CN103898344A - 一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法，属于金刚石材料制备加工方法技术领域。本发明首先制备超细铜钛合金粉末，然后将电解铜板和纯钛按比例混合，真空熔炼成铜钛中间合金，再利用氩气保护高能球磨的方法将中间合金制备成超细铜钛合金粉末；然后与铜粉、超细锡粉和其它超细粉末混合，在纯氢烧结炉内，烧结冷却后破碎；再通过筛分、合批包装工序，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合材料。本发明所制备的复合粉末材料可以改善金刚石胎体材料与金刚石界面浸润和粘结，较元素混合法成分均匀，用于金刚石工具刀头的质量稳定；较金刚石表面镀钛技术，成本低，刀头烧结温度低；相对于雾化法，成本低，粉末冷压性能优良。
Description
技术领域
本发明特别涉及的一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法，属于金刚石材料制备加工方法技术领域。
背景技术
近年来，我国金刚石和金刚石工具工业有了飞跃的发展，从数量的飞跃并开始了从质量上的提升。为提高金刚石工具的使用寿命和性能，金刚石业界研究的重点和关键技术是如何加强合金胎体材料对金刚石的冶金结合力，改善金刚石胎体对金刚石的浸润性。
上世纪七十年代，研究发现在铜、银等低熔点钎焊合金中添加了适量强碳化物形成元素，如Ti、Cr等之后，该合金对金刚石的浸润性有了显著的改善，其浸润角均可少于45度，合金成分调配合适时，其浸润角甚至可以达到0度，这种合金可以实现对金刚石冶金焊接。其机理是：当添加了适量强碳化物形成元素（Ti、Cr）于铜、银合金之后，在钎焊温度下，溶液中Ti、Cr元素优先与由碳原子构成的金刚石表面产生界面反应，生成相应的碳化物（TiC、Cr2C3）牢固地附着在金刚石表面上，合金溶液通过对界面生成碳化物的浸润和焊接（粘结）而实现对金刚石的浸润和焊接（粘结）。已经证实常用的十种强碳化物的形成元素Ti、Zr、Cr、V、Ta、Nb、Ha、W、Mo、Si，对金刚石均有类似的界面反应生成碳化物，均在不同程度上改善了钎焊铜、银合金对金刚石浸润和焊接（粘结）。
将这种焊接机理应用于金刚石工具：金刚石拉丝模、金刚石刀头及孕镶式金刚石工具生产制造上，由于实现了对金刚石的冶金焊接（粘结），增强合金基体（胎体）对金刚石的嵌镶与粘结力，显著提高了金刚石工具的寿命。
纵观国内外强碳化物形成元素对金刚石结合力方面的研究和应用，主要包括“金刚石表面金属化和包覆技术”，“改善金刚石胎体材料与金刚石界面浸润和粘结技术”。
“金刚石表面金属化和包覆技术”普遍采用真空微蒸方法在金刚石颗粒表面镀钛，使金刚石与镀层之间形成了金属碳化物镀层结构，镀层与金刚石发生了键合，而在表面层为纯金属钛，镀钛层与金刚石结合力大于140 MPa，这种结构使金刚石脱离率降低，出刃高度增加，且避免有害杂质影响金刚石性能。但这种镀钛技术对制造设备和原材料要求高，影响质量不稳定因素多，成熟技术掌握在一两个研究所和学校，且成本高；而且金属钛和胎体材料的结合工艺温度偏高。
“改善金刚石胎体材料与金刚石界面浸润和粘结技术”是对金刚石胎体材料的设计，提高烧结后的金刚石界面和胎体材料的浸润性。主要方法有：强碳化物形成元素与主体材料混合法、雾化法。混合法制作工艺简单，但存在以下问题：各元素粉末松装比重相差较大，成份不均匀，容易产生制品成份偏析，影响工具质量稳定性。雾化法生产的胎体粉末由于每个粉末颗粒都包含组成合金的各种金属元素，成份均匀性相当好。由于雾化粉末共熔点较合金中单元素熔点要低得多，因此烧结温度低。因此雾化法生产的预合金粉末在金刚石工具胎体材料中得到了应用。由于含强碳化物形成元素，如：Ti、Cr等，属于活性金属，采用水雾化大气中生产，损耗很大，如：铜80%锡13%钛7%合金粉采用水雾化生产，金属损耗率10%~20%，从社会和经济效益考虑，都是不经济的。另外，含强碳化物形成元素的合金粉可以采用真空氩气雾化来生产，但粉末呈球形或近球形，松装比重大，压制成形很差，尤其是对最近发展起来的金刚石工具刀头冷压生产工艺无法使用。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法。
一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将电解铜板和纯钛按比例真空熔炼成铜钛中间合金，其中铜和钛的质量比为（0.9:1）~（1.1:1）；
（2）将步骤（1）所制备的铜钛中间合金，利用氩气保护高能球磨的方法制备成超细铜钛合金粉末，所述其它超细粉末为镍粉或锌粉；
（3）将步骤（2）所制备的超细铜钛合金粉末，与铜粉、超细锡粉和其它超细粉末，按比例混合，其中铜元素的质量分数为70%~80%，锡元素的质量分数为5%~15%，钛元素的质量分数为5%~20%，其它元素的质量分数为0%~10%；在纯氢烧结炉内烧结后，冷却再破碎，得到混合粉末；
（4）将步骤（3）所制备的混合粉末，通过筛分、合批包装工序，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合材料。
步骤（2）中所述超细铜钛合金粉末的中位径D50为1 μm~5 μm。
步骤（3）中所述铜粉粒度为200目以细，超细锡粉或其它超细粉末的中位径为1 μm~5 μm。
所述步骤（3）中混料时间为1 h~2 h，在纯氢气氛中烧结，烧结温度为500 ℃~700 ℃，烧结时间为1 h~2 h。
本发明的有益效果为：
本发明所制备的含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉末材料可以改善金刚石胎体材料与金刚石界面浸润和粘结，较元素混合法成分均匀，用于金刚石工具刀头的质量稳定；较金刚石表面镀钛技术，成本低，刀头烧结温度低；相对于雾化法，成本低，粉末冷压性能优良，尤其适用于最新发展的金刚石工具刀头冷压生产工艺。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
利用本发明方法制备含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉末材料：其中铜的质量分数为80%，锡的质量分数为13%，钛的质量分数为7%，总质量为1kg。该方法具体步骤如下：
（1）将电解铜板和纯钛按质量比1:1比例混合，真空熔炼成铜钛中间合金；
（2）将步骤（1）所制备的铜钛中间合金，利用氩气保护高能球磨的方法制备成超细铜钛合金粉末，测得中位径D50为2.3 μm；
（3）取步骤（2）所制备的超细铜钛合金粉末140 g，与730 g的200目铜粉、130 g的超细锡粉（中位径D50为4.5 μm），混合1 h，然后在纯氢烧结炉内烧结，烧结温度580 ℃，烧结时间为1.5 h，冷却后再破碎，得到混合粉末；
（4）将步骤（3）所制备的混合粉末，通过200目筛网筛分，再合批包装，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉体材料：其中铜的质量分数为80%，锡的质量分数为13%，钛的质量分数为7%。
实施例2
利用本发明方法制备含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉末材料：其中铜的质量分数为80%，锡的质量分数为5%，镍的质量分数为5%，钛的质量分数为10%，总质量为1kg。该方法具体步骤如下：
（1）将电解铜板和纯钛按质量比1:1比例混合，真空熔炼成铜钛中间合金；
（2）将步骤（1）所制备的铜钛中间合金，利用氩气保护高能球磨的方法制备成超细铜钛合金粉末，测得中位径D50为4.1 μm；
（3）取步骤（2）所制备的超细铜钛合金粉末200 g，与700 g的200目铜粉、50 g的超细锡粉（中位径D50为3.0 μm），50 g的超细镍粉（中位径D50为2.8 μm），混合1.5 h，然后在纯氢烧结炉内烧结，烧结温度630 ℃，烧结时间为1.5 h，冷却后再破碎，得到混合粉末；
（4）将步骤（3）所制备的混合粉末，通过200目筛网筛分，再合批包装，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉体材料：其中铜的质量分数为80%，锡的质量分数为5%，镍的质量分数为5%，钛的质量分数为10%。
实施例3
利用本发明方法制备含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉末材料：其中铜的质量分数为75%，锡的质量分数为8%，锌的质量分数为3%，钛的质量分数为14%，总质量为1kg。该方法具体步骤如下：
（1）将电解铜板和纯钛按质量比1:1比例混合，真空熔炼成铜钛中间合金；
将步骤（1）所制备的铜钛中间合金，利用氩气保护高能球磨的方法制备成超细铜钛合金粉末，测得中位径D50为3.0 μm；
（3）取步骤（2）制备的超细铜钛合金粉末280 g，与610 g的200目铜粉、80 g的超细锡粉（中位径D50为1.5 μm），30g的超细锌粉（中位径D50为1.8 μm），混合2 h，然后在纯氢烧结炉内烧结，烧结温度600 ℃，烧结时间1.5 h，冷却后再破碎，得到混合粉末；
（4）将步骤（3）所制备的粉末，通过200目筛网筛分，再合批包装，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合粉体材料：其中铜的质量分数为75%，锡的质量分数为8%，锌的质量分数为3%，钛的质量分数为14%。
Claims (4)
1.一种铜基金刚石胎体复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将电解铜板和纯钛按比例真空熔炼成铜钛中间合金，其中铜和钛的质量比为（0.9:1）~（1.1:1）；
（2）将步骤（1）所制备的铜钛中间合金，利用氩气保护高能球磨的方法制备成超细铜钛合金粉末，所述其它超细粉末为镍粉或锌粉；
（3）将步骤（2）所制备的超细铜钛合金粉末，与铜粉、超细锡粉和其它超细粉末，按比例混合，其中铜元素的质量分数为70%~80%，锡元素的质量分数为5%~15%，钛元素的质量分数为5%~20%，其它元素的质量分数为0%~10%；在纯氢烧结炉内烧结后，冷却再破碎，得到混合粉末；
（4）将步骤（3）所制备的混合粉末，通过筛分、合批包装工序，制备出含强碳化物形成元素Ti的铜基金刚石胎体复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中所述超细铜钛合金粉末的中位径D50为1 μm~5 μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中所述铜粉粒度为200目以细，超细锡粉或其它超细粉末的中位径为1 μm~5 μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中混料时间为1 h ~2 h，在纯氢气氛中烧结，烧结温度为500 ℃~700 ℃，烧结时间为1 h~2 h。
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