粉末制粒工艺在金刚石工具制造中的应用研究.doc

粉末制粒工艺在金刚石工具制造中的应用研究A STUDY ON TECHNOLOGY OF GRANULATION IN MANUFACTURING OF DIAMOND TOOLS 孟凡爱1 刘英凯1 王建强2（1河北省金刚石工具工程技术研究中心 石家庄 050035）（2石家庄铁道学院 石家庄 050043）Meng Fanai1 Liu Yingkai1 Wang Jianqiang2(1Diamond Tools Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Shijiazhuang 050035,China)(2Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang 050043,China)摘 要: 本文根据GA180型制粒机的特点，探讨了制粒工艺参数之间以及不同金属粉末松裝密度与粘结剂加入量之间的关系，并对常用的三种粘结剂进行了优选。结果表明：当混料时间为10分钟，输送带速2m/min，转盘转速120rpm，刮料杆转速13rpm时，制粒机所制得的颗粒效果最好；相同的工艺条件下，粘结剂GB600的加入量最少，而制粒合格率高达97.9%，颗粒强度表征值比率达到91%；不同金属粉末的松裝密度与粘结剂的最佳加入量呈近似线性关系，且当其斜率约为1.22时，效果最佳。关键词：制粒；颗粒强度；工艺优化；松裝密度；粘结剂加入量Abstract：Based on the characteristics of GA180 granulator, studied in this paper are the relations between the addition of binders and the apparent density of metal powders. Meanwhile, the optimizing tests are conducted on three kinds of binder. The results show that when the mixing time is 10min, the speed of the conveyor belt is 2m/min, the velocity of rotor plate is 120rpm and the velocity of passing vane is 13rpm, the effect of granulating is the best. Under the same technological conditions, the addition amount of GB600 is the least, but the rate of granulates up to standards reaches 97.9%, the rate of characterizing value for particle strength reaches 91%. The relationship between the addition amounts of the binders and apparent density of different metal powders is linear, and when the slope is 1.22, the granulating effect is the best.Keywords：granulation; the strength of particles, process optimization; apparent density; addition amount of binders0 前言近年，我国金刚石工具行业取得了长足的发展，粉末制粒工艺已经被普遍的应用于工业生产之中1,2。随着制粒工艺的不断完善，容积式自动冷压机也开始大量应用，生产效率得到了大幅的提升3。粉末在制粒之后流动性得到了提高，金刚石的分布更加均匀，从而提高了冷压制品的尺寸和质量精度，改善了刀头的性能4。1 实验设备、仪器 制粒设备是德国Dr. Fritsch公司生产的GA180型10kW制粒机。该机由GM130混料器、螺旋输送器、筛网搓碎器、偏心摆滚动盘以及电热烘干装置组成，生产效率为2 10kg/h。采用该设备制粒时，其工艺为：干混加粘结剂搅拌刮板搓筛滚动制粒 5。工艺的特点是，将挤压搓筛与滚动制粒合成一体，在粘结剂的作用下，金属粉末与金刚石包裹而成为颗粒。通过筛网尺寸与搓筛刮板速度可以控制颗粒大小，并通过偏心滚动使颗粒成形。在实验中颗粒强度测试6 采用“滚筒转动法”，滚筒规格为150mm×200mm，转速为80转/分。制粒颗粒的形貌采用KYKY-2800B型扫描电镜和德国Diainspect OSM系统进行分析。2、实验方法 采用正交实验法，用正交表安排实验。1) 首先确定颗粒强度表征值（筛上物比率）和成品率为试验指标。2) 根据GA180制粒机工艺特点，确定因素水平，见表1。3) 选取按L9（34）正交表7安排正交试验，见表2。 表1 因素水平表Table.1 Factors and levels因素水平混料时间（min）A输送带速（m/min）B转盘转速 (rpm)C刮料转速 (rpm) D1235 (A1)10 (A2)15 (A3)2 (B1)2.6 (B2)3.2 (B3)90 (C1)120 (C2)150 (C3)9 (D1)11 (D2)13 (D3) 4) 颗粒强度测试：选取粗于80目的颗粒物料300g放入滚筒中，滚动10分钟，然后将物料取出，在80目震动筛上筛分2分钟，然后称取筛上物料的重量，计算占初始物料重量的百分率，并用此比率来表征颗粒强度的大小。3、实验结果及分析3.1 制粒形貌图1为制粒颗粒放大十倍的SEM照片，可以看到颗粒形状为等积形。图2为单颗粒放大三十倍的形貌照片，其中金刚石被金属粉末包裹良好。所制颗粒经过80目筛子后，成品率在低95%以上，其颗粒强度表征值不低于90%，颗粒有较好的强度便于储藏运输，这样制得的颗粒流动性好，压制出的刀头质量稳定性好。图1 GA180制粒颗粒形貌Fig.1 SEM photo of granulaed metal powders图2 单颗粒形貌照片Fig.2 The photo of particles of granulaed metal powder3.2 正交试验结果实验结果见表2。 表2正交实验表与正交结果表Table.2 Results of orthogonal-design experiment for granulating试验号混料时间（min）输送带速度转盘转速刮料杆转速成品率（%）筛上物比率（%）123456789A1A1A1A2A2A2A3A3A3B1B2B3B1B2B3B1B2B3C1C2C3C2C3C1C3C1C2D1D2D3D3D1D2D2D3D19594.2694.049894.7195.795.5979685.886.1889.0890.6888.9385.3686.1683.4982.61成品率均值K1K2K394.4396.1496.296.295.3295.2595.996.0994.7595.2495.396.35极差R1.770.951.341.11强度均值 k1 k2 k387.6987.7384.0987.5486.285.0184.8886.4988.0585.7885.987.75极差R3.642.533.171.971) 确定主次因素从正交结果表（表2）中试验指标极差值可判断因素主次为 成品率： A C D B 由主到次 筛上物比率： A C B D 由主到次2)确定各因素所取水平 从正交结果表（表2）中，取各因素k1、k2、k3最大的那个水平为最好水平，即：A2B1C2D3或A2B1C3D33）图3、图4给出了各因素的趋势图。混 料 时 间输 送 带 速 度转 盘 转 速刮 料 杆 转 速混 料 时 间输 送 带 速 度转 盘 转 速刮 料 杆 转 速 水平levellevel水平图4 筛上物比率与因素水平的关系图Fig.4 The relationship between factors and particle strength图3 成品率与因素水平的关系图Fig.3 The relationship between the factors and rates of the granulates up to standards3.3 对正交设计试验的结果的验证本实验对正交设计试验的结果A2B1C2D3和A2B1C3D3各做了一次试验，验证如下：表4 实验验证表 Table.4 Verification of the results of orthogonal-design experiment A2B1C2D3A2B1C3D3成品率（%）9799502强度（%）91.29211由生产经验可知，当颗粒强度表征值达90时，所造颗粒即可满足工艺要求。此时，制粒合格率应尽可能选取高值，因此，选取A2B1C2D3为优化工艺，即：混料时间10分钟，输送带速2m/min，转盘转速120rpm，刮料杆转速13rpm.。经生产验证，最终颗粒成品率、强度表征值分别达到97%与90%以上，粒度分布范围集中于0.2mm-1.5mm之间。4、 金属粉末松裝密度与粘结剂加入量之间的关系通过对不同类别的金刚石工具中常用胎体金属粉末的制粒试验，得到了不同松装密度D1、D2、.D6的金属粉末成粒率与粘结剂加入量之间的关系，如图5所示。从图中可以看出6种金属粉末的制粒曲线特点相同，即，随着粘结剂加入量的增加，颗粒的粒径变大、成粒率急剧增加，细粉率减少；当粘结剂加入到一定量值时，曲线出现拐点B，此时，制粒成粒率最高，且颗粒形状好，呈等积形，此后，随着粘结剂加入量增加，成粒率增加缓慢，颗粒逐渐变长，呈柱状，这样的颗粒流动性变差，因此，拐点B对应的粘结剂入量为最佳值。图5 不同松装密度的金属粉料造粒效果与粘结剂加入量的关系Fig.5 The diagram of relationship between the addition amount of binders and the effect of granulating图6是主要成分为Fe-Ni-WC，松装密度为3.12 g/cm3的粉末所制颗粒放大十倍的SEM照片。 其中a、b、c、d照片的粘结剂加入量分别为35ml/kg、40ml/kg、和 55ml/kg。从图中可以看出，随着粘结剂的增加，细粉量逐渐减少，颗粒成品率逐渐增加。但当粘结剂加入量超过拐点值后，颗粒形状呈现柱状，如图6c所示。图6 不同粘结剂含量的粉料所制颗粒形貌的SEM照片。其中，（a）35Ml/kg（b）40Ml/kg（c）45Ml/kg（d）55Ml/kgFig.6 SEM photos of granulates manufactured with powders containing different content of binders（a）35Ml/kg（b）40Ml/kg（c）45Ml/kg（d）55Ml/kgabcd图7为金属粉末松装密度与粘结剂最佳加入量之间的关系。从图中可以看出，在2.960.72g/cm3范围内，粉末松装密度D与粘结剂最佳加入量B之间呈线性关系，直线斜率K约为1.22，在此直线附近选取参数值，制粒效果最佳。图7 粉料松装密度与粘结剂最佳加入量的关系Fig .7 The diagram of relationship between the optimal addition amount of binders and the apparent density of the powders 5、 三种粘结剂的性能对比图8 A、B、C三种粘结剂制粒效果比较Fig .8 The comparison of the granulating effect of different binders 粘结剂加入量与细粉率关系曲线- 粘结剂加入量与强度关系曲线粘结剂的性能对制粒的效果以及产品性能有很大的影响8。一般而言，颗粒尺寸及其颗粒强度均随着粘结剂加入量的增加而增加，但过多的粘结剂会对锯片刀头的使用性能产生负面影响。因此，粘结剂加入的原则是：在保证制粒合格率和强度的情况下，粘结剂的加入量应尽可能地少。本实验采用优化工艺，选用Fe-Co基金属粉末，分别对锯片常用的三种粘结剂进行了制粒试验，并用A、B、C来分别表示其代号，其中C所代表的粘结剂为德国产的GB600。 图8为A、B、C三种粘结剂的加入量与成粒率、强度表征值的关系曲线。从图中可以看出，当粘结剂C的加入量为70ml/Kg时，其曲线出现拐点，此时的制粒颗粒效果好，成粒率可达97.9%，强度表征值为91%。而对于粘结剂A和B，只有当其加入量为90ml/kg时，其成粒率分别为96%和96.9%，强度表征值分别为89.3%和89.8%，才与粘结剂C的制粒效果相当，但此时颗粒形状呈现柱状。因此，C粘结剂在加入量较少的情况下，就能得到颗粒成品率和强度表征值指标均达到工艺要求的制粒效果，是一种最佳的制粒粘结剂。6、 结论当采用GA180型设备制粒时，其最佳工艺参数是：混料时间为10分钟，输送带速为2m/mim，转盘转速为120rpm，刮料杆转速为13rpm。（2）不同金属粉末的松裝密度与粘结剂的最佳加入量呈线性关系，其斜率约为1.22。 （3）对常用的三种粘结剂制粒效果进行了对比试验。结果表明，GB600粘结剂的效果最好，制粒的合格率高达97.9%，颗粒强度表征值达到91%。参考文献1 卢寿慈.粉体加工技术M.中国轻工业出版社.1999.312-3322 章兼植.当前金刚石工具制作中的几个热点技术.珠宝科技.2002.23 S.Burckhardt.New technique for granulating diamond and metal powders J. Metal Powder Report ，1998，Volume 53.Issue 4：28-29 4 Martin chipperfield. Pressure swing granulation: novel technology for hardmetals .Powder Metallurgy, 1999, Vo1.42.No1 :1213 .5 黄漫，罗锡裕.造粒粉末在金刚石工具中的应用.金刚石与磨料磨具工程.2002.36 王秦生.金刚石烧结制品M.中国标准出版社.20007 张铁茂，丁建国.试验设计与数据处理M.兵器工业出版社.19908 李范珠.药物制粒技术M.化学工业出版社.2007作者简介：孟凡爱，男，1965生，博深工具股份有限公司副总工程师，正高级工程师。E-mail: bosun-mfasohu.com