CN110576176A - 一种高性能金刚石工具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金刚石工具制备领域，涉及一种金属结合剂金刚石工具的制备方法。所述的制备方法包括以下步骤：a、按质量百分比取69.2～89.8％的预合金粉、10～30％的金刚石颗粒，0.2～0.8％的一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维），混合均匀，加入临时粘结剂，密封放置12～24h；b、将步骤a制得的混合料用油压机初压成型。c、将步骤b制得的产物抽真空，采用冷等静压机进一步压制成型、干燥，制得工具毛坯；d、将步骤c制得工具毛坯，用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行烧结，制得本发明的金属结合剂金刚石工具。本方法具有强度高、硬度高、成分均一、烧结温度低、节约能源、操作简单等特点，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明提供了一种制备高性能金刚石工具的制备方法，属于金刚石工具制备技术领域。
背景技术
金属结合剂金刚石工具具有较高的强度、硬度和韧性，对金刚石磨粒的把持力相对于其他类型结合剂最好。金属结合剂以其优异的结合性能使金刚石颗粒得超高硬度得以充分发挥。金属结合剂的好坏取决于对金刚石的把持力，包括金属结合剂的强度和金属结合剂的硬度以及和金刚石的结合力。金属结合剂作为结合强度最高的结合剂，研究工作一直在进行，力求得到各项性能更佳的金属结合剂。
预合金粉作为近几年用途较广的金属粉末，深受研究者的青睐。预合金粉就是用一定的工艺流程使金属粉末提前预合金化，使得金属粉末成分更均匀，为金属结合剂金刚石制品提供更好的金属粉末原料。该合金粉是一种分散性较好的金属粉末，成分均一，元素分布均匀，从根本上改善了成分偏析，提高结合剂的硬度和强度，降低金属原子扩散所需的活化能，从而降低烧结温度，缩短烧结时间，节约能源，避免金刚石被烧伤，降低了生产成本。
传统的金属结合剂金刚石工具常用热压烧结，烧结温度高，能源消耗大，金刚石容易被烧伤，烧结时，液相外渗严重，成分易偏析。为了改善金属结合剂金刚石制品的能源消耗和偏析问题，研究者们纷纷寻找新的烧结方式。微波快速烧结和放电等离子烧结作为新型的烧结方式，与传统热压烧结相比，微波烧结采用发射微波方式加热，材料受热均匀，材料各个位置温度梯度较小，使材料内部和外部烧结状况差异减小，提高材料内部致密化程度，降低烧结温度，节约能源。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。
另外，碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。
碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。
因此，为了得到一种高性能金刚石烧结制品，获得具有更高强度和硬度及对金刚石的把持力更高的金属胎体，有必要探索一种以预合金粉作为结合剂、以微波烧结或放电等离子烧结作为烧结方式、以一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维）为增强材料的金刚石烧结制品的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制备性能优良的金属结合剂金刚石烧结制品的新方法。此方法制备的金属结合剂可以更好地满足高性能金刚石制品制造的要求，使制得的金刚石烧结制品更容易达到的高速、高效、高精度磨削的条件。该方法具有经济效益高、清洁节能和工艺简单等特点。
本发明的高性能金刚石烧结制品的制备方法包括以下几个步骤：
a、按质量百分比取69.2～89.8％的预合金粉（0.5～3μm）、10～30％的金刚石颗粒（100～240目），0.2～0.8％的一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维），混合均匀，加入临时粘结剂，密封放置12～24h；
b、将步骤a制得的混合料用油压机初压成型；
c、将步骤b制得的产物抽真空，采用冷等静压机进一步压制成型、干燥，制得工具毛坯；
d、将步骤c制得工具毛坯，用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行烧结，制得本发明的金属结合剂金刚石工具。
本发明所述混合是在行星式球磨机、滚动球磨机或三维混料机中任意一种设备中进行。
本发明所述预合金粉为雾化法制备的Cu基、Fe基或Ni基任意一种预合金粉。
本发明所述冷等静压压力为150～220MPa，保压时间为100～180S。
本发明所述干燥设备为鼓风干燥箱或真空干燥箱中任意一种设备。
本发明所述金刚石制品的烧结设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉。
本发明相比现有制备金属结合剂金刚石制品的方法，具有如下有益效果：
（1）烧成温度均匀。微波烧结法和放电等离子烧结法都具有内外同步加热的效果，相对传统热压烧结金属结合剂金刚石工具的方法，本制备方法可以快速地升温到反应温度，缩短反应时间，有效减少能源消耗。
（2）反应时间短，降低能源消耗。预合金粉具有较好的分散性和均匀性，从根本上避免结合剂的成分偏析，本制备方法可以降低金属原子发生冶金反应所需的激活能，降低反应温度，缩短反应时间，有效减少能源消耗。
（3）性能优异，应用前景广阔：反应生成的金属结合剂金刚石烧结制品，抗弯强度大、硬度高。另外，一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维）具有优异的力学性能，可以有效提高金刚石制品的强度及硬度。该法制得的金属结合剂金刚石制品烧结性能好，与磨粒间把持力大，制得的工具切削和磨削性能好，应用前景广阔。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述：
实施例1：
分别称取6.92g的Cu基预合金粉、3g金刚石颗粒、0.2g碳纳米管，用行星式球磨机混匀，制得混合料。然后将混合料中加入适量液体石蜡混匀，密封放置12h。将密封放置过的混合料用单柱液压机初压成型，制得初压金刚石压坯。然后，采用冷等静压机将制得的初压金刚石压坯进一步压制（压力为150MPa，保压时间为180S），制得致密生坯。经干燥后，将生坯放入微波炉中进行烧结，烧结温度为740℃，保温时间5min。将烧成的金刚石制品进行抗弯强度和硬度测试。结果显示：相对传统烧结方式，磨具的硬度和抗折强度分别提高12-15%和16-20%。
实施例2：
分别称取8.98g的Fe基预合金粉、1g金刚石颗粒、0.2g碳纤维，用滚动球磨机混匀，制得混合料。然后将混合料中加入适量液体石蜡混匀，密封放置24h。将密封放置过的混合料用单柱液压机初压成型，制得初压金刚石压坯。采用冷等静压机将制得的初压金刚石压坯进一步压制（压力为220MPa，保压时间为100S），制得致密生坯。经干燥后，将生坯放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为760℃，保温时间6min。将烧成的金刚石制品进行抗弯强度和硬度测试。结果显示：相对传统烧结方式，磨具的硬度和抗折强度分别提高13-17%和17-23%。
实施例3：
分别称取7.0g的Ni基预合金粉、2.2g金刚石颗粒、0.8g碳纳米管，用三维混料机混匀，制得混合料。然后将混合料中加入适量液体石蜡混匀，密封放置17h。将密封放置过的混合料用单柱液压机初压成型，制得初压金刚石压坯。采用冷等静压机将制得的初压金刚石压坯进一步压制（压力为160MPa，保压时间为110S），制得致密生坯。经干燥后，将生坯放入微波炉中进行烧结，烧结温度为780℃，保温时间8min。将烧成的金刚石制品进行抗弯强度和硬度测试。结果显示：相对传统烧结方式，磨具的硬度和抗折强度分别提高12-16%和16-20%。
实施例4：
分别称取8.0g的Cu基预合金粉、1.4g金刚石颗粒、0.6g碳纤维，用行星式球磨机球磨机混匀，制得混合料。然后将混合料中加入适量液体石蜡混匀，密封放置24h。将密封放置过的混合料用单柱液压机初压成型，制得初压金刚石压坯。采用冷等静压机将制得的初压金刚石压坯进一步压制（压力为200MPa，保压时间为150S），制得致密生坯。经干燥后，将生坯放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为770℃，保温时间9min。将烧成的金刚石制品进行抗弯强度和硬度测试。结果显示：相对传统烧结方式，磨具的硬度和抗折强度分别提高13-17%和18-23%。
Claims (6)
1.一种高性能金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
a、按质量百分比取69.2～89.8％的预合金粉（0.5～3μm）、10～30％的金刚石颗粒（100～240目），0.2～0.8％的一维碳纳米材料（碳纳米管或碳纤维），混合均匀，加入临时粘结剂，密封放置12～24h；
b、将步骤a制得的混合料用油压机初压成型；
c、将步骤b制得的产物抽真空，采用冷等静压机进一步压制成型、干燥，制得工具毛坯；
d、将步骤c制得工具毛坯，用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行烧结，制得本发明的金属结合剂金刚石工具。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合是在行星式球磨机、滚动球磨机或三维混料机中任意一种设备中进行。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述预合金粉为雾化法制备的Cu基、Fe基或Ni基任意一种预合金粉。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述冷等静压压力为150～220MPa，保压时间为100～180S。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述干燥设备为鼓风干燥箱或真空干燥箱中任意一种设备。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金刚石制品的烧结设备为微波烧结炉或放电等离子烧结炉。
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