一種高熵合金燒結金剛石節塊的製作方法

2023-05-29 07:32:41

本發明屬於超硬材料工具製作領域，尤其涉及燒結金剛石節塊的製造。

背景技術：

金剛石磨料具有硬度高、耐磨性好、導熱性好的優異性能，因此金剛石工具在加工硬脆材料方面具有壽命長、效率高的優點，工具的製作方法有電鍍法、燒結法、釺焊法等，其中電鍍金剛石砂輪在加工過程中磨粒易從工具表面脫落，造成加工效率和工具壽命的降低，採用釺焊方法製作的單層金剛石工具，能夠在金剛石與釺料之間形成化學冶金結合，因此具有磨粒結合強度高、磨料出露高、工具壽命長等優異特性，並且利於環境保護，有著廣泛的應用。但單層釺焊金剛石工具只有一層磨粒使其壽命受到了限制。如果在燒結工具通過添加適量的活性元素，與金剛石磨粒發生適量的界面反應，不僅提高磨粒的把持力，而且多層金剛石磨粒能夠有效提高工具的壽命。

高熵合金通常由五種以上的元素組元按照等原子比或接近於等原子比合金化後形成的合金，其混合熵高於合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相，具有良好的綜合力學性能。但通常的高熵合金是採用單質金屬粉，其熔點較高，而採用合金化的多種共晶合金，經球磨機械合金化後形成高熵合金，其中含有適量的cr元素適合於燒結金剛石，可作為結合劑用於製造金屬基燒結金剛石砂輪。

技術實現要素：

本發明的目的是進一步提高燒結工具中金剛石磨料的結合強度，不僅在金屬基中形成高熵合金，而且採用合金化的cu-sn、ni-cr-b-si、fe-cr-b-si等多種粉末進行混合，使得最後形成含有cu、fe、ni、cr、sn的高熵合金，具有強度、韌性高的優點，cr在cu中的溶解度極低，使含有一定的cr在燒結過程中促使cr向金剛石界面擴散，進一步促進cr與金剛石進行界面反應，實現化學冶金結合，提高磨粒的把持強度。由於高熵合金具有擴散速度慢，最後形成金剛石與高熵合金界面處為碳化物，金屬基中為含有一定化合物的高熵合金。為提高容屑空間，添加適量的nahco3，該化合物在燒結過程中由於加熱而發生分解，產生co2氣體，該氣體在砂輪內部無法逸出，最後形成氣孔，可容納磨削過程中產生的碎屑，從而提高磨削效率。

本發明提供了一種高熵合金燒結金剛石節塊的製作方法，包括以下步驟：

（1）將預合金粉cu-sn、ni-cr-b-si、fe-cr-b-si、nahco3按一定質量比30~35%：30~35%：30~35%：1~3%的質量比例混合後球磨為高熵合金粉末，每千克高熵合金粉末添加4~5ml含10%重量聚乙烯醇的水溶液；其中所述的各預合金粉的原始粉末粒度目數範圍分別為：cu-sn：220～180μm，ni-cr-b-si：200～150μm，fe-cr-b-si：300～250μm，nahco3：200～150μm。其中cu-sn合金中sn含量的質量百分比為40-50。其中ni-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為12-18，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為ni。其中fe-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為13-17，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為fe。採用鋼製球磨罐進行球磨混合，其中的磨球與金屬粉質量比為3∶1，密封后打開真空閥抽真空20~30分鐘，將球磨罐放入行星式球磨機，轉速為300~350r/min，倒向頻率30~45hz，進行球磨混料時間為30~40分鐘。

（2）然後將高熵合金粉末與金剛石磨料進行二次混合稱為成型料，二次混合按每立方釐米高熵合金粉末加入1.2~1.5克拉金剛石的標準加入，並於常溫下混合均勻，為成型料。

（3）再將成型料置於石墨模具進行烘乾，烘乾參數為在金屬烘乾爐中80~100℃進行烘乾3-8min。

（4）然後將烘乾後的成型料放入模具中進行預壓，預壓壓力為100~250mpa，稱為坯體；

（5）將坯體放入金屬模具中，再將模具放在燒結爐內，採用氬氣保護氣氛中進行加壓燒結，燒結後為節塊。加壓燒結的具體工藝為：在氬氣保護下加壓燒結爐中加壓60~220mpa，燒結溫度範圍為820-870℃，保溫2~8分鐘。

具體實施方式

實施例1

1.一種高熵合金燒結金剛石節塊的製作方法，包括下述工藝步驟：

（1）將預合金粉cu-sn、ni-cr-b-si、fe-cr-b-si、nahco3按一定質量比30%：32%：35%：3%的質量比例混合後球磨為高熵合金粉末，每千克高熵合金粉末添加4.5ml含10%重量聚乙烯醇的水溶液；其中所述的各預合金粉的原始粉末粒度目數範圍分別為：cu-sn：220～180μm，ni-cr-b-si：200～150μm，fe-cr-b-si：300～250μm，nahco3：200～150μm。其中cu-sn合金中sn含量的質量百分比為40。其中ni-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為12-18，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為ni。其中fe-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為13-17，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為fe。採用鋼製球磨罐進行球磨混合，其中的磨球與金屬粉質量比為3∶1，密封后打開真空閥抽真空20分鐘，將球磨罐放入行星式球磨機，轉速為300r/min，倒向頻率45hz，進行球磨混料時間為40分鐘。

（2）然後將高熵合金粉末與金剛石磨料進行二次混合稱為成型料，二次混合按每立方釐米高熵合金粉末加入1.2克拉金剛石的標準加入，並於常溫下混合均勻，為成型料。

（3）再將成型料置於石墨模具進行烘乾，烘乾參數為在金屬烘乾爐中100℃進行烘乾3min。

（4）然後將烘乾後的成型料放入模具中進行預壓，預壓壓力為125mpa，稱為坯體；

（5）將坯體放入金屬模具中，再將模具放在燒結爐內，採用氬氣保護氣氛中進行加壓燒結，燒結後為節塊。加壓燒結的具體工藝為：在氬氣保護下加壓燒結爐中加壓220mpa，燒結溫度範圍為820℃，保溫5分鐘。

實施例2

1.一種高熵合金燒結金剛石節塊的製作方法，包括下述工藝步驟：

（1）將預合金粉cu-sn、ni-cr-b-si、fe-cr-b-si、nahco3按一定質量比32%：35%：30%：3%的質量比例混合後球磨為高熵合金粉末，每千克高熵合金粉末添加5ml含10%重量聚乙烯醇的水溶液；其中所述的各預合金粉的原始粉末粒度目數範圍分別為：cu-sn：220～180μm，ni-cr-b-si：200～150μm，fe-cr-b-si：300～250μm，nahco3：200～150μm。其中cu-sn合金中sn含量的質量百分比為45。其中ni-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為12-18，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為ni。其中fe-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為13-17，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為fe。採用鋼製球磨罐進行球磨混合，其中的磨球與金屬粉質量比為3∶1，密封后打開真空閥抽真空30分鐘，將球磨罐放入行星式球磨機，轉速為328r/min，倒向頻率30hz，進行球磨混料時間為40分鐘。

（2）然後將高熵合金粉末與金剛石磨料進行二次混合稱為成型料，二次混合按每立方釐米高熵合金粉末加入1.3克拉金剛石的標準加入，並於常溫下混合均勻，為成型料。

（3）再將成型料置於石墨模具進行烘乾，烘乾參數為在金屬烘乾爐中80℃進行烘乾8min。

（4）然後將烘乾後的成型料放入模具中進行預壓，預壓壓力為250mpa，稱為坯體；

（5）將坯體放入金屬模具中，再將模具放在燒結爐內，採用氬氣保護氣氛中進行加壓燒結，燒結後為節塊。加壓燒結的具體工藝為：在氬氣保護下加壓燒結爐中加壓220mpa，燒結溫度範圍為870℃，保溫2分鐘。

實施例3

1.一種高熵合金燒結金剛石節塊的製作方法，包括下述工藝步驟：

（1）將預合金粉cu-sn、ni-cr-b-si、fe-cr-b-si、nahco3按一定質量比33%：33%：33%：1%的質量比例混合後球磨為高熵合金粉末，每千克高熵合金粉末添加4.5ml含10%重量聚乙烯醇的水溶液；其中所述的各預合金粉的原始粉末粒度目數範圍分別為：cu-sn：220～180μm，ni-cr-b-si：200～150μm，fe-cr-b-si：300～250μm，nahco3：200～150μm。其中cu-sn合金中sn含量的質量百分比為50。其中ni-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為12-18，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為ni。其中fe-cr-b-si中各種元素質量百分比為：cr為13-17，b為2.5-4.5，si為2.5-4.5，c為0.7-1，其餘為fe。採用鋼製球磨罐進行球磨混合，其中的磨球與金屬粉質量比為3∶1，密封后打開真空閥抽真空25分鐘，將球磨罐放入行星式球磨機，轉速為350r/min，倒向頻率35hz，進行球磨混料時間為35分鐘。

（2）然後將高熵合金粉末與金剛石磨料進行二次混合稱為成型料，二次混合按每立方釐米高熵合金粉末加入1.5克拉金剛石的標準加入，並於常溫下混合均勻，為成型料。

（3）再將成型料置於石墨模具進行烘乾，烘乾參數為在金屬烘乾爐中80℃進行烘乾6min。

（4）然後將烘乾後的成型料放入模具中進行預壓，預壓壓力為100mpa，稱為坯體；

（5）將坯體放入金屬模具中，再將模具放在燒結爐內，採用氬氣保護氣氛中進行加壓燒結，燒結後為節塊。加壓燒結的具體工藝為：在氬氣保護下加壓燒結爐中加壓150mpa，燒結溫度範圍為820℃，保溫7分鐘。