CN102744691B - 一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料，由锡碳化钛结合剂和金刚石组成，其中，锡碳化钛结合剂的体积百分数为70~90%。相比其它高熔点陶瓷(TiC、SiC)，锡碳化钛(Ti2SnC)具有较低的熔点(1250℃)，本发明中采用熔点较低、性能优良的Ti2SnC材料作结合剂，通过优化制备工艺，促进锡碳化钛结合剂金刚石复合材料在实际工业制备温度(≦1000℃)下得到。大大推进新型陶瓷结合剂的进展和应用，具有广泛的应用前景。

Description

一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于一种金刚石磨具材料技术领域，尤其涉及一种新型锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
背景技术
金刚石磨具材料，是指用金刚石作为磨料，用各种不同结合剂将其粘结具有一定几何形状的材料的总称。金刚石复合材料广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域，产品已形成系列化，品种规格比较齐全。
金刚石磨具材料根据结合剂种类，可分为金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂。目前陶瓷结合剂主要为低温氧化物，具有如下一些缺点(李启泉，等，矿冶工程，2007，27（1）：75-77)：(1)耐火度较低，由于结合剂引入大量碱性物料，得到低温陶瓷结合剂，其各项性能(如热膨胀系数，强度等)不易控制;(2)制造过程中，结合剂对金刚石磨粒润湿粘结能力差，降低了结合剂对磨粒结合强度，磨具磨削加工时，磨粒脱落快，磨耗大;(3) 磨削加工时，磨削工具的抗冲击能力、抗疲劳性能都很差，在使用过程中容易发生脆裂现象，从而影响磨具磨削特性，此外，陶瓷导热性能差，磨削区域局部温度高，使磨粒容易热损耗，也会影响磨具磨削特性。
综上所述，传统的低温氧化物陶瓷结合剂限制了陶瓷结合剂金刚石磨具材料的应用。使现在的陶瓷结合剂金刚石材料性能有所突破，根本途径应该是采用新型陶瓷材料替换现有结合剂种类。但目前还无法采用性能优异的碳化物(如TiC、SiC等)或氮化物陶瓷替换以上传统氧化物陶瓷结合剂，这是由于这些陶瓷材料熔点都比较高(大多在2000℃以上)，烧结温度通常高于1300℃，这远远高于实际工业生产中对金刚石复合材料烧结制度的限制(≦1100℃)。此外，这些先进陶瓷材料的原料成本也大多较高，限制了它们在陶瓷结合剂上的应用。
近些年，一类新型锡碳化钛(Ti2SnC)陶瓷材料受到了广泛地重视，锡碳化钛兼具金属和陶瓷的共性：同其它陶瓷一样，具有高的屈服强度、良好的抗热震性和抗氧化性能；像金属一样，具有高电导率和高热导率，较低的硬度和较高的弹性模量和剪切模量，可以进行机械加工。目前以锡碳化钛为金刚石结合剂的复合材料还没有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是采用熔点较低、性能优良的Ti2SnC材料作结合剂，提出一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料，由锡碳化钛结合剂和金刚石组成，其中，锡碳化钛结合剂的体积百分数为70~90%。
制作方法一：首先，按上述配比将锡碳化钛颗粒与金刚石颗粒采用物理机械方法均匀混合5-10h，其中，锡碳化钛颗粒为锡碳化钛结合剂，粒径为53~74微米；然后，热压烧结，温度800~1000℃、压力20~50Mpa，烧结时间15~30分钟，制备成较致密的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
制作方法二：首先，以Ti、Sn、C和金刚石颗粒为原料或以Ti、Sn、TiC和金刚石颗粒为原料，其中，Ti、Sn、C或Ti、Sn、TiC为锡碳化钛结合剂，通过物理机械方法充分混合均匀后，用金属模具冷压成坯体；然后，把坯体放置在热处理炉中无压反应烧结，烧结过程中通入惰性气体保护或采用真空保护，温度900~1100℃、烧结时间1小时，制备成较致密的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
制作方法一、二：所述物理机械方法为球磨。
制作方法一、二：所制备的的复合材料的致密度为理论密度的95%。
制作方法二：Ti、Sn、C的摩尔比为（1.9~2.1）：（0.95~1.05）：（0.95~1.05）。
制作方法二：Ti、Sn、TiC的摩尔比（1~1.05）：（0.95~1.05）：（1~1.05）。
相比其它高熔点陶瓷(TiC、SiC)，锡碳化钛(Ti2SnC)具有较低的熔点(1250℃)，本发明中采用熔点较低、性能优良的Ti2SnC材料作结合剂，通过优化制备工艺，促进锡碳化钛结合剂金刚石复合材料在实际工业制备温度(≦1000℃)下得到。大大推进新型陶瓷结合剂的进展和应用，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1：
一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法，选用粒度为53~74微米的锡碳化钛颗粒与金刚石颗粒混合（粒度为140/170微米），锡碳化钛结合剂的体积百分数为70~90%，其余为金刚石颗粒。在球磨机混料5~10小时后，得到混合均匀的粉料；将所得混合料填充入高强石墨模具中，放入热压烧结机中进行烧结，升温速率100℃/min，温度为800~1000℃,保温15~30分钟，压力20~50Mpa，最后制备出锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
实施例2：
一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法，首先，选用粒度为53~74微米的Ti粉、Sn粉和C粉，按摩尔比（1.9~2.1）：（0.95~1.05）：（0.95~1.05）的比例称取，在球磨机中充分球磨5~10小时后，得到混合均匀的粉料；然后，把混合料与金刚石磨料混合，金刚石颗粒按体积百分比10~30%的比例称取，在球磨机混料5~10小时后，得到混合均匀的粉料；将所得混合料填充入高强石墨模具中，放入热压烧结机中进行烧结，升温速率100℃/min，温度为900~1000℃,保温15~30分钟，压力20~50Mpa，最后制备出锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
实施例3：
一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法，首先，选用平均粒度为53~74微米的Ti粉和Sn粉，TiC粉，按摩尔比（1~1.05）：（0.95~1.05）：（1~1.05）的比例称取，在球磨机中充分球磨5~10小时后，得到混合均匀的粉料；然后，把混合料与金刚石磨料混合，金刚石颗粒按体积百分比10~30%的比例称取，在球磨机混料5~10小时后，得到混合均匀的粉料；将所得混合料填充入高强石墨模具中，放入热压烧结机中进行烧结，升温速率100℃/min，温度为900~1000℃,保温15~30分钟，压力20~50Mpa，最后制备出锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
实施例4：
一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法，首先，选用粒度为60~70微米的Ti粉、Sn粉和C粉，按摩尔比2：1：1的比例称取，在球磨机中充分球磨5小时后，得到混合均匀的混合粉料；然后，把混合粉料与金刚石磨料混合，金刚石颗粒按体积百分比10%的比例称取，在球磨机混料10小时后，得到混合均匀的粉料，用金属模具冷压成一定尺寸的坯体；最后，把坯体放置在热处理炉中无压反应烧结，烧结过程中通入氩气保护，温度900℃、烧结时间1小时，最后制备成较致密(理论密度的95%)的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
实施例5：
一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料及其制备方法，首先，选用平均粒度为65微米的Ti粉和Sn粉，TiC粉，按摩尔比1：1：1的比例称取，在球磨机中充分球磨10小时后，得到混合均匀的混合粉料；然后，把混合粉料与金刚石磨料混合，金刚石颗粒按体积百分比30%的比例称取，在球磨机混料5小时后，得到混合均匀的粉料，用金属模具冷压成一定尺寸的坯体；最后，把坯体放置在热处理炉中无压反应烧结，烧结过程中通入氩气保护，温度1100℃、烧结时间1小时，最后制备成较致密(理论密度的95%)的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
在上述制造方法中，金刚石的型号和浓度,根据加工对象的材质和加工要求选定。

Claims (4)

1.一种锡碳化钛结合剂金刚石复合材料，其特征在于：由锡碳化钛结合剂和金刚石组成，其中，锡碳化钛结合剂的体积百分数为70~90%；制作方法如下：首先，按上述配比将锡碳化钛颗粒与金刚石颗粒采用物理机械方法均匀混合5-10h，其中，锡碳化钛颗粒为锡碳化钛结合剂，粒径为53~74 微米；然后，热压烧结，温度800~1000℃、压力20~50Mpa，烧结时间15~30 分钟，制备成较致密的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
2.根据权利要求1所述的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料的制作方法，其特征在于：首先，以Ti、Sn、C 和金刚石颗粒为原料或以Ti、Sn、TiC和金刚石颗粒为原料，其中，Ti、Sn、C 或Ti、Sn、TiC为锡碳化钛结合剂，通过物理机械方法充分混合均匀后，用金属模具冷压成坯体；然后，把坯体放置在热处理炉中无压反应烧结，烧结过程中通入惰性气体保护或采用真空保护，温度900~1100℃、烧结时间1 小时，制备成较致密的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料。
3.根据权利要求2所述的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料的制作方法，其特征在于：Ti、Sn、C 的摩尔比为（1.9~2.1）：（0.95~1.05）：（0.95~1.05）。
4.根据权利要求2所述的锡碳化钛结合剂金刚石复合材料的制作方法，其特征在于：Ti、Sn、TiC的摩尔比（1~1.05）：（0.95~1.05）：（1~1.05）。
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