CN110744464A - 一种金属结合剂金刚石磨具的制备方法 - Google Patents

一种金属结合剂金刚石磨具的制备方法 Download PDF

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晋凯
郑红娟
路朋献
王顺
关春龙
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Abstract

本发明属于金属结合剂金刚石磨具制备领域，涉及一种金属结合剂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Cu粉、Fe粉、Ni粉、Sn粉，将其机械合金化，得到机械合金化合金粉；b、将步骤a制得的产物和金刚石及一维碳纳米材料进行混合，加入临时粘结剂，混合均匀密封放置12～24h；c、采用油压机将步骤b制得的混合料初压成型，得到初压压坯；d、采用冷等静压机将步骤c获得的压坯再次压制，得到致密生坯；e、将步骤d得到的生坯，用微波烧结炉或放电等离子烧结炉烧结，制得金属结合剂金刚石磨具。本方法具有烧成温度低、烧成速度快、制作简单、成本低强度高等特点，易于工业化生产。

Description

一种金属结合剂金刚石磨具的制备方法
技术领域
本发明提供了一种金属结合剂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
金刚石制品的性能好坏取决于结合剂对金刚石的把持力及结合剂的强度和硬度。若结合剂的强度不够，金刚石的优异性能将不能得到充分发挥。金属结合剂相对于陶瓷结合剂和树脂结合剂具有更高的强度和韧性，对金刚石的把持力最好，广泛应用于切削工具、磨具、勘探钻头、锯片等金刚石制品中。
在传统的铜基结合剂中，通常加入钴作为结合剂的一种作为结合剂，但钴作为国家战略资源，资源储备较少，价格也相对较高，因此，寻找性能良好的金属结合剂以替代钴迫在眉睫。铁与钴属于同族元素，性质相似，价格也较低，且与铜基金属结合剂有较好的相容性，与金刚石的结合力也较好，因此，铁代钴也逐渐成为一种金属结合剂制备的趋势。
金属结合剂的性能不仅仅取决于金属本身的性质，还取决于金属粉末的制备工艺及金属结合剂的制备方法。预合金粉具有良好的分散性，各元素成分均一，从根本上避免了金属在高温烧结时的偏析问题。机械合金化法制备预合金粉，工艺简单，成本极大降低，节约资源。
微波烧结法和放电等离子烧结法都能快速均匀地加热材料而不会引起结合剂开裂或在结合剂内形成热应力，使金属结合剂内部形成均匀的细晶结构，进而改善金属结合剂的性能，增强金刚石制品的强度、硬度，提高金刚石工具的综合性能。另外，采用微波烧结和放电等离子烧结能够降低烧结温度，缩短烧结时间，且制备的金属组织更均匀、更致密。
另外，碳纳米管具有极高的强度，理论计算值为钢的100倍。同时碳纳米管具有极高的韧性，十分柔软，被认为是未来的超级纤维。将该材料与其它基体复合后, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，使复合材料的性能得到极大的改善。
碳纤维是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，耐高温居所有化纤之首。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合，制造先进复合材料。
因此，为了更好地提高金属结合剂金刚石制品的性能，有必要探索一种可实现低温、快速制备高强度、高韧性、高硬度金刚石制品的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备金属结合剂金刚石磨具的新方法，以便得到性能优良的金刚石工具，以便更好满足现代工业对高性能金刚石工具的迫切需求。该方法具有节约能源、降低生产成本，且工艺简单等特点。
本发明的金属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42～62％的铜粉（粒径1～3μm）、20～40％的铁粉（粒径1～3μm）、5～15％的镍粉（粒径1～3μm）、3~13%的锡粉（粒径1～3μm），加入适量无水乙醇，在球磨机中均匀混合，在干燥箱中干燥后，制得机械合金化预合金粉；
b、将步骤a制得的混合料与100～170目的金刚石及一维碳纳米材料以适当比例混合均匀，加入临时粘结剂，混匀，密封放置12～24h；
c、将步骤b制得的产物用单轴油压机初压成型，制得初压压坯；
d、采用冷等静压机将步骤c获得的压坯压制成致密压坯，并干燥12～16h；
e、将步骤d得到的压坯放入微波烧结炉或放电等离子烧结炉中烧结，制得本发明的金刚石制品。
本发明所述混合、球磨是在高能球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。
本发明所述机械合金化预合金粉的球磨速率为150～360r/min，球磨时间为12～24h。
本发明所述干燥箱为鼓风干燥箱或真空干燥箱中的任意一种。
本发明所述混合料的干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～20h。
本发明所述一维碳纳米材料为碳纳米管或碳纤维中的一种。
本发明所述金刚石制品的烧成设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉中的任意一种。
本发明相比现有制备金刚石制品的方法，具有如下有益效果：
（1）烧结温度低，烧结时间短，节约能源。相对传统烧结方法，本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）样品的微观结构均匀。微波烧结或放电等离子烧结法具有内外同步加热的效果，制得的金刚石工具不易开裂或形成内部热应力。
（3）性能优异。本发明综合机械合金化预合金粉、快速烧结及采用一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维）作为增强材料等，因此制得的金刚石制品具有抗弯强度大、硬度高、磨削性能好、使用寿命长等优点，具有广阔的应用前景。
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：
称取Cu粉5.2g、Fe粉3.0g、Ni粉1.0g和Sn粉0.8g，加入适量球磨介质，置于高能球磨机中以360r/min球磨12h，制得湿混料，将湿混料置于真空干燥箱中80℃条件下干燥12h，制得机械合金化预合金粉。取制得的机械化预合金粉8.96g、100～170目的金刚石1g、碳纳米管0.04g置于高能球磨机中以180r/min的速度混合8h，经干燥后，制得混合料。向制得的混合料中加入适量液体石蜡，混匀，密封放置12h。采用单柱油压机将密封放置后的混合料压制成型，制得密度较小的压坯。采用冷等静压机将制得的压坯，以230MPa的压力进一步压制成型，置于鼓风干燥箱中干燥12h。将干燥后的压坯放入微波烧结炉中在700℃条件下烧结，得到金属结合剂金刚石制品，分别测定金刚石制品的抗弯强度和硬度。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6-10%和8-13%。
实施例2：
称取Cu粉10.4g、Fe粉6.0g、Ni粉2.0g和Sn粉1.6g，加入适量球磨介质，置于高能球磨机中以150r/min球磨24h，制得湿混料，将湿混料置于真空干燥箱中60℃条件下干燥20h，制得机械合金化预合金粉。取制得的机械化预合金粉16.9g、100～170目的金刚石3g、碳纤维0.1g置于高能球磨机中以180r/min的速度混合8h，经干燥后，制得混合料。向制得的混合料中加入适量液体石蜡，混匀，密封放置12h。采用单柱油压机将密封放置后的混合料压制成型，制得密度较小的压坯。采用冷等静压机将制得的压坯，以230MPa的压力进一步压制成型，置于鼓风干燥箱中干燥20h。将干燥后的压坯放入放电等离子烧结炉中在740℃条件下烧结，得到金属结合剂金刚石制品，分别测定金刚石制品的抗弯强度和硬度。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13-17%和11-16%。
实施例3：
称取Cu粉7.8g、Fe粉4.5g、Ni粉1.5g和Sn粉1.2g，加入适量球磨介质，置于高能球磨机中以200r/min球磨16h，制得湿混料，将湿混料置于真空干燥箱中70℃条件下干燥18h，制得机械合金化预合金粉。取制得的机械化预合金粉8.44g、100～170目的金刚石1.5g、碳纳米管0.06g置于高能球磨机中以180r/min的速度混合8h，经干燥后，制得混合料。向制得的混合料中加入适量液体石蜡，混匀，密封放置12h。采用单柱油压机将密封放置后的混合料压制成型，制得密度较小的压坯。采用冷等静压机将制得的压坯，以230MPa的压力进一步压制成型，置于鼓风干燥箱中干燥16h。将干燥后的压坯放入微波烧结炉中在720℃条件下烧结，得到金属结合剂金刚石制品，分别测定金刚石制品的抗弯强度和硬度。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8-13%和9-13%。
实施例4：
称取Cu粉5.2g、Fe粉3.0g、Ni粉1.0g和Sn粉0.8g，加入适量球磨介质，置于高能球磨机中以300r/min球磨14h，制得湿混料，将湿混料置于真空干燥箱中60℃条件下干燥20h，制得机械合金化预合金粉。取制得的机械化预合金粉7.92g、100～170目的金刚石2.0g、碳纳米管0.08g置于高能球磨机中以180r/min的速度混合8h，经干燥后，制得混合料。向制得的混合料中加入适量液体石蜡，混匀，密封放置12h。采用单柱油压机将密封放置后的混合料压制成型，制得密度较小的压坯。采用冷等静压机将制得的压坯，以230MPa的压力进一步压制成型，置于鼓风干燥箱中干燥18h。将干燥后的压坯放入放电等离子烧结炉中在680℃条件下烧结，得到金属结合剂金刚石制品，分别测定金刚石制品的抗弯强度和硬度。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11-16%和10-14%。

Claims (7)

1.一种金属结合剂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42～62％的铜粉（粒径1～3μm）、20～40％的铁粉（粒径1～3μm）、5～15％的镍粉（粒径1～3μm）、3~13%的锡粉（粒径1～3μm），加入适量无水乙醇，在球磨机中均匀混合，在干燥箱中干燥后，制得机械合金化预合金粉；
b、将步骤a制得的混合料与100～170目的金刚石及一维碳纳米材料以适当比例混合均匀，加入临时粘结剂，混匀，密封放置12～24h；
c、将步骤b制得的产物用单轴油压机初压成型，制得初压压坯；
d、采用冷等静压机将步骤c获得的压坯压制成致密压坯，并干燥12～16h；
e、将步骤d得到的压坯放入微波烧结炉或放电等离子烧结炉中烧结，制得本发明的金属结合剂金刚石磨具。
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或研磨机中任意一种设备中进行。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述机械合金化预合金粉的球磨速率为150～360r/min，球磨时间为12～24h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述干燥箱为鼓风干燥箱或真空干燥箱中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合料的干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～20h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述一维碳纳米材料为碳纳米管或碳纤维中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金刚石制品的烧成设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉中的任意一种。
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