CN115255368A - 一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金刚石工具技术领域，具体涉及一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法。采用本发明方法制备的高熵合金增强金属结合剂金刚石工具有着以下优点：a、结合剂对金刚石具有良好的亲和性和润湿性，并大幅减少了高熵合金粉末的使用量，降低工具的材料成本，并缩短制造周期；b、高熵合金粉末与金属结合剂同时使用可以起到颗粒增强和合金化增强的效果，极大地提高了结合剂的强度、硬度、耐磨性。c、相比于传统结合剂增强方式而言，使用粒径经设计且具有一定尺寸大小的高熵合金粉末进行增强，可以制备得到一种软‑硬复合的结合剂微观结构，获得优异力学性能的同时，还可以使工具同时获得较优的耐磨性和自锐性。

Description

一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
技术领域
本发明属于金刚石工具技术领域，具体涉及一种软硬复合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结合强度高，成型性好，使用寿命长而被广泛应用于各种硬脆材料的加工中，如陶瓷、玻璃、混凝土、石材等。金属结合剂金刚石工具主要是由金刚石磨粒与金属结合剂组成。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，学者们研发了各类性能优异的金属结合剂来改善金刚石磨粒的浸润状态，并改进金刚石工具的使用性能。
高熵合金结合剂具有比传统合金更为优异的强度、硬度、耐磨性、高温稳定性和抗高温蠕变性，可以制备出性能更加优异的金刚石工具。高熵合金结合剂通常采用熔炼法、气雾化法或机械合金化法进行制备。然而，这些制备方法耗时长，加上高熵合金自身包含了5种或5种以上的金属元素，导致制造成本较高，而且近年来有色金属的价格持续攀升，导致高熵合金的价格进一步提高。因此，无论是采用熔炼法或雾化法，还是机械合金化法进行高熵合金的制备，都会导致高熵合金粉末价格高昂，使得采用高熵合金粉末作为结合剂的金刚石工具具有较高的成本。此外，高熵合金粉末的烧结温度较高，这也会导致高熵合金结合剂金刚石工具的烧结温度较高，一方面过高的烧结温度使得金刚石磨料发生石墨化，从而导致强度降低，另一方面也会导致工具制造过程中石墨模具的损耗增加，制造过程的耗能增加。
为了获得优异的力学性能，通常会采用各种增强方法对传统金属结合剂金刚石工具进行改进，结合剂经过增强后，强度、硬度和耐磨性虽然得到了提高，但会导致其自锐性和锋利性下降。而过高的自锐性，往往又会导致其耐磨性、保型性以及寿命的下降。因此，有必要开发新的金属结合剂金刚石工具，以解决上述技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法，使用颗粒尺寸经设计且具有一定大小的高熵合金粉末与软质的Fe、Cu、Ni等金属结合剂进行合理复合。通过对高熵合金颗粒尺寸、体积分数，基体成分以及烧结工艺等进行优化，获得一种软硬复合的特殊结合剂微观结构，从而获得一种加工性能优异的新型金属结合剂金刚石工具。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供了一种软硬复合金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述金刚石工具包括金属结合剂粉末、高熵合金粉末和金刚石磨料，所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为1:5-10，所述高熵合金粉末和金属结合剂粉末的总质量与金刚石磨料的质量之比为3-9:1-2，所述金属结合剂粉末包括Fe、Ni、Cu中的一种，所述高熵合金粉末包括AlCoCrFeNi、Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5、WNbMoTaV、Al0.75FeNiCr中的至少一种，所述金刚石磨料包括未镀覆金刚石、镀W金刚石和镀Ti金刚石中的至少一种。
优选地，所述金属结合剂粉末的粒径为5-200μm，所述高熵合金粉末的粒径是经过设计的，为30-100μm，所述磨料的粒径为25-400目。
本发明还提供了上述软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、先将高熵合金粉末与金属结合剂粉末球磨混匀，再加入金刚石磨料球磨混匀；
S2、对步骤S1所得的混合材料进行冷压成型，得到坯体；
S3、对步骤S2所得的坯体进行热压烧结，以20-50℃/min的升温速率加热到750-1200℃，保温5-40min，随炉冷却后得到金刚石磨具。
本发明使用粒径尺寸经设计的、具有一定大小的高熵合金粉末，通过调节高熵合金颗粒的尺寸、体积分数，并在与基体粉末(金刚石磨料)混合后使用优化的烧结工艺进行烧结，从而获得一种软-硬复合的结合剂微观结构，高熵合金颗粒在结合剂中均匀分布(见图1a)。烧结过程中，高熵合金的元素与基体形成一定范围的互扩散，从而提高高熵合金颗粒与基体的界面的结合能力和界面强度(见图1b-c)，也使得结合剂-高熵合金界面及整体的强度、硬度获得提升(见图2)。同时，该方法还可以实现较低烧结温度下获得较高的致密度。此外，该方法还可以同时获得较优的耐磨性和自锐性，即在金刚石工具的磨削过程中，结合剂的软质区域会更容易被磨损磨耗，硬质的高熵合金区域则形成耐磨区。一方面软质基体区域由于磨耗而形成高的出刃和自锐性，另一方面也避免了结合剂的过度磨损磨耗(见图3)。因此，使用本发明方法可以获得一种加工性能优异的新型金属结合剂金刚石工具。
优选地，热压烧结时，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保护气氛为氩气或氮气。
优选地，所述冷压成型的压力为100～250MPa，坯体的压坯致密度为40～60％。
优选地，高熵合金粉末与金属结合剂粉末的球磨转速为200-450r/min，球磨时间3-15h，球料比为3-15:1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
优选地，加入金刚石磨料后的球磨转速为100-250r/min，球磨时间0.5-5h，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，采用本发明方法制备的高熵合金增强金属结合剂金刚石工具有着以下优点：a、结合剂对金刚石具有良好的亲和性和润湿性，并大幅减少了高熵合金粉末的使用量，降低工具的材料成本，并缩短制造周期；b、高熵合金粉末与金属结合剂同时使用可以起到颗粒增强和合金化增强的效果，极大地提高了结合剂的强度、硬度、耐磨性。c、相比于传统结合剂增强方式而言，使用粒径经设计且具有一定尺寸大小的高熵合金粉末进行增强，可以制备得到一种软-硬复合的结合剂微观结构，获得优异力学性能的同时，还可以使工具同时获得较优的耐磨性和自锐性。
附图说明
图1为高熵合金与基体的反应示意图；
图2为加入高熵合金后基体的硬度变化情况(按实施例1-3的方法制备软硬复合金属结合剂后，先测高熵合金颗粒的硬度，再测高熵合金与基体边界的硬度，最后测基体的硬度)；
图3为高熵合金增强金属结合剂金刚石工具的磨削示意图；
图4为结合剂的微观形貌；
图5为磨削前后金刚石工具的微观形貌对比；
图6为磨削前后蓝宝石的宏观微观形貌对比。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具包括金属结合剂粉末、高熵合金粉末和金刚石磨料，所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为1:5，所述高熵合金粉末和金属结合剂粉末的总质量与金刚石磨料的质量之比为22:3，所述金属结合剂粉末为Fe粉，所述高熵合金粉末为AlCoCrFeNi高熵合金粉末，所述金刚石磨料为镀Ti金刚石磨料。
所述软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法包括如下步骤：
(1)将50μm的AlCoCrFeNi高熵合金粉末和25μm的Fe粉按1:5的质量比混合，之后进行机械合金化球磨，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为10小时，制得软硬复合金属粉末；
(2)取88质量份软硬复合金属粉末与12质量份镀Ti金刚石磨料(目数为50/60目)，放入球磨机充分混合后获得磨具制备材料，其中球磨机的转速为150r/min，球磨时间为2h。
(3)将上述所得磨具制备材料放入冷压磨具进行冷压成型，得到压坯致密度为58％的坯体，冷压压力为220MPa；
(4)将上述所得坯体进行热压烧结，以40℃/min的升温速度将坯体加热到1050℃，保温10min，热压压力35MPa，保护气氛为氩气，随炉冷却至室温后得到金刚石磨头。
如图4所示，结合剂中没有生成明显的气孔和裂纹，致密度为98％，高熵合金在基体中均匀分布，并与基体形成一定的扩散层及晶界析出物，使其硬度和压缩强度分别达到108.4HRB和3500MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比可以达到2750，与商用铁基金刚石工具的磨削比(2870)相当。如图5所示，磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，磨削后金刚石仅仅发生了少量脱落，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，被磨削后的蓝宝石具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.1μm。综上所述，所得的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。
实施例2一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具包括金属结合剂粉末、高熵合金粉末和金刚石磨料，所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为2:7，所述高熵合金粉末和金属结合剂粉末的总质量与金刚石磨料的质量之比为89:11，所述金属结合剂粉末为Cu粉，所述高熵合金粉末为AlCoCrFeNi高熵合金粉末，所述金刚石磨料为镀W金刚石磨料。
所述软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法包括如下步骤：
(1)将70μm的AlCoCrFeNi高熵合金粉末和10μm的Cu粉按2:7的质量比混合，之后进行机械合金化球磨，球磨机的转速为200r/min，球磨时间为3小时，制得软硬复合金属粉末；
(2)取89质量份软硬复合金属粉末与11质量份镀W金刚石磨料(目数为50/60目)，放入球磨机充分混合后获得磨具制备材料，其中球磨机的转速为120r/min，球磨时间为0.5h。
(3)将上述所得磨具制备材料放入冷压磨具进行冷压成型，得到压坯致密度为54％的坯体，冷压压力为200MPa；
(4)将上述所得坯体进行热压烧结，以35℃/min的升温速度将坯体加热到850℃，保温6min，热压压力40MPa，保护气氛为氩气，随炉冷却至室温后得到金刚石磨头。
结果显示结合剂致密化程度高，高熵合金均匀分布且与Cu基体发生互扩散，结合界面良好，同时硬度和压缩强度分别达到了150HBW和605MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比可以达到1700，与商用铜基金刚石工具的磨削比(1870)相当。磨削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。被磨削后的蓝宝石具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.1μm。综上所述，所得的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。
实施例3一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具包括金属结合剂粉末、高熵合金粉末和金刚石磨料，所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为3:7，所述高熵合金粉末和金属结合剂粉末的总质量与金刚石磨料的质量之比为9:1，所述金属结合剂粉末为Ni粉，所述高熵合金粉末为WNbMoTaV高熵合金粉末，所述金刚石磨料为镀Ti金刚石磨料。
所述软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法包括如下步骤：
(1)将90μm的WNbMoTaV高熵合金粉末和50μm的Ni粉按3:7的质量比混合，之后进行机械合金化球磨，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为7小时，制得软硬复合金属粉末；
(2)取90质量份软硬复合金属粉末与10质量份镀Ti金刚石磨料(目数为70/80目)，放入球磨机充分混合后获得磨具制备材料，其中球磨机的转速为150r/min，球磨时间为2h。
(3)将上述所得磨具制备材料放入冷压磨具进行冷压成型，得到压坯致密度为50％的坯体，冷压压力为190MPa；
(4)将上述所得坯体进行热压烧结，以40℃/min的升温速度将坯体加热到1050℃，保温5min，热压压力45MPa，保护气氛为氩气，随炉冷却至室温后得到金刚石磨头。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到97％，高熵合金在结合剂中均匀分布并形成扩散层，同时硬度和压缩强度分别达到了108.4HRB和3200MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比可以从未添加高熵合金前的1700提升到2550。磨削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，被磨削后的蓝宝石具有较高的表面质量，表面粗糙度(Ra)仅为0.13μm。综上所述，所得的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。
对比例1一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述AlCoCrFeNi高熵合金粉末的粒径为105μm。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到90％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为88.3HRB和2646MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到1900，提升效果不显著，相比于实施例1，磨削比更是降低了31％。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.47μm。
对比例2一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述AlCoCrFeNi高熵合金粉末的粒径为25μm。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到85％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为80.3HRB和2489MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到1790，提升效果不显著，相比于实施例1，磨削比更是降低了35％。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.58μm。
对比例3一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为1:11。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到87％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为83.1HRB和2657MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到1877，提升效果不显著，相比于实施例1，磨削比更是降低了31.7％。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.53μm。
对比例4一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为1:4。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到85％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为84.7HRB和2751MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到1895，提升效果不显著，相比于实施例1，磨削比更是降低了31.1％。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.51μm。
对比例5一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述热压烧结的温度为700℃。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到80％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为80.9HRB和2087MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到1799，提升效果不显著。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.43μm。
对比例6一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法
所述金刚石工具的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：所述热压烧结的温度为1250℃。
结果显示结合剂中未生成明显的气孔和裂纹，致密度达到98％，高熵合金在结合剂中分布得不是很均匀，同时硬度和压缩强度也有所下降，分别为90.7HRB和3067MPa。使用该结合剂制备的金刚石工具来磨削蓝宝石，其磨削比从未添加高熵合金前的1700提升到2069，提升效果不够显著。磨削前金刚石被结合剂良好的包镶，但磨削后金刚石有发现些许脱落，说明该结合剂对金刚石的把持力不是太好。同时，被磨削后的蓝宝石的表面粗糙度(Ra)为0.40μm。
综上所述可见，本发明通过使用颗粒尺寸经设计且具有一定大小的高熵合金粉末与软质的Fe、Cu、Ni等金属结合剂进行合理复合。同时，通过对高熵合金颗粒尺寸、体积分数，基体成分以及烧结工艺等进行优化，获得一种软硬复合的特殊结合剂微观结构。而且，本发明提出的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，仅使用少量的高熵合金粉末作为增强剂，用来对Fe、Cu和Ni等软质金属结合剂进行性能增强，从而降低工具的制造成本，并降低烧结温度以及模具损耗。且相比于传统的增强方式，该方法可以有效避免在结合剂强度、硬度、耐磨性提高的同时出现自锐性和锋利性下降的问题，并防止自锐性、锋利性提高后耐磨性、保型性及使用寿命不足的问题。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种软硬复合金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述金刚石工具包括金属结合剂粉末、高熵合金粉末和金刚石磨料，所述高熵合金粉末与金属结合剂粉末的质量比为1:5-10，所述高熵合金粉末和金属结合剂粉末的总质量与金刚石磨料的质量之比为3-9:1-2，所述金属结合剂粉末包括Fe、Ni、Cu中的一种，所述高熵合金粉末包括AlCoCrFeNi、Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5、WNbMoTaV、Al0.75FeNiCr中的至少一种，所述金刚石磨料包括未镀覆金刚石、镀W金刚石和镀Ti金刚石中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种软硬复合金属结合剂金刚石工具，其特征在于，所述金属结合剂粉末的粒径为5-200μm，所述高熵合金粉末的粒径是经设计的，为30-100μm，所述磨料的粒径为25-400目。
3.权利要求1或2所述的软硬复合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：
S1、先将高熵合金粉末与金属结合剂粉末球磨混匀，再加入金刚石磨料球磨混匀；
S2、对步骤S1所得的混合材料进行冷压成型，得到坯体；
S3、对步骤S2所得的坯体进行热压烧结，随炉冷却后得到金刚石磨具。
4.根据权利要求3所述的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述热压烧结为以20-50℃/min的升温速率加热到750-1200℃，保温5-40min。
5.根据权利要求4所述的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，热压烧结时，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3所述的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的压力为100～250MPa，坯体的压坯致密度为40～60％。
7.根据权利要求3所述的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，高熵合金粉末与金属结合剂粉末的球磨转速为200-450r/min，球磨时间3-15h，球料比为3-15:1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
8.根据权利要求3所述的软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，其特征在于，加入金刚石磨料后的球磨转速为100-250r/min，球磨时间0.5-5h，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
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