CN109504346A - 一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金刚石微粉‑铜基合金复合材料颗粒及其制备方法，所述制备方法先将锡、碳化物形成元素和铜混合加热得到合金熔体，并通过中间包将所述合金熔体制成合金流束，再将金刚石微粉注入合金流束得到混合流束，然后用高压惰性气体喷射混合流束得到液滴，最后急速冷却所述液滴，即得。本发明制备方法得到的金刚石微粉‑铜基合金复合材料颗粒，可用于复粒铜锡合金熔点以下的任意磨具的结合剂体系，获得金刚石微粉结合剂磨具，并在磨具中实现金刚石微粉良好的把持和均匀的分散。

Description

一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒及其制备方法
技术领域
本发明属于金刚石抛光磨具技术领域，具体涉及一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒及其制备方法。
背景技术
天然或人造金刚石磨料在工业应用中，总体分为三个级别：
(1)用于锯切/钻进的金刚石(粒径450-250μm)；
(2)用于磨削的金刚石(粒径250-50μm)；
(3)用于抛光的金刚石(粒径0.1-50μm)，这类金刚石也称之为金刚石微粉。
金刚石磨料要通过结合剂的把持，才能实现对工件材料的有效加工，把持金刚石磨料的结合剂材料，包括金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂，金刚石磨料均匀分散于金属、陶瓷、树脂结合剂的基质中成为磨具。这类磨具，也称作为结合剂磨具。
对于金刚石的结合剂磨具而言，所包含的金刚石颗粒越粗，其个体颗粒的表面积越大，也就越有利于结合剂对个体金刚石颗粒的把持；而包含的金刚石颗粒越细，其个体颗粒的表面积越小，结合剂对个体金刚石颗粒的把持也就越困难。因此，对于金刚石微粉的磨具而言，因金刚石微粉的把持状态和分散状态难以掌控，因此，质量得不到有效控制，使得制作难度很大。
例如，在由粉末冶金工艺制作的金属结合剂金刚石微粉磨具中，金属粉末基质在烧结中是呈固相、或部分液相烧结的，原料金属结合剂粉末表面，不可避免的存在或多或少的表面氧化物膜，使其烧结后的显微组织中存在粉末颗粒之间的氧化物界面。如果金刚石颗粒比粉末粗，金刚石颗粒与金属粉末的接触面上，可以形成大量粉末颗粒之间构成的粘接基质，对金刚石颗粒实现有效的把持。而相金刚石颗粒比结合剂金属粉末细，例如使用金刚石微粉，其颗粒粒径接近于或小于结合剂金属粉末颗粒尺寸，则在该情形下，金刚石将可能分布于粉末颗粒的氧化物界面上，由金属氧化物包裹金刚石，使其得不到金属结合剂的有效把持。同时，由于金刚石与金属结合剂之间存在较大的密度差异和比例差异，使得在磨具制作的操作期间，可能造成金刚石微粉的严重偏析。把持不牢和偏析，将严重造成金刚石微粉磨具的性能不稳定。在陶瓷或树脂结合剂磨具中，也存在相似的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒及其制备方法，所述制备方法可有效解决目前金刚石微粉结合剂磨具所存在的问题，提高对金刚石微粉的把持，改善金刚石微粉在基质中的分散性。
本发明的技术方案为：
一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、碳化物形成元素和铜混合后加热得到合金熔体；
(2)将步骤(1)所述合金熔体通过中间包制成合金流束；
(3)将粒径为1-50μm的金刚石微粉注入步骤(2)所述合金流束，得到混合流束；
(4)用高压气体喷射步骤(3)所述混合流束，得到液滴，然后对所述液滴进行急速冷却，得到凝固的颗粒；
(5)对步骤(4)所述凝固的颗粒进行筛选，即得到粒径为100-750μm的所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒。
进一步地，步骤(1)中，所述熔体中锡、碳化物形成元素和铜的质量比为5-40:0.1-2:58-94.9；所述碳化物形成元素为钛、钨、钼、铬中的任意一种；进行所述加热至温度为950-1200℃。
进一步地，步骤(2)中，所述合金流束的流量为3-12kg/min。
进一步地，步骤(3)中，所述金刚石微粉的注入流量为13-422g/min。
进一步地，步骤(4)中，所述高压气体为高压氮气、高压氩气中的一种或两种的混合物；所述高压气体的压力为0.2-2MPa；所述急速冷却的冷却速度为103-105K/sec。
进一步地，步骤(5)中，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积占1-8％。
所述方法制备得到的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒。
所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在金属结合剂抛光磨具中的应用。
所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在树脂结合剂抛光磨具中的应用。
所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在陶瓷结合剂抛光磨具中的应用。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，先将锡、碳化物形成元素和铜混合加热得到合金熔体，并通过中间包将所述合金熔体制成合金流束，再将金刚石微粉注入合金流束得到混合流束，然后用高压惰性气体喷射混合流束得到液滴，最后急速冷却所述液滴，即得。最终制备得到的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，实现了金刚石微粉在以锡、碳化物形成元素和铜组成的铜基合金基质中的均匀分散。
2、本发明所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，一方面，锡和铜对金刚石微粉具有机械把持的作用，另一方面，碳化物形成元素与金刚石表面发生化学反应生成碳化物，所述碳化物构成与金刚石微粉之间化学粘接的桥梁。通过以上两方面的作用机制，增强了以锡、碳化物形成元素和铜组成的铜基合金基质对金刚石微粉的把持。
3、本发明采用的急速冷却工艺，冷却速度达到103-105K/sec，首先，由于从液态到固态处于微秒级的范围内，金刚石微粉受到的热影响可以忽略不计(包括金刚石微粉的氧化、碳化和强度损失)；其次，急速冷却工艺，使得金属间化合物得到了细化(≤1μm)，从而提高了基质材料的物理/机械性能，防止了合金基质组元的宏观偏析；再次，由于急速冷却工艺是在惰性气氛下进行，极大的消除了氧气与金刚石微粉之间的接触，使本发明所述复合颗粒内部氧含量降至最低，且因本发明颗粒粒径较大，使得总含氧量进一步降低，从而有效的保障了本发明对金刚石微粉的有效把持；最后，急速冷却工艺所获得的复粒呈球形或椭圆形，具有良好的流动性和填充性，因此，本发明所述复合材料颗粒适合于任何结合剂的粉体工艺。
4、由于本发明采用的以锡、碳化物形成元素和铜组成的铜基合金基质具有较高的液相线温度(720-1060℃)，因此，本发明方法制备得到的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒适合于大部分金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂磨具的工艺温度，改善这些结合剂对金刚石微粉把持状态和分散，进而大幅提高金刚石微粉结合剂磨具的性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、钛和铜按质量比25:0.3:74.7混合后加热至980℃，得到合金熔体；
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包，使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束，用柱塞阀控制所述合金流束流量为3kg/min，所述合金流束进入氮气气氛的雾化室；
(3)在氮气气氛的雾化室，将粒径为20μm的金刚石微粉按流量55g/min注入所述合金流束，得到混合流束；
(4)以0.2MPa的高压氮气喷射所述混合流束，使混合流束变成液滴，然后以103K/sec的冷却速度急速冷却使成为凝固的颗粒；
(5)收集所述凝固的颗粒，经过筛选，得到粒度为100-400μm、产量为75％的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积约占4％。
实施例2
本实施例提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、钨和铜按质量比5:0.1:94.9混合后加热至950℃，得到合金熔体；
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包，使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束，用柱塞阀控制所述合金流束流量为12kg/min，所述合金流束进入氮气气氛的雾化室；
(3)在氮气气氛的雾化室，将粒径为1μm的金刚石微粉按流量422g/min注入所述合金流束，得到混合流束；
(4)以2MPa的高压氮气喷射所述混合流束，使混合流束变成液滴，然后以105K/sec的冷却速度急速冷却使成为凝固的颗粒；
(5)收集所述凝固的颗粒，经过筛选，得到粒度为100-200μm、产量为80％的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积约占8％。
实施例3
本实施例提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、钼和铜按质量比40:2:58混合后加热至1200℃，得到合金熔体；
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包，使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束，用柱塞阀控制所述合金流束流量为6kg/min，所述合金流束进入氩气气氛的雾化室；
(3)在氩气气氛的雾化室，将粒径为50μm的金刚石微粉按流量79g/min注入所述合金流束，得到混合流束；
(4)以1MPa的高压氩气喷射所述混合流束，使混合流束变成液滴，然后以104K/sec的冷却速度急速冷却使成为凝固的颗粒；
(5)收集所述凝固的颗粒，经过筛选，得到粒度为200-400μm、产量为83％的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积约占3％。
实施例4
本实施例提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、铬和铜按质量比15:1:84混合后加热至1000℃，得到合金熔体；
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包，使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束，用柱塞阀控制所述合金流束流量为3kg/min，所述合金流束进入氩气气氛的雾化室；
(3)在氩气气氛的雾化室，将粒径为30μm的金刚石微粉按流量13g/min注入所述合金流束，得到混合流束；
(4)以1.5MPa的高压氩气喷射所述混合流束，使混合流束变成液滴，然后以104K/sec的冷却速度急速冷却使成为凝固的颗粒；
(5)收集所述凝固的颗粒，经过筛选，得到粒度为300-500μm、产量为79％的球形金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积约占1％。
实施例5
本实施例提供一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将锡、铬和铜按质量比30:0.6:69.4混合后加热至1100℃，得到合金熔体；
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包，使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束，用柱塞阀控制所述合金流束流量为3kg/min，所述合金流束进入氮气气氛的雾化室；
(3)在氮气气氛的雾化室，将粒径为30μm的金刚石微粉按流量92g/min注入所述合金流束，得到混合流束；
(4)以2MPa的高压氮气喷射所述混合流束，使混合流束变成液滴，然后以104K/sec的冷却速度急速冷却使成为凝固的颗粒；
(5)收集所述凝固的颗粒，经过筛选，得到粒度为500-750μm、产量为82％的球形金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积约占7％。
以上实施例1～5进行剖面观察和金相组织分析，结果如下：
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将锡、碳化物形成元素和铜混合后加热得到合金熔体；
(2)将步骤(1)所述合金熔体通过中间包制成合金流束；
(3)将粒径为1-50μm的金刚石微粉注入步骤(2)所述合金流束，得到混合流束；
(4)用高压气体喷射步骤(3)所述混合流束，得到液滴，然后对所述液滴进行急速冷却，得到凝固的颗粒；
(5)对步骤(4)所述凝固的颗粒进行筛选，即得到粒径为100-750μm的所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒。
2.根据权利要求1所述的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熔体中锡、碳化物形成元素和铜的质量比为5-40:0.1-2:58-94.9；所述碳化物形成元素为钛、钨、钼、铬中的任意一种；进行所述加热至温度为950-1200℃。
3.根据权利要求1所述的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述合金流束的流量为3-12kg/min。
4.根据权利要求1所述的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述金刚石微粉的注入流量为13-422g/min。
5.根据权利要求1所述的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述高压气体为高压氮气、高压氩气中的一种或两种的混合物；所述高压气体的压力为0.2-2MPa；所述急速冷却的冷却速度为103-105K/sec。
6.根据权利要求1所述的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒中金刚石微粉的体积占1-8％。
7.权利要求1-6任一项所述方法制备得到的金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒。
8.权利要求7所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在金属结合剂抛光磨具中的应用。
9.权利要求7所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在树脂结合剂抛光磨具中的应用。
10.权利要求7所述金刚石微粉-铜基合金复合材料颗粒在陶瓷结合剂抛光磨具中的应用。
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