CN115283671A - 一种CuNiSn合金-镀钛金刚石磨具复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种CuNiSn合金-镀钛金刚石磨具复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CuNiSn合金‑镀钛金刚石复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料的原料包括80‑95vol.％的粘结相粉末和5‑20vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。所用粘结相粉末由Cu、Ni、Sn按原子比为(70‑90)：(5‑20)：(5‑20)组成。其制备方法为：将粘结相粉末与镀钛的金刚石粉末混合后采用压力烧结工艺在600‑800℃烧结得到产品。该产品具有良好的界面结合效果和较高的横向断裂强度，复合材料的摩擦磨损性能优异。本发明设计和制备的CuNiSn合金‑镀钛金刚石复合材料可以用于制备金刚石磨盘和金刚石砂轮等磨削类金刚石工具，具有较高的磨削效率和较长的使用寿命。

Description

一种CuNiSn合金-镀钛金刚石磨具复合材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于金刚石复合材料的制备领域，具体涉及一种CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
金刚石因其独特的物理化学特性，如极高的硬度、优异的耐磨性、高强度和低热膨胀等被广泛应用于硬质材料的加工中，金刚石超硬磨具，如磨头、磨盘等在高端芯片加工、3C陶瓷等领域发挥着越来越重要的作用。金刚石磨具通常由粘结相和金刚石颗粒组成。金刚石磨具材料的粘结相大多为Cu或Cu合金，在1350℃时，Cu与金刚石的润湿角为150°，粘附功为0.18J/m2，Cu与金刚石烧结时，金刚石颗粒只能被机械地镶嵌在粘结相中，两相的界面结合能力弱。金刚石工具在使用过程中，在磨削力的作用下出现非正常断裂或者金刚石磨粒在出露不到粒径一半的高度，金刚石颗粒就失去了粘结相的把持而自行脱落，工作效能的发挥通常不到60％，导致金刚石超硬磨具的使用寿命和加工效率降低。
为了提高粘结相与金刚石磨粒的界面结合能力，大多数研究者们通常在粘结相内添加强碳化物形成元素或者金刚石表面镀覆金属镀层，使界面结构由机械包镶转变为化学结合。Dewar等在粘结相中添加Cr、Ti、W、Mo等强碳化物形成元素，改善了粘结相的力学和耐磨损性能，提高了粘结相与金刚石磨粒之间的界面结合强度，复合材料的综合性能也得到较大程度的提高。尤其是强碳化物形成元素Ti，密度低，杨氏模量大，且钛合金耐热性好、强度高，有较高的抗冲击性能和应变率敏感性，适合做高速磨损用超薄砂轮等金刚石磨具材料的粘结相。比如发明专利CN114752809A和CN114734039A中的金刚石镀覆SiC-金属连接膜，可以有效提高合金基体与金刚石之间的润湿性，但这些专利中的合金元素有Cu、Al、Zn、Si、Ti、Ni、Cr、Mn、Fe，和Pb等，元素种类过于复杂，在合金化过程中很容易形成金属间化合物或中间相，不利于粘结相和复合材料组织和性能的稳定。
此外，添加高熔点金属，如Mo、W、Fe、Cr、Co等的含量过多，使得合金的熔点升高，复合材料的烧结温度也随之升高，过高的烧结温度将加剧金刚石的石墨化程度，降低磨损效率。例如专利CN106854750A中金刚石表面镀覆Cr层，虽然提高了复合材料的导热性能，但其烧结温度达到了950-1050℃，如此高的温度下，即使金刚石表面有镀层也会发生石墨化转变；同时高温烧结也造成了能源和石墨模具等原料的浪费。
因此，如何设计并制备出组织结构稳定、烧结温度低、粘结相与金刚石有良好界面结合，且力学性能和磨削性能均比较优异的金属基-金刚石磨具复合材料，是困扰行业内研究者和企业的关键问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明在原有研究(专利CN 114645171 A)基础上，首次尝试了利用简单的组分的粘结剂来获得组织稳定、成本低、并且具有较高强度的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料；本发明的第二个目的是提供一种具有更高磨削效率和更长服役寿命的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备方法；本发明的第三个目的是提供一种上述CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的应用。
本发明中，合金粘结相选用CuNiSn合金，金刚石选用表面镀覆钛层的高品质金刚石，选取压力烧结工艺制备复合材料，提高了金刚石与粘结相的界面结合强度，增强了金刚石的稳定性，优化了复合材料的摩擦磨损性能，进而提升所制备的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的磨削效率和使用寿命。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明一种CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，所述CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的原料包括80-95vol.％的CuNiSn合金粘结相粉末和5-20vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。所述CuNiSn合金粘结相粉末由Cu、Ni、Sn三种元素构成，且Cu的原子分数占到粘接相原子分数的70％-90％。
优选地，本发明一种CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，包括：80-90vol.％的CuNiSn合金粘结相粉末和10-20vol％、优选为11-15vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。更进一步的优选为12-13vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。在本发明中，使用12-13vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末，其展现出来的性能远远优于现有技术中同量金刚石使用时产品的性能。
优选地，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Sn的原子比为(70-90)：(5-20)：(5-20)。
优选地，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，本发明将Cu、Ni、Sn的原子比优化为(70-85)：(10-20)：(5-10)。
作为进一步的优选，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Ni与Sn的摩尔比大于2，其目的在于进一步提升复合材料的摩擦磨损性能，进而达到提升产品寿命的目的。
作为更进一步的优选，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，为了使合金粘结相形成更为稳定的FCC固溶体结构，本发明将Cu、Ni、Sn的原子比控制为(75-83)：(12-17)：(5-8)。
优选地，CuNiSn合金粘结相粉末的粒径为15-100μm。
优选地，所述镀覆钛层的金刚石的粒径为50-250μm。金刚石表面镀钛层的厚度为40-100nm。
本发明一种制备上述任一项所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将CuNiSn合金粘结相粉末与表面镀钛的金刚石粉末混匀，制成混合粉末，烘干；
(2)将混合粉末原料装填入石墨磨具中，在10-40MPa的压力下预压成型；
(3)进行压力烧结，烧结压力20-50MPa，以80-120℃/min、优选为100℃/min的升温速率从室温升到A℃，在A℃保温；所述A的取值为355-455；
(4)以B℃/min的升温速率从A℃升温至烧结温度，保温10-30min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料；所述B的取值为45-55；所述烧结温度为600℃-800℃。
优选地，所述CuNiSn合金优选使用合金粉末。更优选使用气雾化CuNiSn合金粉末，气雾化粉末粒度细、主要为球形、流动性好，用于烧结效果更好。
优选地，所述金刚石颗粒优选使用表面镀覆钛层的D级金刚石，是品级较高的金刚石单晶，以保证成品质量。金刚石表面镀钛层的厚度为40-100nm。
优选地，在A℃保温4-10min、优选为5min。
优选地，所述烧结温度为600℃-800℃。进一步优选地，所述烧结温度为700℃-800℃。作为更进一步的优选，所述烧结温度为735℃-765℃。相比现有技术，本发明采用较低的烧结温度，实现了产品的快速致密化，进而达到提升产品性能的目的。
本发明所设计和制备的复合材料在50N-200N载荷加载后的摩擦系数低于0.2，磨损率低于20×10-5mm3/N·m，磨耗比大于1.0×103，且产品的布氏硬度HB大于等于200。
经优化后，本发明所设计和制备的复合材料在50N-200N载荷加载后的摩擦系数低于0.15，磨损率低于18×10-5mm3/N·m，磨耗比不低于1.2×103，且产品的布氏硬度HB大于等于220。
经进一步优化后，本发明所设计和制备的复合材料在50N-200N载荷加载后的摩擦系数低于0.1，磨损率小于等于15×10-5mm3/N·m，磨耗比不低于2.0×103，产品的布氏硬度HB大于等于240，且产品的横向断裂强度大于等于500MPa。
经更进一步优化后，本发明所设计和制备的复合材料在50N-200N载荷加载后的摩擦系数低于0.1，磨损率小于等于12×10-5mm3/N·m，磨耗比不低于5.0×103，产品的布氏硬度HB大于等于260，且产品的横向断裂强度大于等于500MPa。
本发明，采用Cu75Ni17Sn8作为粘结剂，当金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％时，将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20-21MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力38-40MPa，以90-100℃/min的升温速率从室温升到395-405℃，保温5-8min后以48-50℃/min的升温速率升温至750±3℃，保温8-10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料；该复合材料的磨耗比约为10-10.3×103；横向断裂强度约为800-806MPa。该复合材料在利用了少量金刚石的情况下，在低温烧结条件下，得到了性能远远优于现有产品的复合材料。
本发明所设计和制备的复合材料可以用于制备磨削工具。所述磨削工具包括金刚石磨盘、金刚石砂轮等磨削类金刚石工具。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明首先采用成分简单的CuNiSn合金作为粘结相基体，该合金具有高强韧性、耐磨和耐腐蚀性能优异等特点，形成的FCC固溶体也会抑制复杂化合物的出现，有望改善材料组织-性能适配性和稳定性差等关键问题，是金刚石磨具用金属基粘结相的理想材料。
(2)本发明的合金粘结相中未使用现役磨具材料中常用的Co元素，大大降低了原料成本，非常有利于企业实现产业化。同时本发明避免的铁的使用，其原因是Fe是金刚石发生石墨化转变的催化元素(触媒元素)，减少甚至避免Fe的使用，可以在烧结过程中保护金刚石，降低金刚石的石墨化转变。
(3)本发明采用表面镀钛层的厚度为40-100nm的镀覆钛层的金刚石，其目的在于：Ti是一种强碳化物形成元素，金刚石表面镀覆Ti层后，在烧结过程中可以在金刚石表面形成一层TiC化合物，使粘结相与金刚石的界面结合方式由机械包镶转变为化学结合，结合强度得以明显提升。
(4)本发明采用压力烧结方法制备CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，制备方法简单，而且制得的复合材料可用作超硬磨具。本发明的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料在硬度和断裂强度优于现有的超硬磨具的情况下，摩擦系数和磨损率更低、磨耗比更高，服役性能明显提高。
(5)本发明能有效解决现役常用金刚石磨具复合材料在服役过程中因金刚石过早脱落而降低磨削效率的问题。在本发明中使用镀覆钛层的金刚石颗粒，适量的Ti在一定的温度和压力下，可以与金刚石发生化学反应，生成TiC并在金刚石颗粒表面形成一层均匀连续的TiC层，使得烧结后的复合材料更加致密，金刚石颗粒与粘结相的结合能力更强，磨损过程中脱落的金刚石数量明显减少，复合材料的磨削效率和服役寿命得到明显提升。
(6)本发明为解决高温环境中金刚石石墨化的技术难题提供了新的方法。在本发明所设计的粘结相体系下，采用远远低于现有技术的烧结温度，减少金刚石的热损伤；此外，Ti与金刚石发生化学反应生成的TiC包裹在金刚石表面，可以保护金刚石，减少金刚石与触媒元素及高温的接触，降低金刚石的石墨化转变程度，进而提升产品的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1：实施例1-3的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的横向断裂强度；
附图2：实施例2、7和8的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的硬度；
附图3：实施例2和对比例1、2的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的磨耗比；
附图4：实施例2和对比例3的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料和CuNiSn合金-未镀钛金刚石复合材料的XRD图谱。
从图1可以看出，随着烧结温度的升高，CuNiSn-镀钛金刚石复合材料的横向断裂强度先增大后减小，在750℃烧结后达到最大值。
从图2可以看出，对于相同的烧结温度但金刚石含量不同的复合材料，金刚石含量越多，复合材料的硬度越高。但综合复合材料的其他性能，如横向断裂强度和磨耗比等，发现750℃是最佳的烧结温度。
从图3可以看出，当烧结温度低于700℃时，复合材料的磨耗比明显降低；当粘结相中Cu含量升高而其他元素含量减低时，复合材料的磨耗比虽降低不明显，但此时复合材料摩擦后的体积磨损率较大。以上情况制备的复合材料不适用于生产金刚石磨具材料。
从图4可以看出，金刚石表面镀覆钛层后，烧结制备的复合材料中几乎检测不到石墨相的存在；但使用未镀覆钛层的金刚石，经过相同的烧结工艺制备的复合材料，可以在XRD图谱中看到石墨相。说明金刚石表面镀覆钛层后，对金刚石的石墨化转变有很强的抑制作用，在烧结过程中可以保护金刚石，减少热损伤。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明中，磨耗比依据中华人民共和国工业和信息化部标准(JB/T3235-2013)，磨耗比E的计算公式为：
Figure BDA0003793115300000071
式中，Ms是对磨件碳化硅砂轮的磨耗量，单位g；Mj是待测试样品的磨耗量，单位g。测试过程中砂轮线速度25m/s，进给速度0.02mm/次，单次试验进给总深度5mm。通常磨耗比越大，表示待测试样品越耐磨。
实施例1：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至700℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000072
实施例2：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000081
实施例3：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至800℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000091
实施例4：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu81Ni13Sn6(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至700℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000101
实施例5：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu81Ni13Sn6(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000102
实施例6：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu81Ni13Sn6(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至800℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000111
实施例7：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为10.0vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000121
实施例8：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为15.0vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000122
Figure BDA0003793115300000131
对比例1：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至550℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000132
对比例2：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu95Ni3Sn2(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000141
对比例3：
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面未镀覆钛层的D级金刚石。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-未镀覆金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得CuNiSn合金-未镀覆金刚石复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-未镀覆金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000151
对比例4
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu75Ni17Sn8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至850℃，保温10min。制得复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000152
对比例5
1.材料准备：
(1)准备CuNiFe合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiFe合金粉末，其成分为Cu75Ni17Fe8(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiFe合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiFe合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得复合材料。
3.将制得的CuNiFe合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000161
对比例6
1.材料准备：
(1)准备CuNiSn合金粉末：选取粒径45-100μm的气雾化CuNiSn合金粉末，其成分为Cu45Ni45Sn10(at.％)。
(2)准备金刚石粉末：选取粒径150-220μm的表面镀覆钛层的D级金刚石。钛层的厚度约为50nm。
(3)将上述CuNiSn合金粉末与金刚石粉末进行充分的机械混合，混匀后得到混合粉末。其中，金刚石粉末占复合粉末的体积百分比为12.5vol.％。
2.CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备：
将混合粉末原料装填入石墨模具中，在20MPa的压力下预压成型，进行放电等离子烧结，烧结压力40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升到400℃，在400℃保温5min，以50℃/min的升温速率从400℃升温至750℃，保温10min。制得复合材料。
3.将制得的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料打磨抛光后用常规检测手段所用的仪器进行组织及性能检测，所得复合材料技术参数如下：
Figure BDA0003793115300000171
本发明制备的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的布氏硬度大于等于260HB，断裂强度大于等于500MPa。现役常用的Cu合金粘结相-金刚石磨具材料，布氏硬度只能达到100-180HB，断裂强度只能达到350MPa，本发明的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的硬度和断裂强度明显高于常用粘结相制备的金刚石复合材料。而且，本发明制备的复合材料的性能也优于未镀覆钛层的金刚石制备的复合材料。此外，本发明的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料在硬度和断裂强度优于现役超硬磨具的情况下，摩擦系数和磨损率均更低、磨耗比更高，复合材料的摩擦磨损性能明显提高，这将大大提升工具的服役寿命。
综上，本发明具有以下优点：
本发明采用CuNiSn合金作粘结相，结合镀覆钛层的金刚石粉末制备CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，制备方法简单，可低温烧结；制得的复合材料具有较高的硬度和断裂强度，以及优异的摩擦磨损性能，综合性能优于现役的金刚石超硬磨具；本发明未添加使用现役磨具材料中常用的Co元素，大大降低了原料成本；更重要的是，金刚石表面镀覆钛层后，金刚石颗粒与粘结相的结合能力更强，脱落的金刚石数量减少，并且降低了金刚石的石墨化程度，减少了金刚石原料的浪费，在降低生产成本的同时，复合材料的磨削效率和服役寿命得到明显提升。
最后要说明的是：对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：新型CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的原料包括80-95vol.％的CuNiSn合金粘结相粉末和5-20vol.％的表面镀钛处理的金刚石粉末；所述CuNiSn合金粘结相粉末由Cu、Ni、Sn三种元素构成，且Cu的原子分数占到粘接相原子分数的70％-90％。
2.根据权利要求1所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Sn的原子比为(70-90)：(5-20)：(5-20)。
3.根据权利要求2所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Sn的原子比为(70-85)：(10-20)：(5-10)。
4.根据权利要求2所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Sn的原子比为(75-83)：(12-17)：(5-8)。
5.根据权利要求2所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Ni与Sn的摩尔比大于2。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料，其特征在于：
CuNiSn合金粘结相粉末的粒径为15-100μm；
所述镀覆钛层的金刚石的粒径为50-250μm；金刚石表面镀钛层的厚度为40-100nm。
7.一种如权利要求1-5中任一所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)将按设计组分制备的CuNiSn合金粘结相粉末与镀钛金刚石粉末混匀，制成混合粉末，烘干；
(2)将混合粉末原料装填入石墨磨具中，在10-40MPa的压力下预压成型；
(3)进行压力烧结，烧结压力20-50MPa，以80-120℃/min、优选为100℃/min的升温速率从室温升到A℃，在A℃保温；所述A的取值为355-455；
(4)以B℃/min的升温速率从A℃升温至烧结温度，保温10-30min。制得CuNiSn合金-镀钛金刚石磨具复合材料；所述B的取值为45-55；所述烧结温度为600℃-800℃。
8.根据权利要求7所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为700℃-800℃。
9.根据权利要求8所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为735℃-765℃。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料的应用，其特征在于：所述的CuNiSn合金-镀钛金刚石复合材料可以用于制备金刚石磨削工具。
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