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

本发明专利技术涉及一种CuNiSn合金

【技术实现步骤摘要】
一种CuNiSn合金
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镀钛金刚石磨具复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金刚石复合材料的制备领域，具体涉及一种CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。比如专利技术专利CN114752809A和CN114734039A中的金刚石镀覆SiC
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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。
[0004]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
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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。
[0005]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
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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。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术在原有研究(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
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镀钛金刚石复合材料；本专利技术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
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镀钛金刚石复合材料的制备方法；本专利技术的第三个目的是提供一种上述CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料的应用。
[0007]本专利技术中，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
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镀钛金刚石复合材料的磨削效率和使用寿命。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0009]本专利技术一种CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料，所述CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料的原料包括80
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95vol.％的CuNiSn合金粘结相粉末和5
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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％
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90％。
[0010]优选地，本专利技术一种CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料，包括：80
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90vol.％的CuNiSn合金粘结相粉末和10
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20vol％、优选为11
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15vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。更进一步的优选为12
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13vol％的表面镀覆钛层的金刚石粉末。在本专利技术中，使用12
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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。
[0011]优选地，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Sn的原子比为(70
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90)：(5
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20)：(5
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20)。
[0012]优选地，所述CuNiSn合金粘结相粉末中，本专利技术将Cu、Ni、Sn的原子比优化为(70
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85)：(10
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20)：(5
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10)。
[0013]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。
[0014]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，本专利技术将Cu、Ni、Sn的原子比控制为(75
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83)：(12
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17)：(5
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8)。
[0015]优选地，CuNiSn合金粘结相粉末的粒径为15
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100μm。
[0016]优选地，所述镀覆钛层的金刚石的粒径为50
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250μm。金刚石表面镀钛层的厚度为40
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100nm。
[0017]本专利技术一种制备上述任一项所述的CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料的方法，包括以下步骤：
[0018](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；
[0019](2)将混合粉末原料装填入石墨磨具中，在10
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40MPa的压力下预压成型；
[0020](3)进行压力烧结，烧结压力20
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50MPa，以80
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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
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455；
[0021](4)以B℃/min的升温速率从A℃升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CuNiSn合金
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镀钛金刚石复合材料，其特征在于：新型CuNiSn合金
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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
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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％
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90％。2.根据权利要求1所述的CuNiSn合金
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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
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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
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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
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5中任一项所述的CuNiSn合金
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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
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘咏，高阳，张伟，刘彬，冯建伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：