CN110315444A - 一种高性能金刚石磨具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金刚石磨具制备领域,涉及一种高性能金刚石磨具的制备方法。所述的制备方法包括以下步骤:a、按配方称取Na2CO3、Al(OH)3、SiO2、H3BO3,将其混合、研磨、过筛,得到混合料;b、将步骤a制得的混合料压块、熔炼、水淬,得到玻璃料;c、将步骤b制得的产物干燥、研磨、过筛,得到陶瓷结合剂;d、按配方称取Cu、Fe、Ni、Sn,将其混合、研磨,得到机械化预合金粉;e、将步骤c获得的产物中加入步骤d获得的机械合金化预合金粉,与金刚石进行混合,加入临时粘结剂,混匀,密封放置12h;f、将步骤e得到混合料压块,用微波法或放电等离子法烧结,制得金刚石磨具。本方法具有烧成温度低、烧成速度快、成本低、操作简单等特点,易于工业化生产。

Description

一种高性能金刚石磨具的制备方法
技术领域
本发明提供了一种高性能金刚石磨具的制备方法,属于金刚石磨具制备技术领域。
背景技术
近年来,金刚石磨具不仅被广泛应用于机械制造和其他金属加工,还用于陶瓷、玻璃、石材等加工。相对于传统的碳化硅磨具和刚玉磨具,金刚石磨具更锋利、高效,可承载的加工速率更高,磨具寿命更长,在各种材料加工方面都占有一定的优势,大有取代普通磨具的趋势。
金刚石磨具中金刚石磨粒的优异性能能否充分发挥,取决于结合剂对金刚石的把持力以及结合剂自身的强度和硬度。金属结合剂金刚石磨具以其优异的韧性和强度被广泛应用于地质钻探、石油开采、机械加工、玻璃加工等领域,但金属磨具修锐困难,加工一段时间后金刚石不能及时出刃,进而影响加工效率。陶瓷结合剂具有极高的硬度,但韧性不足,往往在金刚石的优异性能发挥之前磨粒便已脱落,于是,我们使金属与陶瓷结合剂同时应用于金刚石磨具中,使金刚石磨具既有一定的强度又不至于难以出刃。
机械合金化预合金粉是指在高能球磨机中高速球磨导致的合金化,其合金化低于熔炼法和沉淀法制备的预合金粉,但机械合金化制备预合金粉工艺简单、成本很小、可操作性强,在没有特殊要求下可满足金属结合剂的合金化需求。将机械合金化预合金粉结合剂与陶瓷结合剂结合,得到金属陶瓷结合剂金刚石工具,有效地弥补了金属和陶瓷的缺陷,将成为金刚石磨具的一个发展方向。
微波烧结法和放电等离子体烧结法均采用内部加热的方式,微波烧结为原子振动加热,放电等离子烧结为粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热,两者均能使材料快速均匀地加热而不会引起结合剂开裂或在结合剂内形成热应力,使金属陶瓷结合剂内部形成均匀的细晶结构,提高磨具的使用性能。另外,采用微波烧结和放电等离子烧结均能够降低烧结温度,缩短烧结时间,且制备的金属陶瓷结合剂组织均匀、致密。
因此,为了更好地提高金属陶瓷结合剂金刚石磨具的性能,有必要探索一种可实现低温、快速制备金属陶瓷结合剂金刚石磨具的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备金属陶瓷结合剂金刚石磨具的新方法,以便得到性能优良的金刚石磨具,使得金刚石磨具满足加工工业的高速、高效、高精度磨削的迫切需求。该方法具有消耗能源少、生产成本低,且工艺简单等特点。
本发明的金属陶瓷结合剂金刚石磨具的制备方法包括以下步骤:
a、按质量百分比取48%的氧化硅、12%的氢氧化铝、19%的硼酸、21%的碳酸钠混匀,研磨后过100~200目筛,得到混合料;
b、将步骤a制得的混合料压制成“8”字块,放入高温炉内在1420~1480℃条件下进行2~3h的熔炼,然后用水淬法将原料急冷,得到玻璃料;
c、将步骤b制得的产物放置于干燥箱中,在80~120℃条件下干燥6~12h,研磨,过200~400目筛,得到基础陶瓷结合剂;
d、按质量百分比取42~62%的铜粉、20~40%的铁粉、5~15%的镍粉、3~13%的锡粉,混匀,研磨12~24h,干燥12~20h,制得机械合金化预合金粉;
e、将步骤c获得的基础陶瓷结合剂分为5组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%步骤d获得的机械合金化预合金粉,然后将每组结合剂与金刚石以合适的配方进行混合,加入石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封放置12h;
f、将步骤e得到的5组混合料分别压制成磨具毛坯,用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行烧结,制得本发明的高性能金属陶瓷结合剂金刚石磨具。
本发明所述混合、球磨是在高能球磨机、滚动球磨机和研磨机中一种设备中进行。
本发明所述陶瓷结合剂的熔炼温度为1420~1480℃,熔炼时间为2~3h。
本发明所述干燥设备为电热鼓风干燥箱或真空干燥箱中的任一种设备。
本发明所述金属陶瓷结合剂为不同机械合金化预合金粉和基础陶瓷结合剂的混合物。
本发明所述机械合金化预合金粉的球磨时间为12~24h,转速为300~360r/min
本发明所述金属陶瓷结合剂金刚石磨具的烧成设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉。
本发明相比现有制备金刚石磨具的方法,具有如下有益效果:
(1)烧成温度低,烧成时间短,节约能源。相对传统无压和热压烧结金属或陶瓷结合剂的方法,本合成方法可以大幅度降低反应温度,缩短反应时间,有效节约能源。
(2)烧成磨具样品结构均匀。微波烧结法和放电等离子烧结法均具有内外同步加热的效果,制得的磨具不易开裂或形成局部热应力。
(3)性能优异。本发明制得的金刚石磨具具有抗弯强度大、硬度高、磨削性能好、使用寿命长等优点。另外,该法制得的金属陶瓷结合剂与金刚石的结合较好、气孔均匀,与磨粒间把持力大,制得的磨具磨削性能好,应用前景广阔。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述:
实施例1:
按重量比称取48g的氧化硅、12g的氢氧化铝、19g的硼酸、21g碳酸钠,经充分混合后,然后将混合料按一定升温速率升高到1480℃,并保温2h。经水冷、干燥、球磨后,获得基础陶瓷结合剂。称取Cu粉5.2g、Fe粉3.0g、Ni粉1.0g和Sn粉0.8g,置于高能球磨机中以360r/min球磨24h,制得机械合金化预合金粉,置于鼓风干燥箱中,于80℃干燥12h。将基础陶瓷结合剂分为五组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%机械合金化预合金粉末,混匀,再加入适量的金刚石,以石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封静置12h,经压制、干燥、700℃下微波烧结等工艺制得金刚石磨具,分别测定磨具的硬度和抗折强度。结果显示:相对传统烧结方式,磨具的硬度和抗折强度分别提高5-10%和7-11%。
实施例2:
按重量比称取48g的氧化硅、12g的氢氧化铝、19g的硼酸、21g碳酸钠,经充分混合后,然后将混合料按一定升温速率升高到1420℃,并保温3h。经水冷、干燥、球磨后,获得基础陶瓷结合剂。称取Cu粉4.2g、Fe粉4.0g、Ni粉1.0g和Sn粉0.8g,置于高能球磨机中以360r/min球磨22h,制得机械合金化预合金粉,置于真空干燥箱中,于120℃干燥6h。将基础陶瓷结合剂分为五组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%机械合金化预合金粉末,混匀,再加入适量的金刚石,以石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封静置12h,经压制、干燥、660℃下放电等离子烧结等工艺制得金刚石磨具,分别测定磨具的硬度和抗折强度。结果显示:相对传统烧结方式,磨具的硬度和抗折强度分别提高10-15%和9-13%。
实施例3:
按重量比称取48g的氧化硅、12g的氢氧化铝、19g的硼酸、21g碳酸钠,经充分混合后,然后将混合料按一定升温速率升高到1460℃,并保温2h。经水冷、干燥、球磨后,获得基础陶瓷结合剂。称取Cu粉6.2g、Fe粉2.5g、Ni粉0.5g和Sn粉0.8g,置于高能球磨机中以360r/min球磨20h,制得机械合金化预合金粉,置于鼓风干燥箱中,于100℃干燥9h。将基础陶瓷结合剂分为五组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%机械化预合金粉末,混匀,再加入适量的金刚石,以石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封静置12h,经压制、干燥、720℃下微波烧结等工艺制得金刚石磨具,分别测定磨具的硬度和抗折强度。结果显示:相对传统烧结方式,磨具的硬度和抗折强度分别提高7-12%和8-12%。
实施例4:
按重量比称取48g的氧化硅、12g的氢氧化铝、19g的硼酸、21g碳酸钠,经充分混合后,然后将混合料按一定升温速率升高到1440℃,并保温2.5h。经水冷、干燥、球磨后,获得基础陶瓷结合剂。称取Cu粉5.0g、Fe粉3.2g、Ni粉1.2g和Sn粉0.6g,置于高能球磨机中以360r/min球磨18h,制得机械合金化预合金粉,置于真空干燥箱中,于90℃干燥10h。将基础陶瓷结合剂分为五组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%机械化预合金粉末,混匀,再加入适量的金刚石,以石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封静置12h,经压制、干燥、680℃下放电等离子烧结等工艺制得金刚石磨具,分别测定磨具的硬度和抗折强度。结果显示:相对传统烧结方式,磨具的硬度和抗折强度分别提高12-17%和11-15%。

Claims (7)

1.一种高性能金刚石磨具的制备方法,其特征在于:所述制备方法包括以下步骤:
a、按质量百分比取48%的氧化硅、12%的氢氧化铝、19%的硼酸、21%的碳酸钠混匀,研磨后过100~200目筛,得到混合料;
b、将步骤a制得的混合料压制成“8”字块,放入高温炉内在1420~1480℃条件下进行2~3h的熔炼,然后用水淬法将原料急冷,得到玻璃料;
c、将步骤b制得的产物放置于干燥箱中,在80~120℃条件下干燥6~12h,研磨,过200~400目筛,得到基础陶瓷结合剂;
d、按质量百分比取42~62%的铜粉、20~40%的铁粉、5~15%的镍粉、3~13%的锡粉,混匀,研磨12~24h,干燥12~20h,制得机械合金化预合金粉;
e、将步骤c获得的基础陶瓷结合剂分为5组,分别加入60%、65%、70%、75%、80%步骤d获得的机械合金化预合金粉,然后将每组结合剂与金刚石以合适的配方进行混合,加入石蜡作为临时粘结剂,混匀,密封放置12h;
f、将步骤e得到的5组混合料分别压制成磨具毛坯,用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行烧结,制得本发明的高性能金属陶瓷结合剂金刚石磨具。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述混合、球磨是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任一种设备中进行。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述陶瓷结合剂的熔炼温度为1420~1480℃,熔炼时间为2~3h。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述干燥设备为电热鼓风干燥箱或真空干燥箱中的任一种设备。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的金属陶瓷结合剂为不同机械合金化预合金粉和基础陶瓷结合剂的混合物。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述机械合金化预合金粉的球磨时间为12~24h,转速为300~360r/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述金属陶瓷结合剂金刚石磨具的烧成设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉。
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