加速制定水雾化铁铜基预合金粉末质量行业标准的思考

肖明清,余勇,曾归余,覃思思

(湖南省冶金材料研究院,湖南长沙 410129)

加速制定水雾化铁铜基预合金粉末质量行业标准的思考

肖明清,余勇,曾归余,覃思思

(湖南省冶金材料研究院,湖南长沙 410129)

简述了目前国内铁铜基预合金粉的发展状况,介绍了加速制定水雾化铁铜基预合金基础粉末质量行业标准的重要性、可行性及已具备的条件,并提出制定行业质量标准应包括的主要技术条件(化学成分、松装密度、粒度及其组成、颗粒形貌等)、测试方法及检验规则等方面的建议。

水雾化;预合金粉末;行业标准;金刚石工具

1 前言

上世纪90年代,比利时、法国以及德国等国家的相关公司先后研发了超细铁-钴-铜等系列预合金粉末,实用表明,采用这些胎体粉末,即使在减少稀缺金属钴含量的情况下,胎体对金刚石仍然具有良好的把持力。由此,这些超细铁-钴-铜等系列预合金粉末便获得了产业化的应用。针对国内金刚石工具的实际情况,我国相关单位,如上海材料所、中国地质大学、中国矿业大学、中南大学、安泰科技、有研粉末以及湖南冶金材料院等单位,也陆续开展了预合金粉末的研发及应用的研究,并获得了相应的成果[1-3]。这些成果为我国金刚石工具大规模应用预合金粉末奠定了基础。

近十年来,为了适应我国金刚石工具胎体用铁铜基预合金粉末快速发展的需求,相关单位加快了采用具有投资少、成本低、污染小且易于规模化生产等特点的水雾化工艺法,进行以铁铜为主的预合金粉末的生产,以扩大其生产规模。据不完全统计,2014年国内铁铜基预合金粉末的年产量已超过五千吨,主要生产厂家有河南黄河旋风、雅豪新材料科技以及湖南冶金材料院等,另有一些厂家也在新建相应的生产线,并开发了相关品种。这一发展态势表明,我国已经形成了自有特色的金刚石工具胎体粉末系列,并为促进我国成为世界金刚石工具的“制造大国”作出了重要贡献。

湖南冶金材料院自上世纪90年代起,便加大了对金刚石工具用的铁铜系列预合金粉末的系统研发与产业化生产的投入[3-4],目前已建立了多条生产线,批量生产金刚石预合金胎体粉末系列。多年来,我们在不断拓展市场应用时发现,同一种产品,不同的用户,总是会对其质量的表征项目(如化学成分、氧含量、粒度、松装密度等)及其指标提出不同的要求。为此,我们不得不分别采用不同的生产工艺及后处理方法等措施以满足其需求。产需双方因质量表征项目及其指标参差不齐所造成的困扰,已越来越受到业内研究人员的关注。对此,我们十分赞同业内有识之士所提出的建议,即,应尽早推动制定相关粉末行业技术标准,统一并完善现有质量表征项目及其指标,以便为工具的设计与制造提供有力的支撑,进而为促进我国金刚石工具性能的提高和稳定打造更加扎实的基础。

为了促进此项工作的开展,希望我们以下的观点,能起到抛砖引玉的作用。欠妥之处,还望得到同仁的赐正。

2 制定行业质量标准的几点看法

2.1 条件基础

经过多年的共同努力,目前我国水雾化铁铜基预合金粉已取得快速发展,尤其是FeCu30、FeCu40等基础粉末,年产量约4～5千吨,已成为金刚石工具最主要的原料粉末之一,我国金刚石工具以铁铜基为主体的胎体体系已经形成,其制造与应用技术也已趋于成熟。此外,关于粉末各项质量指标(如粉末的化学成分、氧含量、粒度及其组成、松装密度、颗粒形貌以及压制性能等)对金刚石工具制作过程及使用性能的影响等问题,也已进行了大量试验研究[5-10],不少质量项目,己经被产需双方作为质量验收的依据。这些研究与应用的成果,为制定行业质量标准提供了基础条件。另外,一些技术力量强、装备条件好的企业,先后积累的相应企业质量标准,也可为制定相应的产品质量行业标准提供很好的借鉴。

其次,人们通常会将某一行业的质量标准视为行业产品质量的统一基础水平。同时,基于标准的推荐性,它不会阻碍各自企业为了满足高端用户的需求,另行制定并实施比行业质量水平更高的标准。因而我们相信,通过贯彻相应行业质量标准,不仅能有效促进我国金刚石工具性能的全面提高与稳定,同时亦会为进一步攻克至今尚难全面满足的用户质量需求(如较大幅度改善其压制性能等)以及今后不断提升行业质量标准水平留下发展的余地。

再者,产品质量的提高是无止境的,为了方便使用,对产品的质量项目及其指标要求也是多种多样的。只是有些要求受制于现有制造工艺以及装备的局限,并非一蹴而成。我们不能期待在这些问题取得突破之后,再行制定产品质量的行业标准。因此目前某些质量指标尚存在不如意的情况,应该不成为妨碍我们尽快着手组织制定行业标准的问题。

综上所述,笔者认为,制定水雾化铁铜基预合金基础粉末质量行业标准的条件已经成熟,制标工作有必要提上议程。

2.2 制定与实施行业质量标准的效益分析

首先,制定与实施行业质量标准有利于制粉企业稳定生产工艺,并为稳定粉末质量创造良好条件。水雾化铁铜基预合金粉末的质量控制,涉及多个环节,包括精选原材料、合理配投料、严控熔炼与雾化工艺以及后处理工艺等。每个环节参数控制的误差度及其累计率的差异都会或多或少地影响最终产品的质量。有了规范统一的质量标准,制造者便可通过工艺试验,找出各个工序确保最终产品质量的最佳参数,并以此制定工艺操作规程,既方便操作者重复执行,也有利于现场管理者对工艺纪律的监督,从而为稳定最终产品质量提供了有力保障。

生产工艺稳定性是确保产品质量稳定的基础,而产品质量的规范统一化又为工艺的稳定性提供了必要前提条件。生产工艺与质量的规范化,两者之间相互促进方可产生良性循环。这正是规模化、批量化的生产所必须的条件。也就是说产品质量的标准化,确保了工艺的稳定性,从而为生产厂家批量化、规模化生产提供有力保障。而规模化大生产则为生产企业提高与稳定产品质量,提高经济效益提供了最有效的途径。

其次,对于使用水雾化预合金粉末金刚石工具厂家来说,有了行业质量标准,将不用再被动地接受产品,而是可以依据规定的质量标准,选择适合自己应用的牌号,并可直接通过检验相关质量项目来判定产品是否合格,为规范的原料粉末采购提供了保障。同时,稳定的粉末质量也为制备高性能、高稳定性的金刚石工具产品提供了必要的基础条件,从而有助于提高市场竞争力并取得相应的经济效益。

最后,统一规范的质量检验标淮,还为供需双方洽定合同条款提供了方便,避免了因质量偏差的误判而导致的质量纠纷。规范化的质量检验工作,亦可优化质量检验作业,提高工作效率,节约人力物力,从而降低产品成本。

3 对水雾化铁铜基预合金粉末行业质量标准具体内容的建议

至今我国已制定了不少的金属粉末行业质量标准,如电解铜粉,其国家质量标准曾于2007年再次进行了修改[11],由于此粉末已大量应于金刚石工具,故其具体内容对于制定本文拟议中的标准应具有较好的借鉴作用。

以下是我们对制定水雾化铁铜基预合金粉末行业质量标准具体内容的建议,仅供参考。

3.1 主要技术条件及要求

金属粉末的技术条件通常包括:化学成分、粒度及其组成、松装比重、流动性、压制性、理论密度、颗粒形貌等。

化学成分包括组成元素、氧及主要杂质等含量的重量百分比及其允差范围;

组成元素及其含量系材料最基本特性,对于金刚石工具的各项性能(含机械、物理,特别是实际使用性能)起着重要的作用。要指出的是,生产不同批次粉末时其成分的准确含量,因加工工序多,影响因素复杂,通常与目标的额定值存在一定的偏差,并且此偏差对工具性能稳定性的影响程度并不亚于其成分重量比的额定值,因此,标准中通常还要标明其允许波动的范围。

氧含量对金刚石工具性能的影响已经有了较为全面的研究[8-9],粉末颗粒表面氧化物的存在,阻碍了颗粒间的界面结合,也影响了金属粉末颗粒与金刚石的接触,从而大大降低了胎体的结合强度以及对金刚石的把持力。研究表明,当水雾化铁铜预合金粉末的氧含量超过5000×10-6时,将对工具的使用性能产生较大的负面影响,当氧含量≤4000×10-6时,工具的使用性能和寿命得到较大改善。通过应用研究,我们建议将水雾化预合金基础粉行业标准的氧含量定为(3000±500)×10-6。

杂质含量对产品性能也有较大的影响,它取决于制粉时选用的原材料质量品级。故也应该有明确的规定,并通常以≤wt﹪表示。

松装比重是粉末质量的重要项目之一,对粉末的压制成型性有着很大的影响,应当标明其绝对值及允差。压制成型性差是影响水雾化预合金粉末进一步扩大用量比例的瓶颈。为了改善混合粉料的成型性,一般需要加入其它方法生产的单质或合金粉末进行调节。现阶段对铁铜预合金粉末的松比值标准建议为≤3.5g/cm3。

粒度及其组成是粉末技术条件的重要内容。对于金刚石胎体基础粉末,粒度及其组成是预判其成形性、压缩性及烧结活性等的重要因素,因此,应该对此指标及其检测方法作出详细规定。现阶段通常要求铁铜基预合金粉末的粒度小于48微米(300目),其中大于48微米的粉末应≤5%。对此项指标,有的单位用筛分析、激光粒度等多种测试方法得到的数据来分别表示,受到用户的欢迎。

颗粒形貌一般指粉末颗粒的形状和表面状态,对其压制性及烧结性影响较大。水雾化预合金胎体粉末颗粒中通常既有棒状、树枝状等不规则形粉末,又有少量不利于压制的球形、类球形等规则形粉末。尽量减少球形和类球形粉末是水雾化预合金胎体粉末的发展方向。建议规定其颗粒形貌为不规则状,对于超细粉末,还应描述其聚集状态等。建议采用适当的标准图片,以便更形象地得以表述。

理论密度是提供工具设计计算投料量的依据。通常是按照预合金粉末的牌号标准成分的额定值(也即中间值)的比例计算而得的。如能通过检测其实际生产样品的量值,便可找出与上述额定值的偏差。此偏差值的大小,则可表明该批合金粉末元素的实际化学成分组成的准确度。(注:此数据有利于计算粉末投料量的准确度,或可作为标准的附件,供参考执行。)

此外,关于粉末烧结活性度的数据,诸如,不同烧结温度下获得的机械、物理性能之变化曲线等。笔者以为,这些特性并非粉末自身固有,不仅受到热压温度、压力及参数变化过程的影响,还与胎体合金所达到的致密度与组织结构等状态密切相关。因此,对于这些非粉末自身的特性,建议通过销售技术服务的相关参考资讯,进行有针对性的传递或许更为合理。

3.2 测试方法

行业标准中测试方法的确定十分重要,它决定着检测方法的适用性和检测值的准确性,而测试方法专业性较强,建议制定标准时应有相关检测方面的专业人员参加,以达到标准规定中检测方面内容的正确性及权威性。

对于水雾化铁铜基预合金粉末测试方法,笔者参考其他粉末产品标准,建议包括:粉末冶金用粉末的取样方法(GB5314)、粉末化学成分分析方法(GB223)、粉末氧含量测定(GB4164)、粉末松装密度的测定(GB1479)、粉末粒度及粒度组成的测定(GB1480)、颗粒形貌(显微镜)等。

3.3 检验规则

产品的质量检验应由生产厂家的质量检验部门进行,并出具质量报告单。用户收到产品应对其进行复检,如有异议应在双方约定日期前提出,如检验结果不符合规定,应对不合格品项目取双倍数量的试样,按测试方法的规定进行复检,如仍有不符合本标准规定的,则该批产品判定为不合格。

4 结语

目前水雾化预合金粉末品种多、质量参差不齐,已经对胎体粉末乃至金刚石工具的发展造成制约,加速制定水雾化铁铜基预合金基础粉末的质量行业标准,不仅必要而且已具备了条件。制定质量标准范围,既是粉末生产厂家为控制产品自身质量的通常手段,也是金刚石工具厂家作为预判该粉末可否采用的重要依据。

同理,对于已大批量用于金刚石工具上的其他金属粉末,笔者希望也能早日制定出相应的行业质量标准,并且相信通过制定并贯彻这些行业质量标准,必能为提高我国金刚石工具的性能及性能的稳定性起到积极有效的作用。

我们期待此文在起到抛砖引玉作用的同时,更企盼业内相关协学会组织及有识之士,能共同为促进加速开展此项标准化工作出谋划策,作出努力。

[1] 张绍和,杨凯华.金刚石工具预合金胎体粉末制备技术[J].金刚石与磨料磨具工程,2001(2):26-29.

[2] 徐浩翔,麻洪秋,罗锡裕,赵同春.雾化预合金胎体粉末的制备及其在金刚石工具中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2004 (1):45-48.

[3] 肖俊玲,胡国程,丘定辉.金刚石工具铁基结合剂的应用及展望[J].湖南有色金属,2002(1):29-31.

[4] 余勇,黄圣坤,曾归余.金刚石工具用预合金粉末生产现状及发展趋势[J].金属材料与冶金工程,2010(5):49-53.

[5] 董书山,周小彦,董小雷,江斌,侯俊彦.超硬材料制品用水雾化预合金粉末的进展应用及存在问题[J].超硬材料工程,2013 (6):47-52.

[6] 李伟,刘一波,时会彬,杨永波,董书山,刘晓旭.超硬材料工具用雾化预合金粉末的应用特性及发展趋势[C].2010海峡两岸超硬材料技术发展论坛,会议论文:285-289.

[7] 程文耿.金刚石工具胎体合金特性的探讨[J].超硬材料工程, 2011(3):31-34.

[8] 董书山,刘晓旭,胡占锋,安文文.金属粉末质量控制对金刚石工具性能影响的探讨(上)[J].超硬材料工程,2011(5):14-17.

[9] 董书山,刘晓旭,胡占锋,安文文.金属粉末质量控制对金刚石工具性能影响的探讨(下)[J].超硬材料工程,2011(6):29-32.

[10] 黄圣坤,余勇,曾归余,肖明清.金刚石工具用FeCu30预合金粉末水雾化工艺的研究[C].2012年全国超硬材料技术发展论坛,会议论文,2012:192-194.

[11] 电解铜粉国家标准.GB/T5240-2007,2007.11.

Thought of the Acceleration of Setting up an Industrial Quality Standard for Water Atomized Fe-Cu-base Prealloyed Powder

XIAO Ming-qing,YU Yong,ZENG Gui-yu,QIN Si-si
(Hunan Metallurgy Material Institute,Changsha,Hunan,China 410129)

The current development situation of Fe-Cu-base prealloyed powder in China has been briefly introduced in this article.The significance,feasibility and available conditions for the acceleration of setting up an industrial quality standard for water atomized Fe-Cubase prealloyed powder have also been introduced.Meanwhile,recommendations of the key technical conditions(Chemical composition,apparent density,particle size and its composition,morphology,etc),testing methods and inspection rules which should be included into the industrial quality standard have been proposed.

water atomization;prealloyed powder;industrial standard;diamond tools

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0047-04

2015-06-25

肖明清,男,1973年生,高级工程师,长期从事金属粉末的研发及应用工作。

肖明清,余勇,曾归余,等.加速制定水雾化铁铜基预合金粉末质量行业标准的思考[J].超硬材料工程,2015,27(6):47-50.