CN113770926A - 一种金属结合剂金刚石工具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属结合剂金刚石工具及其制备方法，由如下重量份数计的组分组成：70‑90份的金属结合剂、9‑20份的金刚石磨料和1‑10份的纳米增强材料，金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种或两种以上的混合物。本发明以价格低廉的Fe、Al元素为原材料，按一定的比例机械合金化，同时添加一种增强纳米材料，通过特殊的快速烧结工艺，使纳米增强材料作为增强相，均匀分散在结合剂中，强化结合剂的强度和硬度，降低结合剂的摩擦系数，减少结合剂在磨削过程中的磨损和磨削热。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石磨具技术领域，尤其涉及一种金属结合剂金刚石工具及其制备方法。
背景技术
金属结合剂金刚石工具因其结合强度强、成型性好以及使用寿命长等优点，已经广泛应用于各种硬脆的加工中，例如陶瓷、玻璃、混凝土、石材等的加工。金属结合剂金刚石工具主要由金刚石磨粒与结合剂组成，其中结合剂可以分为钴基、铜基和铁基等，然而为了改善金属结合剂的力学性能以及对金刚石的浸润状态，金属结合剂中常常会加入大量的合金元素，其中包含各类的重金属元素，例如Ni、Co、Cu、Zn、Sn、Pb、Cr等。这些合金元素虽然改善了金属结合剂的性能，但是随着加工过程中金刚石工具的损耗，这些元素会对环境造成一定程度的重金属污染，同时，近年来有色金属的价格持续攀升，使用这些元素必然也会增加金刚石工具的制备成本。此外，现有的合金结合剂的比重较高，使得金刚石工具的重量大，在加工过程中，设备噪音大、耗能较高。
具体地，为了满足金刚石工具在天然石材、陶瓷、混凝土的切割、磨削以及石油钻探、地质勘探与开采等领域上的应用，常见的金属结合剂普遍采用多元合金化或重金属来增强结合剂的力学性能和改善结合剂对金刚石的浸润状态。Co、Ni、Cu是金属结合剂中最常添加的合金元素，此外还常加入Cr、Zr等金属作为强碳化物形成元素，以改善结合剂对金刚石的浸润效果；Fe基结合剂也是通过多元合金化(Ni、Cu、Sn、Zn和Mn)来改善其韧性差、温度敏感等问题；碳化物(钨)基结合剂通常以WC、W2C或W粉的形式使用，同时会掺杂适量的Cu、Sn、Zn、Co或Ni等重金属成分。一方面，这些元素可能会随着金刚石工具的损耗进入生态系统，对环境造成一定程度的重金属污染；另一方面，有色金属价格不断攀升，致使工具的制备成本升高；此外，已有的金属结合剂的比重都较高(8.0-10.2g/cm3),这也导致大尺寸工具重量高，机械加工中能耗高、噪音大，操作加工人员劳动强度大。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种金属结合剂金刚石工具。本发明以价格低廉的Fe、Al元素为原材料，按一定比例进行机械合金化，同时添加一种纳米增强材料，在烧结过程中，纳米增强材料作为增强相，均匀分散在结合剂中，强化结合剂的强度和硬度，降低结合剂的摩擦系数，减少结合剂在磨削过程中的磨损和磨削热。
本发明的目的之二在于提供一种金属结合剂金刚石工具的制备方法。基于本发明的成分配方设计，本发明使用一种快速烧结工艺来制备金刚石工具，通过该工艺可以对该配方的金刚石工具进行快速致密化烧结，其中，Fe和Al在该工艺下可以快速形成一种高强度的含有金属间化合物的合金，获得较高的强度和硬度，同时，在该工艺下，纳米增强材料可以部分与结合剂形成一种新的增强相，进一步强化结合剂，还可以降低摩擦系数，减少金刚石热损伤，降低烧结能耗。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种金属结合剂金刚石工具，由如下重量份数计的组分组成：70-90份的金属结合剂、9-20份的金刚石磨料和1-10份的纳米增强材料，所述金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，Fe粉和Al粉的质量比为7:1-1:1，所述纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种或两种以上的混合物。
进一步地，所述金属结合剂、所述金刚石磨料和所述纳米增强材料之间的质量比为80:19:1-7:2:1。
进一步地，所述Fe粉和所述Al粉的粒度范围均为10-100μm。
进一步地，所述纳米增强材料的粒度范围为5-100nm。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)纳米悬浮液的制备：将纳米增强材料加入到酒精溶液中，再加入硬脂酸，超声波分散，制备成均匀分散的纳米悬浮液；
2)机械合金化粉末的制备：将Fe粉和Al粉按照配方量混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末；
3)原料的配混：将纳米悬浮液、机械合金化粉末和金刚石磨料按照配方量混合，并放入球磨机内充分混合均匀，真空干燥，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将混合均匀的粉料进行冷压成型，得到坯体；
5)快速烧结处理：将坯体加热到900-1200℃，保温1-120s，再冷却降温至500-900℃，保温5-40min，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保护气氛为氩气或氮气。
进一步地，在纳米悬浮液的制备步骤中，所述纳米增强材料按照质量分数1-10％加入酒精溶液中，硬脂酸按照质量分数1-10％加入酒精溶液中，超声波分散时间为0.5-2h。
进一步地，在机械合金化粉末的制备步骤中，机械合金化球磨处理采用150-350r/min的转速，球磨时间为3-15h。
进一步地，在原料的配混的步骤中，球磨机的转速为100-350r/min，球磨时间0.5-5h，球料比为5:1-15:1。
进一步地，在冷压成型的步骤中，冷压压力为100-250MPa，坯体的压坯致密度为40-60％。
进一步地，在快速烧结处理的步骤中，升温阶段采用30-50℃/min的升温速率，冷却降温阶段采用30-60℃/min的冷却速率。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的金属结合剂金刚石工具，采用简单且低成本的Fe粉和Al粉作为结合剂的原材料，将Fe粉和Al粉按一定的比例机械合金化，同时添加一种纳米增强材料，在烧结过程中，纳米增强材料起三层作用：(1)纳米颗粒作为增强相，均匀分散于金属结合剂中，有效提高金刚石工具的强度和硬度；(2)部分的纳米增强材料与Fe和Al或者Fe与Al的化合物反应形成一种新的增强相，进一步强化结合剂的强度和硬度；(3)另一部分纳米增强材料未发生反应，均匀分散于结合剂中，用于降低结合剂的摩擦系数，有利于减少结合剂在磨削过程中的磨损和磨削热。本发明明显减少了合金元素的种类和含量，降低了重金属污染的风险和材料成本，同时也降低了结合剂的密度，所得的金属结合剂具有优异的力学性能，制备的金刚石工具具有优异的加工性能。
本发明的金属结合剂金刚石工具的制备方法，是基于上述结合剂的成分配方设计，采用一种特殊的快速烧结工艺来制备金刚石工具，在较高温度下快速反应、致密化，在较低温度下完全反应，通过该工艺可以对该配方的金刚石工具进行快速致密化烧结，其中的Fe和Al在该工艺下可以快速形成一种高强度的含有金属键化合物的合金，获得较高的强度和硬度，在该工艺下，纳米增强材料可以部分地与结合剂形成一种新的增强相，进一步强化结合剂，还可以降低摩擦系数，减少金刚石热损伤，降低烧结能耗。
附图说明
图1是对比例1和实施例1中结合剂的微观形貌对比图。
图2是对比例1和实施例1中结合剂在磨削前后的摩擦系数对比图。
图3是对比例1和实施例1中金刚石工具在磨削前后的微观形貌对比图。
图4是实施例3中结合剂的微观形貌。
图5是实施例3中金刚石工具在磨削前后的微观形貌对比图。
图6是实施例3中Al2O3陶瓷在磨削前后的微观形貌对比图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种金属结合剂金刚石工具，由如下重量份数计的组分制备而成：70-90份的金属结合剂、9-20份的金刚石磨料和1-10份的纳米增强材料，金属结合剂、金刚石磨料和纳米增强材料之间采用80:19:1-7:2:1的质量比混合制备。其中金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，Fe粉和Al粉的质量比为7:1-1:1，金刚石磨料为金刚石磨粒，纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的至少一种，作为优选的实施方式，纳米增强材料选用纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种。
需要说明的是，纳米增强材料应选用高硬度和高弹性模量的纳米材料，例如，纳米石墨烯的拉伸强度为130GPa，弹性模量0.5-1TPa；纳米碳管的杨氏模量为1000GPa，弹性模量为1TPa。
具体地，Fe粉的粒度范围为10-100μm，Al粉的粒度范围为10-100μm，纳米增强材料的粒度范围为5-100nm。
上述金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)纳米悬浮液的制备：选取一种纳米增强材料粉末，其粒度范围为5-100nm，该纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯、纳米碳管中的至少一种，将纳米增强材料加入到酒精溶液中，再加入硬脂酸，超声波分散0.5-2h，制备成均匀分散的纳米悬浮液；作为优选地实施方式，纳米增强材料按照质量分数1-10％加到酒精溶液中，硬脂酸按照质量分数1-10％加到酒精溶液中；
2)机械合金化粉末的制备：将粒度范围在10-100μm的Fe粉和粒度范围在10-100μm的Al粉按照7:1-1:1的质量比混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用150-350r/min转速，球磨时间为3-15h；
3)原料的配混：将上述制得的纳米悬浮液、机械合金化粉末和金刚石磨料按照80:19:1-7:2:1的质量比初步混合，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为100-350r/min，球磨时间0.5-5h，球料比为5:1-15:1，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥0.5-2h，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为100-250MPa，得到坯体，所得坯体的压坯致密度为40-60％；
5)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以30-50℃/min的升温速率加热到900-1200℃，保温1-120s，再以30-60℃/min的冷却速度降温至500-900℃，保温5-40min，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保护气氛为氩气或氮气，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
结合上述，快速烧结处理步骤包括三个阶段，依次是升温阶段、冷却降温阶段和自然降温阶段，具体说明，坯体在升温阶段的温度可达到900-1200℃，在此较高温度下，坯体内的物料快速发生反应，达到致密化，此时保温时间较短；在冷却降温阶段，烧结炉内温度在500-900℃，保温时间较长，此时，物料在较低的温度下反应完全；本发明通过调控烧结温度和保温时间来控制坯体的烧结反应，在900-1200℃时，坯体内的Fe和Al能够快速形成一种高强度的含有金属键化合物的合金，从而获得更高的强度和硬度，与此同时，该温度下，纳米增强材料可以与结合剂反应形成一种新的增强相，但由于该温度下保温的时间较短，因此纳米增强材料不会全部与结合剂反应，会剩有一部分未反应的纳米增强材料分散在结合剂中，这些均匀分散在结合剂中的未反应的纳米增强材料可以降低结合剂的摩擦系数，有利于结合剂在减少磨削过程中的磨损和磨削热。
本发明使用纳米增强材料代替传统的重金属合金元素，以改善结合剂的力学性能以及对金刚石的浸润状态，具体采用以价格低廉的原料，即Fe粉和Al粉，按一定的比例进行配混，使用优化的快速烧结工艺制备一种环境友好、成分简单且轻质的金属结合剂金刚石工具，结合剂对金刚石具有良好的包镶效果，制备的金刚石工具对硬脆材料均具有良好的加工能力。
本发明以Fe和Al为基础，采用纳米增强的方式，提出一种不使用多元合金化以及重金属元素的金属结合剂金刚石工具，一方面，极大减少了金刚石工具在制备和使用过程中造成的重金属污染，另一方面，也减少了对生产和操作人员健康的危害。其次，本发明还降低了制备金刚石工具的材料成本和金刚石工具的重量，减小了操作人员的劳动强度，降低了设备的功率消耗和噪音。此外，针对该结合剂的成分组成，使用一种特殊的快速烧结工艺，不仅可以降低烧结温度，减小对金刚石的热损伤，同时还可以保持结合剂对金刚石较高的把持力，降低能耗和制备成本。
实施例1
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)纳米悬浮液的制备：选取纳米金刚石作为纳米增强材料，其粒度范围为50nm，将纳米增强材料加入到酒精溶液中，再加入硬脂酸分散剂，超声波分散0.5h，制备成均匀分散的纳米悬浮液，其中，纳米增强材料按照质量分数1％加到酒精溶液中；
2)机械合金化粉末的制备：将粒度为40μm的Fe粉和粒度为40μm的Al粉按照4:3的质量比进行初步混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用250r/min转速，球磨时间为6h；
3)原料的配混：取85份上述的机械合金化粉末、13份金刚石磨料和2份上述的纳米悬浮液进行初步混合，金刚石磨料的粒度为50-60目，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为100r/min，球磨时间1.5h，球料比为10:1，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥0.5h，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为150MPa，得到压坯密度为45％的坯体；
5)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以50℃/min的升温速率加热到1150℃，保温10秒，再以30℃/min的冷却速度降温至750℃，保温15min，升温阶段的烧结压力为50MPa，保护气氛为氮气，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
对比例1
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)机械合金化粉末的制备：将粒度为40μm的Fe粉和粒度为40μm的Al粉按照4:3的质量比进行初步混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用250r/min转速，球磨时间为6h；
2)原料的配混：取85份上述的机械合金化粉末和13份金刚石磨料进行初步混合，金刚石磨料的粒度为50-60目，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为100r/min，球磨时间1.5h，球料比为10:1，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥0.5h，得到混合均匀的粉料；
3)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为150MPa，得到压坯密度为45％的坯体；
4)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以50℃/min的升温速率加热到1150℃，保温10秒，再以30℃/min的冷却速度降温至750℃，保温15min，升温阶段的烧结压力为50MPa，保护气氛为氮气，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
对比例1和实施例1仅是采用的原材料不同，即对比例1中没有加入纳米增强材料。
效果评价及性能检测：
如图1所示，实施例1和对比例1在使用快速烧结工艺后，可以看出，纳米增强材料(图中简称为纳米材料)细化了结合剂的晶粒尺寸，同时纳米增强材料与结合剂反应生成了新的增强相，这极大地提高了金属结合剂的力学性能，经测试，对比例1的硬度和抗弯强度分别为95HRB和700MPa，加入纳米增强材料后，实施例1的硬度提升到了106.5HRB，抗弯强度提升到了800MPa，同时，实施例1测得的密度为5.3g/cm3。
如图2所示，相对于对比例1，加入纳米增强材料的实施例1的摩擦系数显著降低，使用实施例1制备的金刚石工具来磨削Al2O3陶瓷，其磨削比可以从400提高到650。
如图3所示，磨削加工前，与对比例1相比，实施例1中金刚石被结合剂更好的包镶，磨削后，实施例1中金刚石仅仅发生了破碎，未发现脱落，说明实施例1中结合剂对金刚石具有更好的把持力。同时，对于实施例1，被磨削后的Al2O3陶瓷以典型的脆性去除机制为主，磨削后具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.12μm。
实施例1制得的结合剂对金刚石有良好的亲和性和润湿性，不仅减少了合金元素的使用，还避免了重金属污染以及对生产和操作人员健康的危害，同时还降低了金刚石工具的材料成本和工具重量；纳米增强材料对结合剂的起强化作用，纳米增强材料与结合剂反应形成的增强相，共同强化结合剂，提高了结合剂的强度、硬度和耐磨性；通过特殊的快速烧结工艺，不仅降低了金刚石工具的烧结温度和能耗，同时还保持结合剂较高的力学性能以及对金刚石较高的把持力，减少对金刚石的热损伤。
综上所述，加入纳米增强材料后，所得的结合剂具有更加优异的力学性能，制备的金刚石工具也具有优异的加工性能。
实施例2
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)纳米悬浮液的制备：选取纳米石墨烯作为纳米增强材料，其粒度范围为50nm，将纳米增强材料加入到酒精溶液中，再加入硬脂酸分散剂，超声波分散1h，制备成均匀分散的纳米悬浮液，其中，纳米增强材料按照质量分数3％加到酒精溶液中；
2)机械合金化粉末的制备：将粒度为35μm的Fe粉和粒度为35μm的Al粉按照5:3的质量比进行初步混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用300r/min转速，球磨时间为5h；
3)原料的配混：取88份上述的机械合金化粉末、11份金刚石磨料和1份上述的纳米悬浮液进行初步混合，金刚石磨料的粒度为50-60目，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为150r/min，球磨时间0.5h，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥1h，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为200MPa，得到压坯密度为50％的坯体；
5)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以45℃/min的升温速率加热到1100℃，保温1秒，再以45℃/min的冷却速度降温至800℃，保温12min，升温阶段的烧结压力为50MPa，保护气氛为氮气，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
对比例2
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)机械合金化粉末的制备：将粒度为35μm的Fe粉和粒度为35μm的Al粉按照5:3的质量比进行初步混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用300r/min转速，球磨时间为5h；
2)原料的配混：取88份上述的机械合金化粉末和11份金刚石磨料进行初步混合，金刚石磨料的粒度为50-60目，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为150r/min，球磨时间0.5h，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥1h，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为200MPa，得到压坯密度为50％的坯体；
5)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以45℃/min的升温速率加热到1100℃，保温1秒，再以45℃/min的冷却速度降温至800℃，保温12min，升温阶段的烧结压力为50MPa，保护气氛为氮气，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
对比例2和实施例2仅是采用的原材料不同，即对比例2中没有加入纳米增强材料。
效果评价及性能检测：
实施例2和对比例2在使用快速烧结工艺后，纳米增强材料细化了金属结合剂的晶粒尺寸，同时纳米材料与结合剂反应生成了新的增强相，极大地提高了金属结合剂的力学性能，经测试，对比例2的硬度和抗弯强度分别为92HRB和600MPa，加入纳米增强材料后，实施例2的硬度提升到了104HRB，抗弯强度提升到了850MPa，同时，实施例2测得的密度仅为5.6g/cm3。
相对于对比例2，加入纳米增强材料的实施例2的摩擦系数显著降低，使用实施例2制备的金刚石工具来磨削Al2O3陶瓷，其磨削比可以从380.5提高到661。与对比例2相比，磨削加工前，实施例2中金刚石被结合剂更好的包镶，磨削后，对比例2中的金刚石发生少许脱落，而实施例2中金刚石仅仅发生了破碎，未发现脱落，实施例2中结合剂对金刚石具有更好的把持力。同时，对于实施例2，被磨削后的Al2O3陶瓷以典型的脆性去除机制为主，磨削后具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.12μm。综上所述，加入纳米增强材料后，所得的结合剂具有更加优异的力学性能，制备的金刚石工具也具有优异的加工性能。
实施例3
一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)机械合金化粉末的制备：将粒度为75μm的Fe粉和粒度为75μm的Al粉按照6:1的质量比进行初步混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末，其中机械合金化球磨采用250r/min转速，球磨时间为6h；
2)原料的配混：取88份上述的机械合金化粉末和12份金刚石磨料进行初步混合，金刚石磨料的粒度为50-60目，之后放入球磨机内充分混合，其中球磨机转速为150r/min，球磨时间1h，保证球磨罐内物料的体积不超过球磨罐体积的三分之二；将球磨好的物料在70℃下真空干燥1h，得到混合均匀的粉料；
3)冷压成型：将上述混合均匀的粉料放入冷压模具内进行冷压成型，冷压压力为200MPa，得到压坯密度为50％的坯体；
4)快速烧结处理：将上述所得坯体按照特殊设计的工艺进行烧结，坯体放置在烧结炉内，先以40℃/min的升温速率加热到1150℃，保温1秒，再以45℃/min的冷却速度降温至850℃，保温10min，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具。
如图4所示，使用特殊的快速烧结工艺后，结合剂中没有生成明显的气孔和裂纹，致密化程度高，同时硬度和抗弯强度分别达到了108.4HRB和1104MPa，比现有的仅以Fe粉和Al粉制得的结合剂的力学性能更加优越，测得的密度仅为6.4g/cm3。使用该金刚石工具来磨削Al2O3陶瓷，其磨削比可以达到702。如图5所示，磨削加工前金刚石被结合剂良好的包镶，磨削后金刚石仅仅发生了破碎，未发现脱落，说明该结合剂对金刚石具有良好的把持力。同时，如图6所示，被磨削后的Al2O3陶瓷以典型的脆性去除机制为主，磨削后具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.12μm。综上所述，即便不加入纳米增强材料，采用快速烧结处理工艺所得的结合剂也具有优异的力学性能，制备的金刚石工具也具有优异的加工性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换和改进等，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属结合剂金刚石工具，其特征在于，由如下重量份数计的组分组成：70-90份的金属结合剂、9-20份的金刚石磨料和1-10份的纳米增强材料，所述金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，Fe粉和Al粉的质量比为7:1-1:1，所述纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述金属结合剂、所述金刚石磨料和所述纳米增强材料之间的质量比为80:19:1-7:2:1。
3.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述Fe粉和所述Al粉的粒度范围均为10-100μm。
4.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述纳米增强材料的粒度范围为5-100nm。
5.一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)纳米悬浮液的制备：将纳米增强材料加入到酒精溶液中，再加入硬脂酸，超声波分散，制备成均匀分散的纳米悬浮液；
2)机械合金化粉末的制备：将Fe粉和Al粉按照配方量混合，将混合粉体进行机械合金化球磨处理，制得机械合金化粉末；
3)原料的配混：将纳米悬浮液、机械合金化粉末和金刚石磨料按照配方量混合，并放入球磨机内充分混合均匀，真空干燥，得到混合均匀的粉料；
4)冷压成型：将混合均匀的粉料进行冷压成型，得到坯体；
5)快速烧结处理：将坯体加热到900-1200℃，保温1-120s，再冷却降温至500-900℃，保温5-40min，之后随烧结炉降至室温，得到金刚石磨具，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保护气氛为氩气或氮气。
6.根据权利要求5所述的一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，在纳米悬浮液的制备步骤中，所述纳米增强材料按照质量分数1-10％加入酒精溶液中，硬脂酸按照质量分数1-10％加入酒精溶液中，超声波分散时间为0.5-2h。
7.根据权利要求5所述的一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，在机械合金化粉末的制备步骤中，机械合金化球磨处理采用150-350r/min的转速，球磨时间为3-15h。
8.根据权利要求5所述的一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，在原料的配混的步骤中，球磨机的转速为100-350r/min，球磨时间0.5-5h，球料比为5:1-15:1。
9.根据权利要求5所述的一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，在冷压成型的步骤中，冷压压力为100-250MPa，坯体的压坯致密度为40-60％。
10.根据权利要求5所述的一种金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，在快速烧结处理的步骤中，升温阶段采用30-50℃/min的升温速率，冷却降温阶段采用30-60℃/min的冷却速率。
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|---|---|---|---|---|
| CN115846651A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-03-28 | 广东工业大学 | 一种金属抛光盘及其制备方法 |
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