉末在兼顧鋒利度的同時主要側重于使用壽命，而含鈷粉末則可同時兼顧鋒利度和使用壽命。大理石鋸片則以Cu－Co－Sn系列合金粉末為主。

四元及以上組分的預合金粉末基本為霧化預合金粉末，主要是Fe－Cu－Ni－Sn、Fe－Cu－Co－Sn系列預合金粉末，這類合金粉末適于制備中高檔制品。

上述各類預合金粉末共同的應用特點是：可以降低燒結溫度，改善胎體組織的均勻性，提高燒結強度及致密性，提高胎體組織對金剛石的機械把持力，提高工具的鋒利度和使用壽命。

3.2 陶瓷加工工具

陶瓷鋸片用預合金粉末主要有Fe－Cu－Ni－Sn、Fe－Cu－Co－Sn、Fe－Cu－Co及Cu－Sn系列。此類預合金粉的特點是燒結溫度低、燒結組織細膩、胎體硬度適中、抗彎強度中等、胎體磨損性不強。

陶瓷刮刀的胎體硬度要求高，一般≥HRB95。粗刀要求鋒利度好，使用壽命長，應用較多的是基礎合金Fe－Cu系列，其特點是燒結組織致密化程度好，硬度高，使用壽命長。細刀在兼顧鋒利度和使用壽命時較多采用Fe－Cu－Ni－Sn系列合金粉，其特點是燒結溫度低、硬度高、致密化程度高、耐磨性好。同時胎體與金剛石的磨損適配性較好，金剛石在工作過程中可保持合適的出刃高度。

適合于磨邊輪的預合金體系主要是Fe－Cu－Ni－Sn系合金。此類合金的特點是燒結溫度低、燒結胎體硬度高、胎體對金剛石的機械把持力好、胎體與金剛石的磨損適配性好，在磨削過程中金剛石能保持適當的出刃高度，可同時兼顧鋒利度和使用壽命。在產品制備過程中要特別注意與預合金相配合使用的其它單質粉末的氧含量，通常要求其氧含量低于4000×10－6。

目前適于陶瓷磨塊的預合金粉末主要以Fe－Cu及Fe－Cu－Ni－Sn合金體系為主，配以適量的低溫脆性材料及造孔劑等調節成分。預合金體系本身的燒結硬度＞HRB100，但燒結磨塊的硬度通常在HRB85～95為宜。硬度太低，磨塊使用壽命短；硬度太高，鋒利度差，易出現磨不動、打滑等現象。通常中粗粒度的磨塊要求在較高的加工線速情況下，能保持良好的鋒利度，磨削加工量應高于5萬平米，而細粒度磨塊則要求磨削加工量高于10萬平米，使用預合金粉在鋒利度和使用壽命方面都能很好的滿足要求。

3.3 工程鉆頭

目前，適合于制作工程薄壁鉆的預合金粉有Fe－Cu、Fe－Cu－Ni－Sn、Fe－Cu－Co－Sn、Fe－Co－Cu等合金系列，配以適量的WC或W粉，適合于濕鉆的中低檔鉆頭，也可用于磚墻的干鉆打孔，其鋒利度和使用壽命都能滿足需要。此類合金的特點是胎體的成本低，燒結致密化程度較高，硬度高（＞HRB100），機械強度較好（抗彎強度850～1100MPa），鉆削過程中不易斷齒。但對應用于高強度鋼筋混凝土構件的鉆頭，其燒結胎體要求Co含量極高，對金屬粉末的表面質量及顆粒度要求極高，要求胎體的機械強度高（＞1100MPa），不僅要求對金剛石具有良好的把持力，而且也要具有優良的散熱性能，特別是干鉆時，對燒結胎體金屬粉末的要求更高；同時，也要求采用細顆粒的耐磨骨架材料，在保證耐磨性的同時，還要有良好的自銳性。

3.4 混凝土鋸片

適于制備混凝土鋸片的預合金種類較多，有各種方法所制備的Fe－Cu、Fe－Co（Ni）－Cu、Fe－Ni（Co）－Cu－Sn等多種預合金粉末系列，其中Fe含量通常超過50%。這類預合金粉末的突出特點就是要求其具有較高的燒結強度、硬度和致密度。

3.5 地質鉆頭

燒結地質鉆頭由于生產廠家分散，產業集中度差，所消耗的金屬結合劑數量不多，也未引起各個合金粉末廠家的足夠重視，未在此領域開發專門的預合金粉末。但上述提及的預合金粉末亦可在此領域應用，只是目前還缺乏應用開發，影響了預合金粉末在此領域中的推廣應用。

3.6 玻璃加工工具

由于這類工具的金屬結合劑消耗量相對較少，目前基本上還是以單質金屬粉末為主，各個合金粉末廠家基本上未在此應用領域進行開發，客戶大都沿用傳統的配方體系，市場所用預合金粉末只有部分Cu－Sn合金。

3.7 金屬結合劑砂輪

由于金屬結合劑砂輪在整個砂輪行業中所占比例不高，其消耗的金屬粉末量不多，預合金粉末在此領域中的應用極少，只有部分Cu－Sn合金，市場上亦缺乏專業化的預合金粉末產品。

4 金屬預合金粉末的國內應用及發展現狀

金屬預合金粉末目前已廣泛應用于超硬材料工具制作的各個領域，應用量逐步擴大并呈迅猛發展的勢頭。目前預合金粉末消費量較大的應用領域集中于石材及陶瓷加工工具，消費量約占市售總量的80%以上。在石材加工工具中，預合金粉末的消費主體是大刀頭、中小徑石材鋸片的大中型生產廠家。在陶瓷加工工具中，金屬結合劑磨塊消耗的預合金粉末量最大，其次是磨輪和刮刀。據估算，2011年國內金屬預合金粉末的年消費量在4000噸左右，在整個超硬材料制品行業所消耗的金屬粉末中所占比例極少，大概不足10%，因而，其市場發展空間極大。由于超硬材料制品行業已發展了幾十年，而金屬預合金粉末只是近幾年才在行業中得到逐步認同和推廣應用，可以說是處于起步發展階段，是朝陽產業，因此，目前大多數中小超硬材料制品企業還都習慣于采用單質金屬粉末配制燒結制品。由于各類單質金屬粉末的生產廠家眾多，并且缺乏統一、嚴格的質量標準，產品質量千差萬別，尤其是價格低廉、消費量最大的鐵粉，質量差異更大，經常導致制品廠家生產工藝及產品質量的波動起伏，給用戶帶來了極大的困擾。目前，影響和制約中國超硬材料制品行業發展水平的關鍵因素不在于各類產品的配方設計，而在于原材料質量不過關，這是一個基礎性的、結構性的缺陷根源。而絕大多數制品廠家，尤其是中小廠家，往往忽略原材料質量的嚴格把關，片面地追求配方設計，認為配方的改進設計是改善工具性能最有效的途徑，而事實上，配方設計固然重要，但僅僅是在原材料及工藝穩定基礎上的錦上添花，而不是救命稻草。比較分析國外產品可以發現，其高端產品的配方往往是非常簡單常見的合金體系，而非玄妙深奧的復雜成分，其根本因素在于原材料的選擇和工藝的把握方面，在確保原材料及生產工藝穩定的前提下，積極探索配方設計，才能起錦上添花、事半功倍的效果，否則就很容易導致事倍功半，甚至徒勞無功，阻礙了企業的成長發展。盡管人們的質量意識在不斷增強，用戶也迫切需要原材料廠家能夠提供高質量的穩定產品，但受制于原材料生產商的供應水平限制，客戶往往得不到長期穩定的高質量產品，只能被動地選擇接受，因而極大地限制了超硬材料制品行業的提升與發展空間。而預合金粉末雖然擁有許多優勢特點，但在一定意義上說，卻也在許多方面彌補了單質金屬粉末的缺陷和不足。隨著預合金產品的不斷豐富與提高及用戶對其認識的逐步加深與掌握，預合金粉末的用戶群在逐步擴大，其在制品配方中的應用比例也在不斷增加，優勢特長逐步得以充分發揮體現，若其在各類制品中的應用比例超過30%，則其消費量將十分可觀。而通常情況下，預合金粉末的應用比例超過50%后，才能顯著發揮出其性能優勢，具有較高的綜合性價比。從目前的發展現狀看，金屬預合金粉末在近幾年的消費量增長迅速，但與制品行業所消耗的金屬粉末總量相比，還微不足道，尚處于引導消費階段，即需要粉末生產廠家針對產品特點為用戶提供有效的技術服務，幫助客戶掌握產品的應用特性，以技術服務引導產品消費，促進消費量的增長。隨著用戶對產品應用特性的逐步掌握，將會漸入自主消費階段，即用戶自主利用預合金產品進行制品的設計開發，屆時，預合金粉末的市場需求量將會急劇增加，市場將進入高速發展階段。而目前國內預合金產品領域存在的主要問題是：①產品質量不高，穩定性差；②生產廠家對自己的產品特性了解不足，多數預合金粉末生產廠家為用戶所提供的僅僅是產品，而不能提供有效的技術服務，指導客戶掌握產品的應用特性，因而限制了產品的推廣應用；③霧化預合金粉末的冷壓成型性差，限制了其在制品配方中的應用比例；④鐵基預合金粉末的潛力還遠未發掘出來。

5 金屬預合金粉末的發展趨勢

金屬預合金粉末的發展方興未艾，正逐步在行業中規模化推廣應用，既有優勢特色，同時也存在一定的缺陷不足，但這并不妨礙預合金粉末產品的發展與推廣，其目前存在的主要問題是價格、成型性、質量穩定性。

目前市場對金屬預合金粉末的基本要求是：穩定產品質量，提供技術支持，拓展應用領域。根據目前的市場發展現狀，預合金粉末今后發展的重點仍然是中低價位的鐵基粉末，同時將向著多元化、精細化、高活性、低松比、高彈性模量的方向發展。

5.1 多元化

包括制備方式的多元化及化學成分的多元化。

不同制備工藝的預合金粉末具有不同的性能特點，充分發揮不同種類預合金粉末的特長，為客戶提供豐富實用的預合金粉末產品是未來市場的一個發展趨勢。例如，霧化法制備的預合金粉末與化學法制備的預合金粉末組合應用，實現二者的優勢互補，能夠更好地提升制品的綜合性能。

目前市場銷量最大的是通用性較強的二元、三元組分的基礎預合金粉末。這類粉末由于成分相對簡單，價格適中，產品的質量穩定性較好，用戶易于掌握，因而得以廣泛應用。隨著行業的發展進步，對制品的專業化、精細化要求越來越高，相應地要求預合金粉末產品也向著專業化、精細化的方向發展，這就促進了多組元預合金粉末的發展。多組元合金粉末的發展有助于提高燒結制品的綜合性能，減少貴金屬Co、Ni的使用量，使預合金產品向著“物美價廉”的方向發展，能夠更好地滿足中高檔制品的應用需求。但金屬預合金粉末也不是成分越復雜性能就越好，關鍵是要做到“量力而行”，即使是成分簡單的預合金粉末，如果能充分發揮其性能特點，也能滿足工具的應用要求，能將復雜問題簡單化，充分體現出預合金粉末的優勢特點。

5.2 精細化

精細化就是要求預合金產品在關鍵性能指標的控制方面要精準，保持較高的質量穩定性；同時，要求粉末的顆粒細小均勻。細粒度金屬粉末表面活性高，有利于降低燒結溫度，提高制品的燒結致密化程度，增強燒結胎體對金剛石的把持力；同時也有利于改善胎體與金剛石的磨損適配性。但在實際生產中，粉末粒度并不是越細越好，粒度粗細的選擇，關鍵是要求配方組份間有合理的粒度搭配，要從整體工藝要求選擇確定。

5.3 高活性

預合金粉末的應用不僅僅是要求合金化程度高，而且還要具有良好的表面活性，以利于降低燒結溫度、提高燒結顆粒間的界面結合強度、促進致密化、改善燒結胎體的機械性能，增強胎體對金剛石的把持力。

5.4 低松比

低松比主要是針對霧化預合金粉末而言，因霧化粉末中含有相當比例的球狀／類球狀顆粒，松比相對較高（通常不低于2.8g／cm3），不利于冷壓成型，限制了預合金粉末在制品配方中的應用比例。這也是目前影響霧化預合金粉末進一步推廣應用的技術瓶頸，但隨著生產工藝技術的改進提高，此限制瓶頸會逐步克服消除，因此會促進霧化預合金粉末的推廣應用。

5.5 高彈性模量

金剛石制品的性能優劣取決于燒結胎體對金剛石的把持力，而目前絕大多數金剛石制品燒結胎體對金剛石基本上都是機械把持，而燒結胎體對金剛石的把持力則主要取決于燒結胎體的彈性模量，尤其是高溫彈性模量。彈性模量的提高有助于提高胎體對金剛石的機械把持力，大幅度改善制品的綜合使用性能。高性能的預合金粉末可以制備出高彈性模量的燒結胎體，這就要求預合金粉末向著高彈性模量的方向發展。

6 結束語

金屬預合金粉末在超硬材料行業中的大規模推廣應用是超硬行業發展的必然趨勢，可有效促推動行業的發展進步。但預合金粉末在行業中的推廣應用目前尚處于由引導消費向自主消費轉變的過渡期，預合金產業現在面臨的突出問題主要是產品質量的穩定提高和深入的技術服務支持，需要全體粉末生產廠商苦練內功，與用戶緊密協作，為用戶提供穩定的質優價廉產品和完善的售后技術支持，使預合金粉末產品能夠為眾多的中小用戶所接受認同，才能夠全面促進行業的發展進步，使我國成為超硬材料及其制品的生產強國。

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