一种超硬磨具结合剂的处理方法技术

本发明专利技术公开一种超硬磨具结合剂的处理方法。其特征是：将一定成分混合的金属粉体置于高能球磨机罐中，在５～１５∶１球料比的条件下球磨一定时间，金属粉体变形、破碎、折叠和表面活化，使金属粉体内部缺陷密度激增，从而使金属粉体处于高能状态，在随后的固态的烧结过程中，由于金属粉体自身储能的释放，金属粉体在比正常温度低的情况下获得良好的烧结性能，特别是能够使通常烧结情况下不能形成合金化的金属之间形成一定量的互溶。本发明专利技术在制造金属结合剂超硬磨具时能够降低烧结温度，提高烧结质量。由于烧结温度的降低，避免和减少了较高温度对超硬磨粒的热损伤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属结合剂超硬磨具中结合剂的处理方法。
技术介绍
传统的金属结合剂超硬磨具是将根据计算的各种金属粉末和超硬磨料(如金刚石、立方氮化硼等)均匀混合，然后称量，装入模具中，进行压制、烧结，成为由金属结合剂结合的、含有一定比例超硬磨料的金属结合剂一超硬磨料复合体，即成为超硬磨具的工作部分。由于高温下金刚石、立方氮化硼等品质严重下降，因而，一般限制烧结温度在900℃以下，常用温度在750～850℃之间，保持时间也要尽量短。为了满足超硬磨料工作过程中其性能对结合剂的要求，结合剂一般由Cu、Co、Ni、Fe、W、WC等组成，但这些金属熔点较高，难以在900℃以下烧结，因而，一般还要加入Sn、Zn等低熔点的金属改善烧结性能。而低熔点金属的加入往往降低烧结后烧结体的力学性能，互溶的选择性也较强，如与Cu、Co、Ni等相溶性较好，而与廉价的Fe等相溶性则较差。其根本原因，是这一温度范围不能使组分中的金属粉末颗粒之间实现有效的合金化，因而不能形成良好的固相烧结。为此，专业技术人员进行了相关研究，通过预合金化的方法来改善这一问题。目前采用的预合金化有两类一是通过冶金熔炼—喷吹雾化制粉的方法，使每一颗粉末颗粒都具有相同的成分，制成合金粉末。这一方法的缺点在于喷吹过程使粉末颗粒呈球形，烧结活性较差；另一方法是采用化学共沉积，通过多种材料(一般2～3种)作为阳极电解，细微粉末按一定比例共同沉积，形成较为细致的混合，部分形成化学互溶，经过后期处理后，从而实现一定程度的合金化。缺点在于由于电解的问题，合金的成分受到限制，很难实现三元以上合金化，后期的处理很麻烦；上述两种方法除了各自的缺点外，共同的缺点是必须在专业生产金属粉末的厂家进行，对于超硬磨具制造厂家不能自行灵活配制组分。机械合金化(Mechanical Alloying，)作为制备新材料的一种新方法，可以用来制造非晶相和纳米相，可以打破相图的规限，制造多元素的过饱和固溶合金。技术人员已经用它成功地制备出非晶、纳米晶、金属间化合物、金属基复合材料、弥散强化材料、高温材料、磁性材料、过饱和固溶体等多种新型合金。这种合金化与传统的湿法冶金合金化不同，机械合金化过程就是将需要合金化的材料粉末按一定配比进行高能量密度的机械混合，在高能球磨机等设备中长时间运转，将机械能传递给粉末，同时粉末在球磨介质的多次大能量的冲击下，经过剪切、摩擦和压缩多种力的作用，形成反复的挤压、冷焊合及粉碎，在粉末界面间相互扩散或进行固态反应形成弥散分布的超细粒子合金粉末的过程，在这一过程中，通过大量的塑性变形、破碎、焊合将机械能转换为各种不平衡条件储存，如颗粒度细化的表面能，晶粒度细化的界面能，位错等缺陷大量增殖产生的位能，点阵常数变大原子偏离平衡点产生的位能；这一方法可使许多其它方法不能形成合金的元素之间形成固熔体，Cu-Fe合金是典型代表。Gilman和Benjamin把机械合金化的球磨过程分成以下四个阶段1.初期阶段 粉末粒子是原组分的层状复合物。复合粒子内，原来的组分是可辨认的，粒子与粒子之间成分差别很大，粒子内部成分很不均匀。2.中间阶段 粒子变成盘旋的层状，溶质元素开始溶解。由于吸收球的动能，粉末温度升高，严重的冷变形造成高密度晶格缺陷，加强了低激活能的管扩散(pipe difussion)，组分的紧密混合减小了扩散距离。这些都促进了在整个粒子范围内固溶体的形成。此时在粒子内沉淀可以发生，介稳相可以形成。质点变得更加弥散，分布逐渐变得均匀。3.最后阶段 层变得更细更盘旋状，各个粒子的粉末混合物的平均成分范围变窄。层间距离成为更小。粒子中仍含有某个组元浓度偏高的区域及残余的金属间化合物。平衡相的沉淀成为可能，粒子的显微硬度达到饱和值。MA过程的前期，硬度大致是随着MA的进行呈线性增加的，达到饱和之后，加工软化与进一步的加工硬化的平衡，硬度维持在一定的水平。4.完成阶段 粉末粒子具有严重地冷变形，层状结构在显微镜下已不易辨别；粉末质点的成分现在与原材料粉末混合物的平均成分一致。达到这个程度之后，进一步的球磨对弥散质点分布的改善已无实质性作用。任何无意引入系统的杂质，在球磨过程中也得到细化，均匀分布，不会形成大的夹杂。严重地冷变形的结构形成超显微细晶粒。通过以上关于机械合金化的过程描述和文献检索，认为机械合金化方法主要用于制备非晶、纳米晶、金属间化合物、金属基复合材料、弥散强化材料、高温材料、磁性材料、过饱和固溶体等多种新型合金，利用机械合金化过程中能量储存和表面活化制造金属结合剂超硬磨具还未见报导。本专利技术通过试验得到在进行一定时间(大约完成了上述中间阶段)后，粉体中的储能达到最高值，如图1所示。从图1可见，机械合金化进行30小时，Cu-Fe粉体在加热过程中能量释放达最大值，时间过长反而使能量储存降低，对固态烧结的有利作用降低。从图1中还可以看到，经不同时间机械合金化处理后，粉体的熔化温度未变，说明在粉体组元熔融前由于机械合金化作用形成的储能在加热过程中完全释放。这一释放过程在温度为500～800℃范围达到最高密度，这正是超硬磨具烧结的常用温度范围。能量释放过程使材料组织中的不平衡现象得以消除，促进了原子扩散，新鲜、活化的表面有利于发生固态界面之间的物质转移，从而达到良好烧结的目的。本专利技术有别于一般的机械合金化，机械合金化方法主要用于制备非晶、纳米晶、金属间化合物、金属基复合材料、弥散强化材料、高温材料、磁性材料、过饱和固溶体等多种新型合金，而本专利技术主要是利用机械合金化的方法，在机械合金化过程中使粉体颗粒达到较高储能，以此来加强金属结合剂超硬磨具中结合剂的固态烧结程度，降低烧结温度，是用于提高金属结合剂超硬磨具的结合剂的处理方法，通过机械合金化过程中一个阶段的处理，使处理后的结合剂粉体可在较低温度下易于烧结，并提高固态烧结质量；本专利技术的另一区别在于只利用机械合金化的方法达到处理的粉体较高储能和形成新鲜、活化的颗粒表面，而不在意是否完全合金化或是否达到机械合金化其它方面的效果。与其它在金属结合剂超硬磨具制造中采用的预合金化方法相比，机械合金化的设备比较一般，市场上可以买到，很适合超硬磨具制造厂购置使用。超硬磨具生产厂家能够更为灵活的根据要求配制粉体成分，而不需到专业厂家购买。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该处理方法采用机械合金化的方法，对金属结合剂磨具的结合剂的金属粉体进行机械合金化处理，达到较高储能程度即可，而不需要完全实现合金化，使结合剂金属粉体降低烧结温度、提高烧结质量。本专利技术利用机械合金化方法处理金属结合剂超硬磨具的结合剂金属粉体过程如下1.将称量的结合剂金属粉体与一定的钢球混合，球∶料＝5～15∶1，装入钢制球磨罐中。2.一般采用行星球磨机或自行设计的高能球磨机，本专利技术采用的是南京产型号为XM-4×05行星式球磨机，调整转数为200～400r/min，倒向频率10～50Hz。3.装入球磨罐的结合剂金属粉体中同时加入一定量的过程控制剂，过程控制剂为甲醇、乙醇、四氯化碳或甲醇。4.在机械合金化过程中，球磨罐内充入惰性气体，一般为氩气。机械合金化20～30小时后停机，取出机械合金化处理后的金属粉体，然后与金刚石、立方氮化硼等磨料混合，进行烧结。本专利技术的优点是提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超硬磨具结合剂的处理方法，其特征是：通过机械合金化的球磨过程使金属粉体达到过程中间的高能量储存状态，以此在结合剂烧结过程中降低烧结温度、提高烧结质量和合金化程度；该方法包括以下步骤：ａ．将按比例混合的金属粉体与质量为其５～１５倍 的金属磨球装入球磨罐中，加入过程控制剂，之后将球磨罐抽空并充入惰性气体后密封；ｂ．将装填完毕的球磨罐置于球磨机上，在转速２００～４００转／分钟的条件下转动１０～３０小时，停机取下球磨罐并密封放置１～５小时，以冷却复合金属粉体；然后开 启球磨罐，取出金属粉体并将其与钢质磨球分离；ｃ．将上述高能球磨处理的金属粉体按通常的超硬磨具制造方法进行压制和烧结，其烧结温度降低，或同等温度获得更好的烧结性能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王明智，赵玉成，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]