CN113927495A - 一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，属于磨具加工技术领域，其技术方案为：将磨料层基本组成材料按照设定比例混合；对磨具基体表面进行预处理，通过冷喷涂将混合后的材料喷涂于预处理后的磨具基体表面形成磨料层；通过热处理工艺控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物间隙与孔隙含量，获得可控自锐性的磨料层。本发明的磨料层具有可控的自锐性，良好的力学性能，使用寿命长，制作工艺简单且效率高。

Description

一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺
技术领域
本发明涉及磨具加工技术领域，尤其涉及一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺。
背景技术
自锐性是金刚石磨具的重要评价指标，自锐性差的磨具容易堵塞，金刚石磨粒出露困难，无法持续加工；自锐性好的磨具在金刚石磨粒磨钝后可使其破碎或脱落，重新露出锋利的刃口。自锐性与金刚石磨具的结合剂种类有关，金属结合剂磨具强度高、工作面几何形状保持性好、耐冲击，且对金刚石的把持力高于树脂与陶瓷结合剂，但是自锐性较差。
为了提高金属结合剂金刚石磨具的自锐性，目前在制造磨料层时添加可以降低金属结合剂耐磨性与可以造孔的材料，然而材料组成比较复杂，制作工艺难度随之提高，成品自锐性难以控制。现有的金属结合剂金刚石磨料层制备工艺包括热压烧结、电镀以及钎焊，热压烧结容易引起金刚石石墨化与金属材料相变，电镀与钎焊金刚石磨具只有单层结构，且磨料层薄，需要频繁更换。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，磨料层具有可控的自锐性，良好的力学性能，使用寿命长，制作工艺简单且效率高。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，包括：
将磨料层的基本组成材料按照设定比例混合；
对磨具基体表面进行预处理，通过冷喷涂将混合后的材料喷涂于预处理后的磨具基体表面形成磨料层；
通过热处理工艺控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物间隙与孔隙含量，获得可控自锐性的磨料层。
作为进一步的实现方式，磨料层的基本组成材料包括金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉，各组分的质量比为：金刚石20-50％，高纯Ni粉30-50％，高纯Al粉30-50％。
作为进一步的实现方式，金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉的粉末粒径为10-80μm。
作为进一步的实现方式，所述金刚石微粉采用化学镀覆的核壳式三层结构，Ni粉和Al粉采用气雾化法制备的球型颗粒。
作为进一步的实现方式，所述高纯Al粉的粒径大于高纯Ni粉的粒径。
作为进一步的实现方式，所述冷喷涂以高压气体作为气源，气体压力为0.7-2MPa，喷涂温度300-600℃。
作为进一步的实现方式，所述热处理工艺温度为400-600℃，保温时间为30-60min。
作为进一步的实现方式，所述热处理工艺为氩气保护下的微波热处理。
作为进一步的实现方式，所述磨具基体表面预处理包括：对磨具基体进行表面清理、喷砂处理、超声清洗，之后烘干。
作为进一步的实现方式，对预处理后的磨具基体通过冷喷涂设备在不输送粉末的情况下预热设定时间，之后进行冷喷涂。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过对冷喷涂后的磨料层进行热处理，仅通过Ni、Al间的扩散反应便可以改变金属结合剂金刚石磨料层的自锐性，无需制作复杂的配方并添加多种不同材质的添加剂，因此磨料层制备更加简单可控；通过对磨料层进行微波热处理，扩散反应可在较短时间内完成，反应产物为硬脆金属间化合物，配合不同程度的间隙与孔隙所造成的磨料层强度的降低，从而实现金属结合剂在磨削过程中的破碎脱落，最终使得磨料层在磨削过程中不断出露新的金刚石磨粒以及新的切削刃，达到不同程度的自锐性；热处理过程操作方便，成本低，且温度低，金刚石不会发生石墨化转变。
(2)本发明通过冷喷涂作为磨具基体的增材制造方法，较低的喷涂温度避免了材料的相变，尤其是金刚石石墨化，较高的沉积速度使得磨料层制备效率更高。只有冷喷涂较低的沉积温度才能保证Ni、Al在磨料层制备过程中不会提前反应，进而确保后续热处理能够改变高磨料层的自锐性。金刚石磨粒的核壳式结构则进一步提高了磨料层对金刚石磨粒的把持力以及金刚石磨粒在磨料层中的含量。此外，冷喷涂可喷涂复杂形状表面，制作复杂磨具，且磨料层破损后可再次喷涂进行修复。最后，磨料层原始材料粉末可回收再利用。
(3)本发明通过控制磨料层中Ni与Al的质量比、热处理温度及保温时间，进而控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物、间隙与孔隙的含量来实现不同程度的自锐性；当Al在磨料层Ni、Al两者中的含量为0-58Wt.％时，随着Al的含量增加，最终生成的金属间化合物、间隙与孔隙增多，金刚石颗粒周边的金属结合剂更容易脱落，自锐性程度逐渐提高，当超过58Wt.％时，自锐性程度随着Al含量的增加而降低；此外，Al含量为45-75Wt.％时，自锐性达到较高水平，20-45Wt.％与75-90Wt.％时处于中等水平，其他含量为较低水平；在Al含量保持不变基础上，在热处理温度400-600℃及保温时间30-60min范围内，温度越高，保温时间越长，扩散反应程度越高，自锐性程度越高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的工艺流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的冷喷涂设备结构示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的Al质量比、热处理温度以及保温时间对自锐性程度的影响图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的冷喷涂后的磨料层横截面显微组织图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的微波热处理示意图；
图6是本发明根据一个或多个实施方式的400℃热处理后磨料层横截面显微组织图；
图7是本发明根据一个或多个实施方式的400℃热处理后磨料层生成的硬脆金属间化合物成份检测图；
其中，1、高压气体，2、加热器，3、喷嘴，4、磨料层，5、磨具基体，6、冷喷涂枪，7、送粉管，8、核壳式金刚石微粉，9、高纯Ni粉，10、高纯Al粉；11、磁控管，12、微波管式炉，13、混合加热腔。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，如图1所示，包括：
将的磨料层基本组成材料按照设定比例混合；
对磨具基体表面进行预处理，获得良好的界面并促进与磨料层的结合；
通过冷喷涂将混合后的材料喷涂于预处理后的磨具基体表面形成磨料层；
通过热处理工艺控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物间隙与孔隙含量，获得可控自锐性的磨料层。
进一步的，磨料层基本组成材料包括金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉，各组分的质量比为：金刚石20-50％，高纯Ni粉30-50％，高纯Al粉30-50％。
金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉的粉末粒径10-80μm，金刚石磨粒的含量影响磨料层的磨削性能，Ni与Al的质量比将影响磨料层的自锐性。
如图3所示，当Al在磨料层Ni、Al两者中的含量为0-58Wt.％时，随着Al的含量增加，最终生成的金属间化合物、间隙与孔隙增多，金刚石颗粒周边的金属结合剂更容易脱落，自锐性程度逐渐提高；当超过58Wt.％时，自锐性程度随着Al含量的增加而降低。此外，Al含量为45-75Wt.％时，自锐性达到较高水平，20-45Wt.％与75-90Wt.％时处于中等水平，其他含量为较低水平；在Al含量保持不变基础上，在热处理温度400-600℃及保温时间30-60min范围内，温度越高，保温时间越长，扩散反应程度越高，自锐性程度越高。
优选地，金刚石微粉采用核壳式三层结构，制备工艺为化学镀覆；其中心为金刚石磨粒，中间层为Ti，增重比为5-10％，可与金刚石生成TiC，最外层为Ni，增重比为100-150％。镀层可以降低金刚石石墨化风险与发生在冷喷涂沉积过程中的破碎现象，并增加磨料层对金刚石磨粒的把持力。
优选地，Ni、Al采用气雾化法制备的球型颗粒，可以获得较好的加速效果。由于Ni的密度高于Al，因此所选Ni的粒径为Al的1/3，Ni与Al的原子比应大于1:1。
进一步的，磨具基体表面预处理步骤为：
对磨具基体进行清理、净化，之后对磨具基体表面进行喷砂处理；对喷砂处理后的磨具基体进行无水乙醇超声清洗，随后烘干。
将金刚石微粉、高纯Ni粉、高纯Al粉末，按照磨料层所要达到的自锐性程度设定质量比，放入球磨机进行混合。
冷喷涂作为增材制造技术，涂层厚且致密，能够避免高温氧化、相变等问题，可用来制备金属结合剂金刚石磨料层，生产效率高，成本低。本实施例对预处理后的磨具基体表面通过冷喷涂设备在不输送粉末的情况下预热设定时间，之后进行冷喷涂处理。
冷喷涂以高压气体作为气源，将混合粉末经冷喷涂设备的喷嘴进行加速，通过Ni、Al颗粒的撞击产生高速率、大塑性变形并包裹金刚石颗粒形成磨料层，磨料层厚度可控，磨料层磨损后可修复。在本实施例中，冷喷涂采用氮气或氦气作为气源，气体压力为0.7-2MPa，喷涂温度300-600℃。
磨料层通过热处理工艺，使得Ni、Al之间发生扩散反应，生成硬脆Ni-Al金属间化合物，由于Ni-Al金属间化合物的密度高于Al以及柯肯达尔效应的存在，Ni、Al之间的扩散反应将产生间隙与孔隙，磨料层强度降低。大量分布的硬脆金属间化合物、间隙以及孔隙，导致磨料层中的金属结合剂在磨削过程中破碎脱落，对金刚石磨粒的把持力降低，磨钝的金刚石磨粒脱落，新的金刚石磨粒出露，磨料层的自锐性提高。
均匀分布的Ni、Al以及Ni-Al金属间化合物作为结合剂，不同于金属、非金属等不同材料组成的存在各向异性与不均匀性的混合结合剂，前者在金刚石磨料层磨削过程中的消耗更加均匀。
在本实施例中，热处理为氩气保护下内外同时加热的微波热处理，热处理温度为400-600℃，保温时间为30-60min。
通过控制磨料层中Ni与Al的质量比、热处理温度及保温时间，进而控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物、间隙与孔隙的含量来实现不同程度的自锐性。磨料层中Ni、Al的质量比从根本上决定了磨料层所能实现的自锐性程度，而热处理温度与保温时间决定了Ni与Al的扩散反应程度，当扩散反应完全时，自锐性程度将达到当前Ni、Al含量及比例所对应的最高水平。
实施例二：
本实施例的自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、将磨料层基本组成材料按照设定比例混合：
磨料层基本组成材料为高纯Ni粉9、高纯Al粉10、核壳式金刚石微粉8的混合物，其中，高纯Ni粉9为电解不规则形貌，整体上近球形，5-10μm；高纯Al粉10为气雾化法制备，球形颗粒，13-30μm；核壳式金刚石微粉8的金刚石磨粒规格为W28，20-38μm，采用化学镀覆工艺在其表面镀覆了两层金属，中间层为Ti，增重比5％，最外层为Ni，增重比100％，镀层厚度2.6-5.0μm。
为了实现金属结合剂金刚石磨料层较高的自锐性程度，将上述三种粉末，即核壳式金刚石微粉、高纯Ni粉、高纯Al粉，按照42wt.％、42wt.％、16wt.％的质量比放入尼龙罐中，再按照球料质量比为1:6放入ZrO2磨球，在球磨机转速为1200r/min的情况下混合30min。
步骤二、对待喷涂的磨具基体进行清理、净化。
步骤三、对待喷涂的磨具基体表面进行喷砂处理，采用36目白刚玉砂，喷砂压力0.6MPa，粗化后表面粗糙度可达3μm。
步骤四、对喷砂后的磨具基体进行无水乙醇超声清洗10min，随后烘干。
步骤五、对预处理后的磨具基体表面，通过冷喷涂设备在不输送粉末的情况下预热。
步骤六、通过冷喷涂制得磨料层4，如图2所示，采用高压气体1作为气源，气体压力0.7MPa，经冷喷涂枪6内温度设置为600℃的加热器2加热后，将送粉管7输入的混合粉末经喷嘴3加速，撞击磨具基体5表面并经高速率、大塑性变形沉积为磨料层4。
在本实施例中，所述喷嘴3为De Laval喷嘴。
喷涂距离10mm，冷喷涂枪6横移速度10mm/s；磨料层如图4所示，致密且厚度为450-550μm，金刚石磨粒、Ni、Al分布均匀，金刚石磨粒被镀层以及周边的Ni、Al紧密包裹。
步骤七、对步骤六制备的磨料层进行微波热处理，如图5所示，将涂覆有磨料层4的磨具基体5置入微波管式炉12中的混合加热腔13中，微波管式炉12安装多个磁控管11，通过微波加热促使Ni、Al发生扩散反应。其中，设置热处理温度为400℃，保温时间1h；反应后的磨料层如图6和图7所示，Ni颗粒的周边分布着大量Ni2Al3与NiAl3硬脆金属间化合物，Ni、Al以及金刚石镀Ni层之间出现间隙与孔隙，磨料层的强度降低，对金刚石颗粒的把持力降低，磨料层的自锐性达到了较高水平。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，包括：
将磨料层的基本组成材料按照设定比例混合；
对磨具基体表面进行预处理，通过冷喷涂将混合后的材料喷涂于预处理后的磨具基体表面形成磨料层；
通过热处理工艺控制磨料层中生成的硬脆金属间化合物间隙与孔隙含量，获得可控自锐性的磨料层。
2.根据权利要求1所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，磨料层的基本组成材料包括金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉，各组分的质量比为：金刚石20-50％，高纯Ni粉30-50％，高纯Al粉30-50％。
3.根据权利要求2所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，金刚石微粉、高纯Ni粉和高纯Al粉的粉末粒径为10-80μm。
4.根据权利要求3所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述金刚石微粉采用化学镀覆的核壳式三层结构，Ni粉和Al粉采用气雾化法制备的球型颗粒。
5.根据权利要求3所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述高纯Al粉的粒径大于高纯Ni粉的粒径。
6.根据权利要求1所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述冷喷涂以高压气体作为气源，气体压力为0.7-2MPa，喷涂温度300-600℃。
7.根据权利要求1所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述热处理工艺温度为400-600℃，保温时间为30-60min。
8.根据权利要求1或7所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述热处理工艺为氩气保护下的微波热处理。
9.根据权利要求1所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，所述磨具基体表面预处理包括：对磨具基体进行表面清理、喷砂处理、超声清洗，之后烘干。
10.根据权利要求1或9所述的一种自锐性金属结合剂金刚石磨料层制备工艺，其特征在于，对预处理后的磨具基体通过冷喷涂设备在不输送粉末的情况下预热设定时间，之后进行冷喷涂。
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CN116749093A (zh) * 2023-08-11 2023-09-15 太原理工大学 磁性磨具的制备工艺及基于磁性磨具的细长管内抛光装置
CN116749093B (zh) * 2023-08-11 2023-11-07 太原理工大学 磁性磨具的制备工艺及基于磁性磨具的细长管内抛光装置

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