鐵鎳納米晶的性能與應用
摘要: 本文報告了不同宏觀粒度尺寸和氧含量的鐵鎳納米晶的特殊性能,以及由此帶來的金剛石工具制造技術(shù)的變革。
關(guān)鍵詞: 鐵鎳納米晶，金剛石工具制造，預合金粉末
1． 引言
鐵鎳納米晶具有良好的燒結(jié)活性，其工藝性能和使用性能，取決于納米多晶結(jié)構(gòu)，納米晶粒尺寸越細，燒結(jié)活性越高。為了讓鐵鎳納米晶在粉末冶金過程中充分發(fā)揮其特別功能，需要比較全面的系統(tǒng)研究和廣大用戶探索。鐵鎳納米晶的氧含量對燒結(jié)溫度和燒結(jié)密度的影響很大，只是和“常規(guī)”情況相反，氧含量越高，壓制性越好，燒結(jié)密度越高，燒結(jié)溫度越低，抗彎強度越高，硬度影響不大。對鋒利度的影響不大，對耐磨性的影響很大，對壓制性的影響很大。一個反常規(guī)的東西才可能是一個創(chuàng)新，它是納米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)使然。采用鐵鎳納米晶與低熔點合金配合做配方可以在700℃左右安全性良好的耐磨胎體，可以更好調(diào)整金剛石工具的鋒利度和耐磨性及工作恒穩(wěn)性，它將改變金剛石制造的主流工藝，進一步提高中國金剛石工具的性價比。
2． 實驗條件
實驗采用SM/3熱壓機燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍在600-840℃之間，保溫4分鐘，壓力為20KN，研究鐵鎳納米晶及其使用在配方中的胎體密度、硬度、抗彎強度隨燒結(jié)溫度變化規(guī)律。
采用排水法測定胎體密度，采用HR-150DT洛氏硬度儀檢測胎體硬度，使用標準為HRB，采用DKZ-5000型電動抗折試驗機檢測胎體抗折強度，跨距為28mm。
鐵鎳納米晶的粉末結(jié)構(gòu)形貌如圖1：
1a FAM1010 1b FAM1021
1c FAM1032 1d FAM1041
圖1 不同還原溫度條件下獲得的電解合金納米多晶
鐵80鎳20納米晶在還原過程中聚集成微米級的小顆粒。FAM1010的粒度峰值D50約35微米左右，SEM照片取到的是一個粉末表面的形貌，它說明這個大顆粒是由許多小顆粒在高溫還原的過程中粘接聚集起來的。這樣的結(jié)構(gòu)，粉末的流動性和壓制性肯定不錯，燒結(jié)過程低熔點合金容易填充顆粒間的縫隙，從而形成性能均勻的胎體。FAM1021的形狀更復雜，呈現(xiàn)出多種形狀，主體粉末結(jié)構(gòu)依然是細小顆粒粘接而成，宏觀粒度尺寸亦小，但依然有很好的流動性，成形性能更好。燒結(jié)曲線實驗表明，燒結(jié)溫度比FAM1010低50℃，比單質(zhì)鐵粉低100℃左右。FAM1032宏觀粒度尺寸細小，松裝密度小，比表面積大，性能穩(wěn)定，適合做高檔工具和激光焊接過渡層。FAM1041鐵鎳錳硅磷合金，則能確保刀頭形狀和鋒利度俱佳。
考查不同型號鐵鎳納米晶對燒結(jié)工藝的影響，采用的配方考慮了還原鐵粉不超過35%時對工藝穩(wěn)定性影響較小的實驗經(jīng)驗，因而使用了超細鐵粉。考查氧含量和鋒利劑的影響使用的配方如下：
配方g 25%FAM1000，12%電解銅粉 ,25%超細鐵粉，32%還原鐵粉， 3%錫，3%FAM1041
配方k 25%FAM1000，12%電解銅粉 ,25%超細鐵粉，30%還原鐵粉， 3%錫，5%FAM1041
3． 實驗結(jié)果與討論
3.1 不同氧含量對性能的影響
還原前為10微米粒徑的粉末，還原后不同氧含量的產(chǎn)品分為：
FAM1020 0.5%，FAM1021 1.0% ，FAM1022 1.5%
根據(jù)實驗結(jié)果和客戶的使用情況，FAM1022+Cu即可制造高耐磨性和長壽工具，并且鋒利度很好。
從燒結(jié)曲線看，FAM1022和我們早期的客戶說是鴉片的SB-1的性能一致，硬度能做到高于110HRB，抗彎強度達到1600MPa以上，但不再有790-850℃的一個平臺，說明鐵鎳納米晶保留了，我們確實炸開了原來的蜂窩。燒結(jié)溫度降低了，是納米多晶存在的應用價值所在。這也是我們可以做低溫燒結(jié)配方秘訣。相反，FAM1020氧含量低，幾乎沒有代鈷功能，只比羰基鐵粉之類的超細粉末強化胎體功能強一點，燒結(jié)溫度和目前市場上流行的粉末倒是很匹配。這是TF20有一定市場空間的原因。FAM1021的性能接近FAM1022，說明氧含量大于1%后，氧含量的影響變得不敏感。
3.2． FAM1020、 FAM1021、 FAM1022在同一配方中的表現(xiàn)
在配方g中的表現(xiàn)，鐵鎳納米晶的氧含量對燒結(jié)溫度和燒結(jié)密度的影響很大，只是和“常規(guī)”情況相反，氧含量越高，壓制性越好，燒結(jié)密度越高，燒結(jié)溫度越低，抗彎強度越高，硬度影響不大。也就是說對鋒利度的影響不大，對耐磨性的影響很大，對壓制性的影響很大。一個反常規(guī)的東西才可能是一個創(chuàng)新，它是納米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)使然。
3.3．粒度尺寸的影響
FAM1010、TF20還原前的粒度峰值是30微米，氧含量分別是1%和0.5%，FAM1020、FAM1021、FAM1022都是10微米。燒結(jié)曲線實驗結(jié)果表明，我們常說的粗一點像鎳，細一點像鈷與實驗結(jié)果一致。粒度細的硬度高一點，強度低一點，粒度越細，燒結(jié)溫度越低。在這個配方體系，納米多晶更容易和硅錳磷成形硬脆合金。
3.4．FAM1041的用量影響
FAM1041的用量對胎體性能的影響，反應極其敏感。增加一點FAM1041胎體立即變得硬脆。并且確實可以大大減少銅用量，阻止錫的流失，提高工藝穩(wěn)定性，提高鋒利度。它將是我們的產(chǎn)品走進千家萬戶的利器。
3.5. 低溫燒結(jié)配方的研究
選取量組有代表性的實驗結(jié)果來討論低溫燒結(jié)配方的設計方法，用鐵鎳納米晶和低熔點合金組合構(gòu)成FAM3010，微調(diào)FAM3010配方添加錳合金形成FAM3012，兩者都非常鋒利，耐磨性則差別很大。
FAM3010用到鉆頭等要求耐磨性好的工具中，提高鋒利度而不影響耐磨性。FAM3012則是提高磨邊輪鋒利度及其胎體對金剛石的把持力的好材料。
FAM3010的組成 FeCu25Ni14Sn2P2
FAM3012的組成 FeCu30Ni12Sn4.5Mn2.4P2.5
從多次多組燒結(jié)曲線實驗結(jié)果看，成分差別對胎體性能的影響大，但工藝穩(wěn)定性，胎體性能穩(wěn)定性非常好，這些優(yōu)點都來自低溫液相合金化更均勻，更穩(wěn)定。通過調(diào)整配方成分，我們可以從FAM3012到FAM3010之間制造各種適合目前市場需求的胎體配方。燒結(jié)溫度在720-780℃之間，并且具有很好的工藝性能和使用性能。
3.6.鐵鎳納米晶與霧化粉末配合使用
用鐵鎳納米晶FAM1022和含錫高銅熔點較低的霧化粉末制備兩個通用配方l f g p和l f p t，它們的成分組成和基本性能如下。
（1） lfgp
成分組成 Cu39Ni5Sn 4P 1Fe（余量）
理論密度 8.079 g /cm3
松裝密度 2.7-2.9 g /cm3
氧 含 量 0.6- 0.8%
（2）lfpt
成分組成 Cu27Ni5Sn 4P 1Fe（余量）
理論密度 7.861 g /cm3
松裝密度 2.7-2.9 g /cm3
氧 含 量 0.6- 0.8%
燒結(jié)曲線實驗結(jié)果是，680℃時，lfgp和lfpt的燒結(jié)體就都可以獲得
100HRB左右的硬度，800MPa以上的抗彎強度，燒結(jié)溫度達到800℃時，抗彎強度都能達到1100MPa以上，繼續(xù)提高燒結(jié)溫度，兩者的硬度繼續(xù)緩慢升高，lfpt的抗彎強度繼續(xù)升高，但lfgp的抗彎強度開始緩慢下降。相對而言，lfgp會比lfpt更鋒利。從它們的組成看，lfgp是一個中性配方，lfpt是一個耐磨型配方，都可以幫助單質(zhì)粉配方提高硬度和強度，增強胎體對金剛石的把持力。適合于提高各類金剛石工具的綜合性能。
3.7.鋒利型工具的開發(fā)
鐵鎳納米晶在較低溫度條件下開始熔化，液相鐵鎳優(yōu)先親潤金剛石表面，并且在胎體內(nèi)部能夠形成一個牢固的骨架，我們在制造自銳性胎體或使用粘結(jié)材料時就不會破壞胎體對金剛石的把持力，從而確保金剛石工具具有令人滿意的吃入高度和使用壽命。
FAM2020和FAM2021就是按照這個思路設計，得到了客戶迅速認可和廣泛使用。這里我們以兩款可以用于磨邊輪或者大刀頭的配方供大家參考：
（1）S1
FAM1022 10%
Cu 5%
Fe 71%
FAM1041 8%
Sn 6%
（2）S2
FAM1022 10%
FAM201 10%
Fe 71%
FAM1041 6%
Sn 3%
燒結(jié)曲線實驗結(jié)果如下。
4． 結(jié)論
能夠大幅度降低燒結(jié)溫度才是納米多晶，鐵鎳納米晶能夠在較低燒結(jié)溫度條件下獲得高強度金剛石工具胎體。
鐵鎳納米晶能夠使微量元素的作用變得更敏感，同時又更穩(wěn)定。
鐵鎳納米晶配方體系成本低，制造金剛石工具性價比高。
用鐵鎳納米晶做配方時，只要考慮納米結(jié)構(gòu)的影響比氧含量及粒度的影響大多了，就能明白它對工藝穩(wěn)定性的作用。
