CN105773448B - 一种金属结合剂磨具及其制备方法 - Google Patents

一种金属结合剂磨具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属结合剂磨具，其原料包括金属结合剂和磨料，所述金属结合剂为表面包覆有Ni‑Co合金层的Ni3Al粉体。本发明在Ni3Al粉末上包覆Ni‑Co合金层，既可以改善Ni3Al的烧结性能，又可以提高烧结后磨具的强度、韧性同时降低Ni3Al的室温脆性。并且，本申请中的金属结合剂对磨料的高温把持性能较好，能有效控制磨料的早期脱落行为，获得较长的使用寿命和优异的磨削能力。实验结果表明，本申请中的金属结合剂磨具的洛氏硬度为113HRB。本发明还提供了一种金属结合剂磨具的制备方法。

Description

一种金属结合剂磨具及其制备方法
技术领域
本发明属于磨削加工技术领域，尤其涉及一种金属结合剂磨具及其制备方法。
背景技术
金刚石磨具广泛应用于工程陶瓷材料，晶体材料，半导体材料，硬质合金材料以及复合材料的磨削加工。目前在高精密磨削领域，国内主要采用金属结合剂金刚石磨具，即，采用金属结合剂将金刚石磨料颗粒粘结成一个整体，形成磨具。该类磨具具有结合力强，磨削寿命长，形状保持性好等特点。
金属间化合物Ni3Al具有优异的宽温域反常屈服特性以及干式高温有氧环境的适应性，因此利用Ni3Al金属间化合物作为干式加工金刚石磨具的结合剂可以充分利用其高温蠕变强度，获得干式磨削中抵抗微尺度高温蠕变的性能，以改变传统结合剂的低蠕变强度特征。但是Ni3Al的熔点高(1390℃)，在此温度下与金刚石进行固相致密化烧结过程中对金刚石的损伤较大，导致最终的磨具硬度偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属结合剂磨具及其制备方法，本发明中的金属结合剂磨具的硬度较高。
本发明提供一种金属结合剂磨具，其原料包括金属结合剂和磨料，
所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体。
优选的，所述Ni3Al粉体的粒径为10～50μm。
优选的，所述Ni-Co层的厚度为0.5～5μm。
优选的，所述磨料为金刚石和/或立方氮化硼。
优选的，所述磨料的粒度为20～130目。
优选的，所述金属结合剂磨具中磨料的体积分数为7.25～50％。
优选的，所述金属结合剂中Ni3Al粉体的体积分数为75～95％。
本发明提供一种金属结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
A)将Ni3Al粉体浸入镀液中进行化学镀，得到金属结合剂，所述镀液中包括Ni离子和Co离子；
B)将金属结合剂与磨料混合后进行球磨，得到球磨混合料；
C)将球磨混合料进行冷压成型，得到坯体；
D)将所述坯体进行烧结，得到金属结合剂磨具。
优选的，所述步骤B)中球磨的时间为15～60min；
所述步骤B)中球磨的球料比为(5～20)：1；
所述步骤B)中球磨的转速为100～300r/min。
优选的，所述步骤D)中烧结的温度为750～1000℃；
所述步骤D)中烧结的压力为40～100MPa；
所述步骤D)中烧结的时间为5～20min。
本发明提供了一种金属结合剂磨具，其原料包括金属结合剂和磨料，所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体。本发明在Ni3Al粉末上包覆Ni-Co合金层，既可以改善Ni3Al的烧结性能，又可以提高烧结后磨具的强度、韧性同时降低Ni3Al的室温脆性。并且，本申请中的金属结合剂对磨料的高温把持性能较好，能有效控制磨料的早期脱落行为，获得较长的使用寿命和优异的磨削能力。实验结果表明，本申请中的金属结合剂磨具的洛氏硬度为113HRB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体与金刚石磨料混合后的结构示意图；
图2为本发明实施例中经烧结后的金属结合剂磨具结构示意图；
图3为附着有本发明实施例中金属结合剂磨具层的砂轮结构示意图；
图4为本发明实施例1中金属结合剂的SEM图；
图5为本发明实施例1中金属结合剂EDS分析图。
具体实施方式
本发明提供了一种金属结合剂磨具，其原料包括金属结合剂和磨料，
所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体。
本发明中的金属结合剂磨具具有较高的强度。
在本发明中，所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体，所述Ni3Al粉体的粒径优选为10～50μm，更优选为15～45μm，最优选为20～40μm，具体的，在本发明的实施例中，所述Ni3Al粉体的粒径可以是20μm、25μm或30μm；所述Ni-Co合金层的厚度优选为0.5～5μm，更优选1～4μm，最优选为2～3μm；在所述金属结合剂中，所述Ni3Al粉体的体积分数优选为75～95％，更优选为80～90％。
在本发明中，所述磨料优选包括金刚石和/或立方氮化硼(CBN)，所述磨料的粒径优选为20～130目，更优选为30～125目，最优选为40～110目，所述磨料在金属及合剂磨具中的体积分数优选为7.25～50％，更优选为8～40％，最优选为10～30％，具体的，在本发明的实施例中，可以是8％、10％或12.5％。
在本发明中，所述磨料均匀分布在金属结合剂中，形成一个整体，本发明在Ni3Al粉末上包覆Ni-Co合金层，既可以改善Ni3Al的烧结性能，又可以提高烧结后磨具的强度、韧性同时降低Ni3Al的室温脆性，微包覆结构还可以保证金属结合剂中Ni3Al的高体积分数(75～95％)，使本发明中的金属结合剂磨具保证较好的高温加工适应性。
参见图1～3，图1为包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体与金刚石磨料混合后的结构示意图；图2为本发明实施例中经烧结后的金属结合剂磨具结构示意图；图3为附着有本发明实施例中金属结合剂磨具层的砂轮结构示意图。
本发明还提供了一种金属结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
A)将Ni3Al粉体浸入镀液中进行化学镀，得到金属结合剂，所述镀液中包括Ni离子和Co离子；
B)将金属结合剂与磨料进行球磨得到，得到球磨混合料；
C)将球磨混合料进行冷压成型，得到坯体；
D)将所述坯体进行烧结，得到金属结合剂磨具。
本发明将Ni3Al粉体浸入镀液中进行化学镀，得到金属结合剂，在本发明中，所述Ni3Al粉体的粒径优选为10～50μm，更优选为15～45μm，最优选为20～40μm；所述镀液中包括Ni离子和Co离子，更优选包括硫酸镍、硫酸钴、次亚磷酸钠、乳酸、无水乙酸钠、丙酸、丁二酸、甘氨酸和十二烷基硫酸钠。在所述化学镀液中，硫酸镍的含量优选为30～35g/L，具体的，可以是31g/L或32g/L；所述硫酸钴的含量优选为31.5～36g/L，具体的，可以是32.5g/L或33.5g/L；次亚磷酸钠的含量优选为34～36g/L，更优选为35g/L；乳酸的含量优选为20～23mL/L，具体的，可以是21mL/L或22mL/L；所述无水乙酸钠的含量优选为8～9g/L；丙酸的含量优选为10～12mL/L；丁二酸的含量优选为10～13g/L，具体的，可以是11g/L或12g/L；甘氨酸的含量优选为0.01～0.03g/L；十二烷基硫酸钠的含量优选为50～53mg/L，具体的，可以是52mg/L。
在本发明中，所述化学镀的温度优选为70～90℃，更优选为75～85℃；所述化学镀的时间优选为30～60min，更优选为40～50min；所述化学镀液的pH值控制在5.0～6.0。
完成化学镀后，本发明优选将完成化学镀的Ni3Al粉体用酒精清洗、烘干，得到金属结合剂，所述烘干的温度优选为60℃；所述烘干的时间优选为40min。得到的金属结合剂中的结构、各组分的含量均与上文中的金属及合剂一致，在此不再赘述。
本发明将金属结合剂与磨料进行球磨，得到球磨混合料，在本发明中，所述磨料优选包括金刚石和/或立方氮化硼(CBN)，所述磨料的粒径和在金属及合剂磨具中的体积分数与上述技术方案中的磨料一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述球磨的转速优选为100～300r/min，更优选为150～250r/min，最优选为200r/min；所述球磨的球料比优选为(5～20)：1，更优选为(10～15)：1；所述球磨的时间优选为15～60min，更优选为30～50min，最优选为35～45min；所述磨球和原料的总体积不超过球磨罐体积的2/3。
得到球磨混合料后，本发明将球磨混合料进行冷压成型，得到坯体，本发明优选将所述球磨混合料放入冷压模具中冷压成型，得到坯体。在本发明中，坯体压坯密度为30％～50％，优选为40％。
得到坯体后，本发明将坯体进行烧结，得到金属结合剂磨具，在本发明中，所述烧结优选包括放电等离子烧结、热压烧结或气氛热压烧结，所述烧结的温度优选为750～1000℃，更优选为800～950℃，最优选为850～900℃；所述烧结的时间优选为5～20min，更优选为6～15min，最优选为8～10min；所述烧结的压力优选为40～100MPa，更优选为50～80MPa，最优选为60～70MPa，具体的，可以是40MPa、50MPa或60MPa。
本发明提供了一种金属结合剂磨具，包括金属结合剂和磨料，所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体。本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的金属结合剂磨具与传统金属结合剂(Cu、Co、Ni、Fe等)磨具相比具有烧结性能好，对金刚石热损伤低，高温蠕变变形小的特点，且结合剂对金刚石的高温把持力大，能减少金刚石的早期脱落。
(2)本发明的金属结合剂磨具在干式加工硬脆材料中具有较好的高温加工适应性，并且能保持高的锋利度和加工效率。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种金属结合剂磨具及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将粒径为20μm的Ni3Al粉末放入配好的含Ni和Co离子化学镀液(硫酸镍30g/L、硫酸钴31.5g/L、次亚磷酸钠34g/L、乳酸20ml/L、无水乙酸钠8g/L、丙酸10ml/L、丁二酸10g/L、甘氨酸0.01g/L、十二烷基硫酸钠50mg/L)中充分反应，取出、烘干后获得金属结合剂。得到的金属结合剂Ni-Co合金镀层厚度为1μm。
将金属结合剂与粒度40～50目的金刚石磨料进行球磨，均匀混合，球磨机转速为200r/min，球磨时间为30min，球料比为10：1，获得磨料制备材料。
将磨料制备材料放入冷压模具中冷压成型，获得磨具坯体。
对步磨具坯体进行热压烧结，获得超硬磨具。热压烧结最高温度为800℃，保温时间为10min，压力为50MPa。得到的磨具中金刚石磨料体积分数为8％。
本发明对本实施例中的金属结合剂进行电镜扫描，结果如图4所示，图4为本发明实施例1中金属结合剂的SEM图；选取图4方框中的部分进行EDS元素分析，结果如图5所示，图5为本发明实施例1中金属结合剂化学EDS分析图；由图5可知，O元素重量百分比12.54％，原子百分比30.44％；Na元素重量百分比5.11％，原子百分比8.63％；Al元素重量百分比5.1％，原子百分比7.35％；P元素重量百分比2.98％，原子百分比3.74％；S元素重量百分比1.28％，原子百分比1.55％；Ni元素重量百分比72.99％，原子百分比48.29％。其中，Co元素的含量可能低于检测线，在检测结果中无法显示。由图4～5可以看出，经化学镀后的Ni3Al粉末颗粒变大，并且从其能谱图中出现了磷，氧，钠等镀液中所含的元素，证明了Ni3Al粉末表面已经被镀上了Ni-Co层。
实施例2
将20μm的Ni3Al粉末放入配好的含Ni和Co离子化学镀液(硫酸镍31g/L、硫酸钴32.5g/L、次亚磷酸钠34g/L、乳酸21ml/L、无水乙酸钠9g/L、丙酸10ml/L、丁二酸10g/L、甘氨酸0.01g/L、十二烷基硫酸钠50mg/L)中充分反应，取出、烘干后获得金属结合剂。得到的金属结合剂Ni-Co合金镀层厚度为2μm。
将金属结合剂与粒度125～130目的CBN磨料进行球磨，均匀混合，球磨机转速为150r/min，球磨时间为60min，球料比为15：1，获得磨料制备材料。
将磨料制备材料放入冷压模具中冷压成型，获得磨具坯体。
对步磨具坯体进行热压烧结，获得超硬磨具。热压烧结最高温度为900℃，保温时间为6min，压力为60MPa。得到的磨具中金刚石磨料体积分数为12.5％。
实施例3
将粒径为25μm的Ni3Al粉末放入配好的含Ni和Co离子化学镀液(硫酸镍31g/L、硫酸钴32.5g/L、次亚磷酸钠34g/L、乳酸22ml/L、无水乙酸钠8g/L、丙酸10ml/L、丁二酸11g/L、甘氨酸0.01g/L、十二烷基硫酸钠52mg/L)中充分反应，取出、烘干后获得金属结合剂。得到的金属结合剂Ni-Co合金镀层厚度为3μm。
将金属结合剂与粒度25～30目的金刚石磨料进行球磨，均匀混合，球磨机转速为250r/min，球磨时间为15min，球料比为10：1，获得磨料制备材料。
将磨料制备材料放入冷压模具中冷压成型，获得磨具坯体。
对步磨具坯体进行热压烧结，获得超硬磨具。热压烧结最高温度为1000℃，保温时间为10min，压力为40MPa。得到的磨具中金刚石磨料体积分数为10％。
实施例4
将粒径为30μm的Ni3Al粉末放入配好的含Ni和Co离子化学镀液(硫酸镍32g/L、硫酸钴33.5g/L、次亚磷酸钠35g/L、乳酸20ml/L、无水乙酸钠9g/L、丙酸10ml/L、丁二酸12g/L、甘氨酸0.01g/L、十二烷基硫酸钠53mg/L)中充分反应，取出、烘干后获得金属结合剂。得到的金属结合剂Ni-Co合金镀层厚度为5μm。
将金属结合剂与粒度45～50目的CBN磨料进行球磨，均匀混合，球磨机转速为200r/min，球磨时间为35min，球料比为10：1，获得磨料制备材料。
将磨料制备材料放入冷压模具中冷压成型，获得磨具坯体。
对步磨具坯体进行热压烧结，获得超硬磨具。热压烧结最高温度为750℃，保温时间为20min，压力为50MPa。得到的磨具中金刚石磨料体积分数为12.5％。
本发明按照GBT 2490-2007方法检测了实施例1～4得到的磨具进行性能检测，结果如表1所示，表1为本发明实施例1～4得到的磨具的性能数据。
表1本发明实施例1～4得到的磨具的性能数据
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
密度(g/cm<sup>3</sup>) 6.4 6.6 6.7 6.7
抗弯强度(MPa) 61 67 70 71.6
洛氏硬度(HRB) 101 105 110 113
由以上表1可知，本发明的新型干式加工超硬磨具硬度高，故其工作效率较好，此外，结合剂采用Ni3Al，由于其本身具有的高温特性，使得本发明的磨具较好的高温加工适应性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种金属结合剂磨具，其原料包括金属结合剂和磨料，
所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体；
所述Ni3Al粉体的粒径为10～50μm；
所述Ni-Co合金层的厚度为0.5～5μm；
所述金属结合剂中Ni3Al粉体的体积分数为75～95％。
2.根据权利要求1所述的金属结合剂磨具，其特征在于，所述磨料为金刚石和/或立方氮化硼。
3.根据权利要求2所述的金属结合剂磨具，其特征在于，所述磨料的粒度为20～130目。
4.根据权利要求1所述的金属结合剂磨具，其特征在于，所述金属结合剂磨具中磨料的体积分数为7.25～50％。
5.一种金属结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
A)将Ni3Al粉体浸入镀液中进行化学镀，所述镀液中包括Ni离子和Co离子；得到金属结合剂，所述金属结合剂为表面包覆有Ni-Co合金层的Ni3Al粉体；
所述Ni3Al粉体的粒径为10～50μm；
所述Ni-Co合金层的厚度为0.5～5μm；
所述金属结合剂中Ni3Al粉体的体积分数为75～95％；
B)将金属结合剂与磨料混合后进行球磨，得到球磨混合料；
C)将球磨混合料进行冷压成型，得到坯体；
D)将所述坯体进行烧结，得到金属结合剂磨具。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中球磨的时间为15～60min；
所述步骤B)中球磨的球料比为(5～20)：1；
所述步骤B)中球磨的转速为100～300r/min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤D)中烧结的温度为750～1000℃；
所述步骤D)中烧结的压力为40～100MPa；
所述步骤D)中烧结的时间为5～20min。
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