CN110238763A - 一种金属结合剂、金属结合剂金刚石磨具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Zr基非晶合金粉：40%‑60%，Cu‑Sn合金粉末：20%‑30%，WC粉末：5%‑10%，Ti粉：3%‑8%，Al粉：0.5%‑3%，Co粉：2%‑8%，SiO2粉末：1%‑3%，炭黑：1%‑3%。通过将非晶合金加热到晶化温度后，非晶相向晶相转变，形成金属间化合物，其强度和硬度往往很高；通过Ti与Al形成Ti3Al会大大增强基体的硬度与耐磨性，强化基体。同时提供了使用上述金属结合剂的金刚石磨具，其表面把持力较高，不易造成崩边、脱落、磨损过快等问题。并且该金刚石磨具的制备方法比较简单，易于控制，生产出的产品综合性能佳。

Description

一种金属结合剂、金属结合剂金刚石磨具及其制备方法
技术领域
本发明涉及磨具技术领域，更具体地，涉及一种金属结合剂、金属结合剂金刚石磨具及其制备方法。
背景技术
目前，对于高速磨削加工超硬陶瓷(硬度达到90HRA以上)的技术报道甚少，对于金刚石磨具目前皆采用粉末冶金方式成型，其按结合剂可分三类，树脂结合剂金刚石磨具、金属结合剂金刚石磨具、陶瓷结合剂金刚石磨具。三种结合剂金刚石磨具各有优劣，树脂结合剂金刚石磨具，由于树脂的硬度不够高，以及不耐高温，高速磨削加工超硬陶瓷会造成树脂结合剂受热快速磨损，以及硬度不够难以磨削。陶瓷结合剂金刚石磨具，尽管陶瓷具备较高的硬度，适合磨削，但是其陶瓷与金刚石之间的结合力往往不够，即把持力不够。同时陶瓷结合剂烧结过程中往往温度较高，通常高于800℃烧结，高者可达一千度以上，而金刚石在800℃以上易于氧化性能变差，这一矛盾极大限制了陶瓷结合剂金刚石磨具的发展。就金属结合剂金刚石磨具而言，主要面临的难题是提高金属与金刚石磨料之间的结合力(把持力)，对于把持力的提高主要理论选用润湿性相对金刚石较高的金属材料，使其在烧结过程中，与金属界面结合良好，增强其界面结合力。其次是金属结合剂金刚石磨具在使用过程中，自锐性较差，影响磨削效率。
就提高金属结合剂金刚石磨具把持力而言，目前有研究集中于真空微蒸镀、电镀等工艺，使金属富集于金刚石磨具表面，然后再进行烧结成型。此工艺虽然对于提高金属结合剂金刚石磨具把持力有所裨益，但是其工艺过程繁琐，控制表面镀层均匀十分困难，能耗较高，自锐性较差等，例如手机陶瓷背壳，因其陶瓷硬度很高，加工起来极其不易，且磨具使用寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有加工硬度大于或等于90HRA的超硬陶瓷的金刚石磨具表面把持力不够，自锐性较差，易造成崩边、脱落、磨损过快的问题，提供一种适用于能有效提高与金刚石粘接的金属结合剂。
本发明的另一目的在于公开一种使用该金属结合剂的金属结合剂金刚石磨具及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Zr基非晶合金粉：40％-60％，Cu-Sn合金粉末：20％-30％，WC粉末：5％-10％，Ti粉：3％-8％，Al粉：0.5％-3％，Co粉：2％-8％，SiO2粉末：1％-3％，炭黑：1％-3％。
进一步优选地，由以下质量百分比的组分组成：Zr基非晶合金粉：50％-55％，Cu-Sn合金粉末：27％-30％，WC粉末：6％-8％，Ti粉：5％-8％，Al粉：1％-2％，Co粉：3％-5％，SiO2粉末：1％-2％，炭黑：1％-2％。
进一步地，所述Zr基非晶合金粉的粒度为20-50μ，所述Cu-Sn合金粉末的粒度为30-40μ，WC粉末的粒度为10-30μ，Ti粉的粒度为10-20μ，Co粉的粒度为10-30μ，SiO2粉末的粒度为10-30μ，炭黑的粒度为5-20μ。
本发明的Zr基非晶合金粉尤其适用于Zr-Cu-Ni-Al系非晶合金。
本发明的金属结合剂金刚石磨具通过添加Co粉增强金刚石磨具的把持力，通过添加Ti粉起到增强金刚石磨具的结合强度，因为Ti元素为强碳化物形成元素，其与金刚石的结合强度会有所增强；通过添加Cu-Sn低熔点合金降低烧结温度；通过添加SiO2增强金属的流动性，降低烧结温度与保温时间。
加入炭黑使磨削时出刃效果更佳，还能增强磨具散热，起到磨削时自润滑效果。
此外，通过Ti与Al形成Ti3Al也会大大增强基体的硬度与耐磨性，起到强化基体的作用。
本发明创造性地采用非晶合金粉末作为金属结合剂的基体，由于其具备很高的强度、硬度及较好的韧性，所以保证了金刚石磨具基体的硬度；同时非晶合金形成的晶体合金基体具备较强的自锐性，使磨削时更容易出刃。
本发明还公开一种金属结合剂金刚石磨具，包括金刚石粉末、金属结合剂，所述金刚石粉末与金属结合剂的质量比为15-25:75-85。
进一步地，所述金刚石粉末的粒度为30-60μ。
本发明同时公开了上述金属结合剂金刚石磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1.按照上述比例混合金属结合剂与金刚石粉末，混合后预压成型；
S2.在热压设备通入保护气氛，将所述预压成型的混合金属结合剂与金刚石粉末烧结成型；所述热压烧结工艺采用分段式加热加压成型，得到所述金属结合剂金刚石磨具。
进一步地，所述预压成型采用常温预压，压力1-30MPa，时间1-20min。
进一步地，所述步骤S2中的热压烧结工艺：首先加热至非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间内，保温10-30min，采用压力为5-30MPa，然后加热至Cu-Sn合金熔点以上10-30℃保温10-20min，最后加热至600-750℃，保温10-20min，采用压力为10-80MPa。
更进一步地，所述非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间为300-500℃。
本发明的金属结合剂金刚石磨具使用了非晶合金粉末作为基体的金属结合剂，大大提高了金属结合剂金刚石磨具的把持力，其工艺过程较精练，易操作，整个制备过程可操作性强，产品质量稳定性强。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的金属结合剂具有较高的强度、硬度，通过将非晶合金加热到晶化温度后，非晶相向晶相转变，形成金属间化合物，其强度和硬度往往很高，起到强化基体的作用。
本发明的金属结合剂创造性地采用非晶合金粉末作为基体，由于其具备很高的强度、硬度及较好的韧性，所以保证了金刚石磨具基体的硬度；同时非晶合金形成的晶体合金基体具备较强的自锐性，使磨削时更容易出刃。
本发明的金属结合剂金刚石磨具使用了非晶合金粉末作为基体的金属结合剂，大大提高了金属结合剂金刚石磨具的把持力，其工艺过程较精练，易操作，整个制备过程可操作性强，产品质量稳定性强。
现今金刚石磨削，尤其是在磨削超硬陶瓷，硬度可达90HRA时，往往把持力不足，易崩边脱落，自刃性不强，磨削效率低，难以应对磨削加工手机陶瓷背壳的要求。本发明的金刚石磨具把持力，磨削效率均较高，可适用于加工手机陶瓷背壳的磨削加工，磨具的使用寿命较长。
具体实施方式
下面具体实施例进一步详细说明本发明。除非特别说明，本发明实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。
实施例1
本实施例中的金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成，具体成分及含量见表1。
本实施例的金属结合剂的制备方法为：将Zr基非晶合金条带剪碎成面积小于3mm×3mm的尺寸，然后将其放入球磨机中进行球磨，选用南京大学仪器厂生产的行星式球磨机，陶瓷球的尺寸选择10mm，按照陶瓷球与非晶合金条带的质量比为15：1进行加料，选择陶瓷球与非晶合金体积小于球墨罐体积的一半，然后在其中加入5g酒精，将所有物料放入球磨罐后，抽真空至4Pa以下，然后再充入氩气保护，持续研磨12h后，将球磨所得的非晶合金粉末取出，然后过筛获取所需尺寸的Zr基非晶合金粉末。对于本实施例中结合剂的其它粉末，均可在市面上购买，但不排除用此类方法进行球磨得到所需尺寸的合金粉末。将分别Zr基非晶合金粉的粒度为20-50μ，Cu-Sn合金粉末的粒度为30-40μ，WC粉末的粒度为10-30μ，Ti粉的粒度为10-20μ，Co粉的粒度为10-30μ，SiO2粉末的粒度为10-30μ，炭黑的粒度为5-20μ；按照质量百分比见表1，混合均匀即为金属结合剂。混料所用设备也是市面上的可以购买混料设备，如安徽奇卓粉体设备有限公司生产的无重力混合机。
实施例2
本实施例的金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成，具体成分及含量见表1。
本实施例的金属结合剂的制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例的金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成，具体成分及含量见表1。
本实施例的金属结合剂的制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例的金属结合剂，由以下质量百分比的组分组成，具体成分及含量见表1。
本实施例的金属结合剂的制备方法与实施例1相同。
表1
实施例5
本实施例提供的金属结合剂金刚石磨具，包括金刚石粉末、金属结合剂所述金刚石粉末与金属结合剂的质量比为20：80；金刚石粉末的粒度为30-60μ。其制备方法，包括以下步骤：
S1.按照上述比例混合金属结合剂与金刚石粉末，混合均匀后预压成型，即采用常温预压，压力1-5MPa，时间15-20min。
S2.在热压设备抽真空，然后通入保护气氛，将预压成型的混合金属结合剂与金刚石粉末烧结成型；热压烧结工艺采用分段式加热成型，具体地，首先加热至非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间内，保温10-15min，采用压力为5-15MPa，然后加热至Cu-Sn合金熔点以上10-30℃，(以Cu80Sn20为例，加热至500℃)保温10-20min，最后加热至600-700℃，保温10-20min。得到所述金属结合剂金刚石磨具。
实施例6
本实施例提供的金属结合剂金刚石磨具，包括金刚石粉末、金属结合剂，金刚石粉末与金属结合剂的质量比为15：85；金刚石粉末的粒度为30-60μ。其制备方法，包括以下步骤：
S1.按照上述比例混合金属结合剂与金刚石粉末，混合后预压成型，即采用常温预压，压力20-30MPa，时间2-10min。
S2.在热压设备通入保护气氛，将预压成型的混合金属结合剂与金刚石粉末烧结成型；热压烧结工艺采用分段式加热成型，具体地，首先加热至非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间内，即390-460℃，保温20-30min，采用压力为20-30MPa，然后加热至Cu-Sn合金熔点以上10-30℃保温10-20min，最后加热至600-700℃，保温10-20min。得到所述金属结合剂金刚石磨具。
实施例7
本实施例提供的金属结合剂金刚石磨具，包括金刚石粉末、金属结合剂所述金刚石粉末与金属结合剂的质量比为25：75；金刚石粉末的粒度为30-60μ。其制备方法，包括以下步骤：
S1.按照上述比例混合金属结合剂与金刚石粉末，混合后预压成型，即采用常温预压，压力10-20MPa，时间8-15min。
S2.在热压设备通入保护气氛，将预压成型的混合金属结合剂与金刚石粉末烧结成型；热压烧结工艺采用分段式加热成型，具体地，首先加热至非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间内，即450-500℃，保温10-20min，采用压力为10-20MPa，然后加热至Cu-Sn合金熔点以上10-20℃保温10-15min，最后加热至600-700℃，保温10-15min。得到所述金属结合剂金刚石磨具。
上述实施例1-实施例7中各成分作用如下：
Zr基非晶合金粉主要起润湿粘结金刚石，保持基体强度、硬度。
Cu-Sn合金粉末主要起粘结非晶合金晶化后形成的晶体粉末，以及粘结金刚石与其他强化相。
Ti粉是强碳化物形成元素有利于增强金刚石磨具的把持力。
Al粉与Ti粉在最后烧结保温段烧结形成Ti3Al强化相。
Co粉有利于增强金刚石磨具把持力。
SiO2粉末将低烧结温度，增强低熔点合金的流动性。
炭黑为细小弥散球形颗粒，增强金刚石磨具的出刃，磨削时起到润滑和出屑的效果。
对实施例5-实施例7中所得金属结合剂金刚石磨具性能表征，通过Instron5982型号的万能材料试验机，在常温条件下，测试本金属结合剂金刚石磨具的弯曲强度。
通过特鲁斯SHR-150C型号的洛氏硬度计，在常温条件下，测试本金属结合剂金刚石磨具的硬度。
具体地：金属结合剂金刚石磨具的性能检测结果如表2所示。
表2
将实施例5-实施例7任意一项的金属结合剂金刚石磨具对氧化锆陶瓷(手机后盖使用的常见材料)进行打磨，其一次磨损率均小于3％，全部破损时使用次数为28～32次，打磨后陶瓷表面光亮几乎无划痕。综合性能良好。

Claims (9)

1.一种金属结合剂，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：Zr基非晶合金粉：40%-60%，Cu-Sn合金粉末：20%-30%，WC粉末：5%-10%，Ti粉：3%-8%，Al粉：0.5%-3%，Co粉：2%-8%，SiO2粉末：1%-3%，炭黑：1%-3%。
2.根据权利要求1所述金属结合剂，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：Zr基非晶合金粉：50%-55%，Cu-Sn合金粉末：27%-30%，WC粉末：6%-8%，Ti粉：5%-8%，Al粉：1%-2%，Co粉：3%-5%，SiO2粉末：1%-2%，炭黑：1%-2%。
3.根据权利要求1所述金属结合剂，其特征在于，所述Zr基非晶合金粉的粒度为20-50μ，所述Cu-Sn合金粉末的粒度为30-40μ，WC粉末的粒度为10-30μ，Ti粉的粒度为10-20μ，Co粉的粒度为10-30μ，SiO2粉末的粒度为10-30μ，炭黑的粒度为5-20μ。
4.一种金属结合剂金刚石磨具，包括金刚石粉末、金属结合剂，其特征在于，所述金刚石粉末与金属结合剂的质量比为15-25:75-85。
5.根据权利要求4所述金属结合剂金刚石磨具，其特征在于，所述金刚石粉末的粒度为30-60μ。
6.一种根据权利要求4或5所述金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按照上述比例混合金属结合剂与金刚石粉末，混合均匀后预压成型；
S2.在热压设备通入保护气氛，将所述预压成型的混合金属结合剂与金刚石粉末烧结成型；所述热压烧结工艺采用分段式加热成型，得到所述金属结合剂金刚石磨具。
7.根据权利要求6所述金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，所述预压成型采用常温预压，压力1-30MPa，时间1-20min。
8.根据权利要求6所述金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的热压烧结工艺：首先加热至非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间内，保温10-30min，采用压力为5-30MPa，然后加热至Cu-Sn合金熔点以上10-30℃保温10-20min，采用压力10-30MPa，最后加热至600-750℃，保温10-20min，采用压力为10-80MPa。
9.根据权利要求8所述金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，所述非晶合金粉末过冷液相区Tg-Tx1温度区间为300-500℃。
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