一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法技术

本发明专利技术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。采用本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种软硬复合金属结合剂金刚石工具及其制备方法


[0001]本专利技术属于金刚石工具
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]本专利技术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：
[0010]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；
[0011]S2、对步骤S1所得的混合材料进行冷压成型，得到坯体；
[0012]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。
[0013]本专利技术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，使用本专利技术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。
[0014]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。
[0015]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％。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0019]本专利技术公开了一种软硬复合金属结合剂金刚石工具的制备方法，采用本专利技术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
[0020]图1为高熵合金与基体的反应示意图；
[0021]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)；
[0022]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；
[0023]图4为结合剂的微观形貌；
[0024]图5为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凤林，黄耀杰，胡夷，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：