CN105772730A - 一种金刚石珩磨油石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超硬珩磨技术领域，特指一种镀钨金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于使用一种经表面金属化处理的金刚石作为磨料制备珩磨油石，其步骤为先将金刚石颗粒进行镀钨预处理，再将预处理过的金刚石颗粒与金属结合剂按一定比例混合后球磨，然后将球磨好的混合粉体置于石墨模具中在热压烧结，或置于钢模中压制成坯体，并在还原气氛中无压烧结。本发明的制备的珩磨油石具有高强高硬，磨削效率高，自锐性强、使用寿命长，而且工艺成本低、工艺简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超硬珩磨技术领域，特指一种镀钨金刚石珩磨油石的制备方法，其目的在于增强金刚石磨粒与金属粘接剂之间的界面结合和优化制备工艺以提高珩磨油石的磨削效率、使用寿命和降低生产成本。
背景技术
金刚石珩磨是一种利用金刚石珩磨工具(如珩磨杆、轮、盘等)对金属、陶瓷、玻璃、硬质合金工件内孔、外圆面、平面、特殊曲面等表面进行光整和精整的加工方法。金刚石珩磨工具广泛应用于工程与矿山机械、能源化工、电子电器、航空航天、车辆船舶等行业，高性能的金刚石珩磨工具具有高效率、高精度、长寿命、自锐性强、不堵塞、无需修整等优点。金刚石珩磨工具的研制涉及材料配方组成、成型、烧结、以及与金属件的粘接或焊接工艺等诸多方面。
现有金刚石珩磨油石，长时间工作的情况下会发生失效，失效的原因在于其结合剂中的金刚石失去磨削作用，而造成这种情况的原因有两种：(1)金刚石与金属结合剂之间的结合力不够，使得磨削过程中磨粒脱落；(2)金属结合剂的自锐性不够，表层磨粒脱落之后，底层的磨粒无法快速的暴露出来，油石失去磨削性能。
根据资料检索，关于金刚石的表面金属化改性，因为金刚石性质稳定，与金属或者其他材料的界面结合性能差，现有的多数珩磨油石直接用金刚石与金属结合剂粉末混合热压烧结，如中国专利201310368302.X“一种珩磨油石”、中国专利201210304540.X“一种气缸套高效珩磨砂条”、中国专利ZL201110100297.5“用于加工汽缸套平台网纹的金刚石珩磨油石及其制备方法”和文献“舒智，许华松.新型金刚石珩磨油石的研制,探矿工程(岩土钻掘工程),2006,6:57-59”和“陈锋，刘明耀，方莉俐.加工渗硼45#钢及离子氮化1Cr18Ni9Ti不锈钢工件用金刚石和CBN珩磨油石的研制，金刚石与磨料磨具工程,1996,5(95):15-18”，其方法相当于直接将金刚石嵌到基体中，这会使得磨料和金属结合剂之间结合力较低，金刚石易脱落。
为了改善这种情况，一些科技工作者对金刚石表面镀覆一层金属，如中国专利201110160262.0“一种珩磨砂条”对金刚石磨粒进行镀Ni预处理；中国专利201310322141.0“一种金刚石表面镀钨的方法”和文献“汤小文,刘清友.金刚石的盐浴镀钨,西南石油学院学报,1998,20(4):63-65.”采用钨粉为钨源利用盐浴法在真空炉或电阻炉中对金刚石表面镀钨，与本申请相比，由于反应过程中钨原子的洁净度差使得其镀钨前处理过程更复杂，钨源成本也更高，且未进一步与金属结合剂进行烧结制备金刚石珩磨油石；如中国专利201510115052.8“一种新型高导热铜基复合材料制备方法”和文献“李宾华,张迎九.金刚石表面扩散镀钨的研究,金刚石与磨料磨具工程,2015,35(1):17-20”采用W或WO3粉与金刚石直接混合在管式炉中加热扩散镀钨；如中国专利ZL200610156074.X“金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备”和NeubauerE,KladlerG,Eisenmenger-SittnerC，etal,InterfaceDesigninCopper-DiamondcompositebyusingPVDandCVDcoateddiamonds.AdvancedMaterialsResearch,2009,59:214-219”采用化学或物理气相沉积工艺在金刚石颗粒表面形成镀钨层；如文献“王艳辉，王明智，关长斌,镀W金刚石与金属结合剂界面成分、结构及结合性能,人工晶体学报,1993,22(1):68-72”为采用磁控溅射镀钨；如中国专利201510643288.9“一种应用于石材切割刀具的新型金刚石镀覆工艺”采用水热合成工艺在金刚石颗粒形成含镀钨层，如文献“TanZQ,LiZJ,FanGL,etal,Enhancedthermalconductivityindiamond/aluminumcompositeswithatungsteninterfacenanolayer.Materials&Design,2013,47:160-166.”和文献“程少辉，金刚石表面金属化处理,2014，郑州大学硕士学位论文”采用溶胶凝胶法在金刚石颗粒表面形成镀钨层。
关于金刚石珩磨油石结合剂，在珩磨过程中金刚石脱落时，需要结合剂迅速磨损，让底层的金刚石裸露出来，即自锐性，这就需要结合剂具有一定的脆性，但也不能脆性太大，否则使得油石整体易断裂。同时，因为磨削会使温度升高，所以需要结合剂在高温下还能保证良好的机械性能。中国专利ZL201110134936.X“一种超精密加工汽缸套平台网纹金刚石树脂珩磨油石及其制备方法”采用高分子材料为粘接剂。而文献“舒智.汽车缸套珩磨用金刚石油石的研制与应用,汽车工艺与材料,1998,11:36-38”采用的结合剂主要成份为:Fe、Q663、Cu、Ni、Sn、Ti、Cr、TiC、WC以及陶瓷原料。
以上关于金刚石珩磨油石的制备方法中，直接采用未表面金属化金刚石作为磨粒的技术，存在磨料和金属结合剂之间结合力较低，金刚石易脱落等问题。在金刚石表面镀其他金属的方法中，存在着界面结合力较弱，镀层后金刚石容易发生大量的石墨化等问题。在表面镀钨的方法中，存在或者是钨原子洁净度较差、或者是工艺过程繁琐且工艺成本较高等问题，且未将其应用于珩磨油石。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种预镀钨金刚石磨粒与铜基金属结合剂混合热压或在还原气氛中无压烧结制备一种超硬珩磨油石的新方法。制备的珩磨油石具有高强高硬，磨削效率高，自锐性强、使用寿命长，而且工艺成本低、工艺简便等优点。
为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现，一种金刚石珩磨油石的制备方法，该方法由如下步骤组成：
(1)利用熔盐法将金刚石颗粒进行镀钨预处理。
(2)将配好的金属结合剂粉末和预处理好的金刚石粉末混合加无水乙醇球磨，并干燥，研磨。
(3)将球磨好的混合粉末置于热压模具中直接热压烧结，或置于钢模中模压成型，再氢气气氛无压烧结，得到所述金刚石珩磨油石。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的金刚石颗粒的熔盐法镀钨处理，其钨源包括钨酸铵、仲钨酸铵、偏钨酸铵或三氧化钨中的一种或几种，其中使用的盐组成为氯化钠、氯化钾、氯化钡、碳酸钠、硫酸钠中的两种或三种，具体方法为：(1)将金刚石、钨源(以钨原子摩尔数计算)、盐以10-20：1：10-20的摩尔比混合，其中金刚石粒度为10-120μm左右，所使用钨源和盐粉末或颗粒均采用市售产品(化学纯或分析纯)，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24-48h；(2)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1000-1200℃，保温30-120min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的金属结合剂粉末质量分数组成为50-75％的Cu，15-25％的Sn，2-8％的Ag，8-12％的Co，0-5％的Ti、Fe和/或Ni,各金属粉末粒度为40-120μm。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的球磨好的混合粉末，含金刚石粉末体积比为8-25％。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的球磨工艺为：将镀钨金刚石与金属结合剂粉末混合球磨，球磨球为玛瑙球，球磨介质为无水乙醇，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为24-72h。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的热压烧结工艺为在热压烧结机或真空热压炉中进行，烧结温度550-750℃，压力为15-25Mpa，保温时间3-15min。
上述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，所述的模压成型工艺的压力为300-500MPa，保压时间为1-2min，氢气烧结温度为700-900℃，保温时间为0.5-4h，升温速率为5-20℃/min.
本申请通过采用熔盐法对金刚石表面镀钨金属化预处理，使其Cu-Sn-Ag-Co系金属基体烧结紧密结合，一方面可保持超硬磨粒在珩磨加工过程中的高切削性能，同时可保证镀钨层在烧结过程不会进入金属基体，并与之反应形成脆性化合物，而损伤金属基体的性能。为了使镀W层与磨粒之间紧密结合且不能发生漏镀现象，一般要求镀钨层厚度为亚微米(100-1000nm)厚度范围，如果镀层太厚或太薄势必导致油石的磨粒容易脱落，从未影响产品的磨削效率和使用寿命。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)由于金刚石采用了预镀钨处理，增强了金刚石和金属结合剂之间结合力，从而使得制备的珩磨油石在珩磨过程中磨粒不易脱落。(2)采用无压烧结工艺，工艺简便，生产成本低。(3)采用的金属结合剂为铜基，主要含Sn、Ag、Co和Ti等组成，其中铜基结合剂成本较低，综合力学性能较好；Sn可降低烧结温度和增加基体硬度，同时可增加自锐性；Co可增强金属结合剂的高温力学性能及其对金刚石磨粒的把持力；Ag可降低烧结温度和提高珩磨油石的导热性；Ti可提高材料的综合力学性能，且在烧结时可与金刚石产生化学键结合。因此，制备的珩磨油石具有高强高硬，磨削效率高，自锐性优、使用寿命长、生产成本低等优点。
附图说明
图1是经过熔盐镀钨处理的金刚石颗粒。
图2是经过烧结后的金刚石珩磨油石条。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。本发明所述的熔盐法镀钨预处理步骤包括：(1)将金刚石、钨源(市售钨酸铵、仲钨酸铵、偏钨酸铵或三氧化钨中的一种或几种，化学纯或分析纯)、盐(市售氯化钠、氯化钾、氯化钡、碳酸钠、硫酸钠中的两种或三种，化学纯或分析纯)以10-20：1：10-20的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24-48h；(2)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1000-1200℃，保温30-120min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
本发明所述的金属结合剂粉末质量分数组成为50-75％的Cu，15-25％的Sn，2-8％的Ag，8-12％的Co，0-5％的Ti、Fe和/或Ni,各金属粉末粒度为40-120um。
本发明所述的球磨的球磨球为玛瑙球，球磨介质为无水乙醇，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为24-72h。
本发明包含一种利用表面镀钨金刚石磨粒制备珩磨油石的方法，该方法由如下步骤组成：
(1)利用熔盐法将粒度为10-120μm金刚石粉末颗粒进行镀钨预处理。
(2)将配好的金属结合剂粉末和体积比为8-25％预处理好的金刚石粉末混合加无水乙醇球磨，并干燥，研磨。
(3)将球磨好的混合粉末置于热压模具中直接热压烧结，或置于钢模中模压成型，再氢气气氛无压烧结，得到所述金刚石珩磨油石。
实施案例1
(1)将市售粒度约为120μm金刚石、钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、盐(氯化钠:氯化钾＝1:1，摩尔比)以20：1：20的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在真空下加热到1000℃，保温120min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
(2)将上述得到的体积比为8％镀钨金刚石与金属粉末(质量组成为50％的Cu，25％的Sn，8％的Ag，12％的Co，5％的Ti，粒度约为40μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为24h，将球磨好的粉末晾干研磨备用。
(3)将球磨好的混合粉末置于石墨模具中在热压烧结机烧结，烧结温度750℃，压力为15Mpa，保温时间3min，待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石。实施案例2
(1)将市售粒度约为120μm金刚石、仲钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、盐(氯化钠:碳酸钠:氯化钡＝1:1:1，摩尔比)以15：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在真空下加热到1100℃，保温60min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
(2)将上述得到的体积比为25％镀钨金刚石与金属粉末(质量组成为50％的Cu，25％的Sn，8％的Ag，12％的Co，5％的Ni，粒度约为40μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为48h，将球磨好的粉末晾干研磨备用；
(3)将球磨好的混合粉末置于石墨模具中在热压烧结机烧结，烧结温度650℃，压力为20Mpa，保温时间5min。待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石。实施案例3
(1)将市售粒度约为120μm金刚石、偏钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、盐(氯化钠:碳酸钠:硫酸钠＝1:1:1，摩尔比)以15：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨36h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在真空下加热到1200℃，保温30min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
(2)将上述得到的体积比为15％镀钨金刚石与金属粉末(质量组成为50％的Cu，25％的Sn，8％的Ag，12％的Co，2.5％的Ti和2.5％的Fe，粒度约为40μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为48h，将球磨好的粉末晾干研磨备用。
(3)将球磨好的混合粉末置于石墨模具中在真空热压炉烧结，烧结温度550℃，压力为25Mpa，保温时间15min，待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石。实施案例4
(1)将市售粒度约为120μm金刚石、三氧化钨(以钨原子摩尔数计算)、盐(氯化钠:氯化钾＝1:1，摩尔比)以10：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中加热到1200℃，保温60min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石(如图1)，从图1中可以看出，在经过镀覆后金刚石表面明显镀覆上了一层膜状物，金刚石棱角十分清晰保持了较为完整的晶形，基本保持了金刚石最初的形态，没有漏镀现象。
(2)将上述得到的体积比为10％镀钨金刚石与金属粉末(量组成为65％的Cu，20％的Sn，5％的Ag，10％的Co，粒度约为120μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为72h，将球磨好的粉末晾干研磨备用。
(3)将球磨好的混合粉末置于石墨模具中在热压烧结机烧结，烧结温度650℃，压力为15Mpa，保温时间3min，待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石(如图2)，从图2可以看出，试样烧结致密，气孔率小于1％，经进一步测试表明：平均硬度HRB大于99，平均弯曲强度达476MPa。
实施案例5
(1)将市售粒度约为10μm金刚石、钨酸铵+三氧化钨(可以以任意比混合，本实施例为1：1，以钨原子摩尔数计算)、盐(氯化钠:氯化钾＝1:1，摩尔比)以10：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在在真空气氛中加热到1100℃，保温60min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
(2)将上述得到的体积比为15％镀钨金刚石与金属粉末(质量组成为65％的Cu，20％的Sn，5％的Ag，10％的Co，粒度约为120μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为72h，将球磨好的粉末晾干研磨备用。
(3)将球磨好的混合粉末置于钢模中模压成型，压力为300MPa，保压时间为2min,烧结温度900℃，保温时间为0.5h，在800℃温度以下升温速率为20℃/min，在800-900℃升温速率为5℃/min。待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石。
实施案例6
(1)将市售粒度约为10μm金刚石、钨酸铵+仲钨酸铵+偏钨酸铵(可以以任意比混合，本实施例为1：1：1)、盐(氯化钠:氯化钾＝1:1，摩尔比)以10：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在真空气氛中加热到1200℃，保温60min，将所得产物经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
(2)将上述得到的体积比为10％镀钨金刚石与金属粉末(质量组成为75％的Cu，15％的Sn，2％的Ag，8％的Co，粒度约为120μm)混合球磨，其中球磨球为玛瑙球，球磨介质为酒精，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为72h，将球磨好的粉末晾干研磨备用。
(3)将球磨好的混合粉末置于钢模中模压成型，压力为500MPa，保压时间为1min，烧结温度700℃，保温时间为4h，在600℃温度以下升温速率为20℃/min，在600-700℃升温速率为5℃/min。待炉冷，取出，即得金刚石珩磨油石。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：
(1)利用熔盐法将金刚石颗粒进行镀钨预处理；
(2)将配好的金属结合剂粉末和预处理好的金刚石粉末混合加无水乙醇球磨，并干燥，研磨；
(3)将球磨好的混合粉末置于热压模具中直接热压烧结，或置于钢模中模压成型，再氢气气氛无压烧结，得到所述金刚石珩磨油石。
2.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于所述利用熔盐法将金刚石颗粒进行镀钨预处理指：
(1)将金刚石、钨源(以钨原子摩尔数计算)、盐以10-20：1：10-20的摩尔比混合，其中金刚石粒度为10-120μm，，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24-48h；
(2)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1000-1200℃，保温30-120min，将所得产物经超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
3.如权利要求2所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述钨源包括钨酸铵、仲钨酸铵、偏钨酸铵或三氧化钨中的一种或几种，其中使用的盐组成为氯化钠、氯化钾、氯化钡、碳酸钠、硫酸钠中的两种或三种。
4.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述的金属结合剂粉末质量分数组成为50-75％的Cu，15-25％的Sn，2-8％的Ag，8-12％的Co，0-5％的Ti、Fe和/或Ni，各金属粉末粒度为40-120μm。
5.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述的球磨好的混合粉末，含金刚石粉末体积比为8-25％。
6.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述的球磨工艺为：将镀钨金刚石与金属结合剂粉末混合球磨，球磨球为玛瑙球，球磨介质为无水乙醇，球料比为1:1，球磨转速为100r/min，球磨时间为24-72h。
7.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述的热压烧结工艺在热压烧结机或真空热压炉中进行，烧结温度550-750℃，压力为15-25Mpa，保温时间3-15min。
8.如权利要求1所述的一种金刚石珩磨油石的制备方法，其特征在于：所述的模压成型工艺的压力为300-500MPa，保压时间为1-2min，氢气烧结温度为700-900℃，保温时间为0.5-4h，升温速率为5-20℃/min。
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