一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒及其制备方法
【专利说明】一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒及其制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于超硬材料制备技术领域，特别涉及一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒及其制备方法。
【背景技术】
[0003]超硬材料磨具材料，是指用超硬材料如金刚石、立方氮化硼或碳化硼作为磨料，用各种不同结合剂将其粘结具有一定几何形状的材料的总称。金刚石复合材料广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域，产品已形成系列化，品种规格比较齐全。但是由于超硬材料磨粒具有较大的惰性，不易与结合剂结合，与结合剂界面活性较差，主要为物理结合，因此当超硬材料磨具磨削工件时，超硬材料磨粒容易过早脱落，未充分发挥其磨削作用，从而降低磨料利用率和磨具的使用寿命。磨粒的无序与过早脱落限制了超硬材料磨具材料磨削加工技术的广泛应用。
[0004]为了提高金刚石与陶瓷结合剂的结合强度，目前常采用的方法是金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些强碳化物形成元素，如W、Cr、N1、Cr等过渡金属或合金，其主要目的是为了解决过早脱落的问题。其采用的制备技术主要为化学镀或电镀，但化学镀法存在镀层厚度有限、镀覆过程慢、镀液易分解和存在污染等缺点，而电镀法通常则用于化学镀的增厚等。这些镀覆技术均具有能耗高、易污染等缺点。
[0005]自蔓延高温烧结(SHS)技术作为一种新型合成技术，具有节省时间，设备简单，能源利用充分，生产效率高，可生产大规格的制品等优点。采用高温自蔓延技术制备金刚石超硬材料工具，能够在较短时间内升至高温，提高金刚石与结合剂的把持力。目前已有相关研究采用SHS技术制备了金刚石工具，比如节块、磨块或砂轮。但是到目前为止，还没有通过SHS技术在金刚石表面镀覆涂层的研究报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有制备金刚石镀覆层技术的缺陷，提出一种超硬材料磨粒/钛铝核壳结构复合颗粒及其制备方法。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，所述复合颗粒以超硬材料颗粒为内核，以钛铝相复合材料为包覆层；所述包覆层质量占复合颗粒质量的30-50%。
[0008]所述超硬材料颗粒的粒径为20?450 μ m,包覆层厚度为1-25 μ m。
[0009]所述超硬材料颗粒可以为金刚石、碳化硼或立方氮化硼颗粒等。
[0010]本发明还提供了一种所述超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，将钛粉、铝粉和石墨粉充分混合得到混合料A，再将混合料A与超硬材料颗粒充分混合得到混合料B，将混合料B压制后利用高温自蔓延燃烧制得超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒。
[0011]钛粉、铝粉、石墨粉三者的质量百分组成为:钛粉65-75%，铝粉10-20%、石墨粉8-15%。
[0012]原料超硬材料颗粒的粒径优选控制为20-400 μ m ;钛粉、铝粉、石墨粉的粒径优选控制为30-70 μ m。
[0013]优选采用球磨混合5-10h实现充分混合获得混合料A和混合料B。
[0014]将混合料B放到钢模具中，压强为100_200MPa，压成直径为20mm的圆片坯体。当然，并不仅限于钢模具以及20_的圆片坯体，其他可以实现相应功能的模具、坯体的形状和大小都是可行的。
[0015]利用高温自蔓延燃烧的条件如下:利用等离子体喷枪点燃压制后的混合料B，点燃温度约800-900°C，压力20-50Mpa，反应时间3?5s。制备后可获得较疏松的多孔块体，易于粉碎。
[0016]本发明采用高温自蔓延技术，在常压条件下，利用等离子体喷枪或激光焊接机在10秒内点燃试样，发生自蔓延反应，高温烧结合成钛铝核壳结构材料，使其在金刚石等超硬材料表面形成T1-Al-C结构。高温自蔓延反应使用的设备、工艺简单，反应迅速、时间短，生产效率高，能耗低，可以减少金刚石的热损伤，提高制品的耐用度和使用寿命。
[0017]制备的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒可以在金属或树脂基结合剂磨具材料中得到应用。采用相同的树脂粘结剂，本发明获得的砂轮要比表面没有处理的普通金刚石磨粒制备的砂轮工作效率得到很大的提高。其磨削效率提高了 25%。使用过程中，复合颗粒不易脱落，使用寿命提高了 33%以上。
[0018]本发明与现有技术相比具有以下优点:
本发明利用SHS技术合成一种新的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，具有节省时间，设备简单，能源利用充分，生产效率高，可生产大规格的制品，成本低等优势，具有巨大的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1获得的金刚石/钛铝核壳结构复合颗粒的SEM图；
图2为实施例1获得的金刚石/钛铝核壳结构复合颗粒的EDS图。
[0020]图3为使用实施例1获得的复合颗粒作为磨粒制备的磨具产品。
【具体实施方式】
[0021]以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此: 实施例1
采用钛粉、铝粉和石墨粉为原料，其原料配比按质量百分比计分别为71.1%、20%和8.9%,通过球磨5h充分混合均勻获得混合料A,再选用粒度为200 μ m的金刚石磨料与混合料A进行球磨5h，使这些粉料充分混合均匀获得混合料B，其中金刚石磨料按原料总的质量百分比50%的比例称取；将所得混合料B填充入钢模具中，在压片机上加压lOOMPa，得到相对密度约70%的直径为20_的圆形坯体(下同)，最后通过等离子体喷枪点燃坯体，使其发生自蔓延高温合成反应，点燃温度800°C，反应时间5秒钟，最后得到疏松多孔块体，简单粉碎后筛选得到复合颗粒。
[0022]获得的复合颗粒内核粒径约220 μ m，包覆层厚度约10 μ m。
[0023]图3为使用本实施例复合颗粒作磨粒制备的金刚石树脂砂轮的外观。实验表明，采用相同的树脂粘结剂，本砂轮要比表面没有处理的普通金刚石磨粒制备的砂轮工作效率得到了很大的提高。制备砂轮规格:300*15*20，浓度为100%的树脂结合剂砂轮。磨削聚晶金刚石复合片材料，采用普通金刚石磨粒制备的砂轮，使用寿命为295件/每片砂轮，采用本文复合颗粒制备的砂轮使用寿命为390件/每片砂轮；因此，本砂轮比未自蔓延工艺处理的金刚石树脂砂轮，在使用过程中，复合颗粒不易脱落，使用寿命提高了 33%以上。
[0024]实施例2
采用钛粉、铝粉和石墨粉为原料，其原料配比按质量百分比计分别为73.8%、13.8%和12.4%，通过球磨6h使这些粉料充分混合均匀得混合料A，再选用粒度为400 μ m的立方氮化硼磨料与混合料A球磨5h，使这些粉料充分混合均匀得混合料B，其中立方氮化硼磨料按质量百分比50%的比例称取；将所得混合料B填充入钢模具中，在压片机上加压lOOMPa，得到相对密度约65%的坯体，最后通过等离子体喷枪点燃坯体，使其发生自蔓延高温合成反应，点燃温度850°C，反应时间4秒钟，最后得到疏松多孔块体，简单粉碎后筛选得到复合颗粒。
[0025]获得的复合颗粒内核粒径450 μ m，包覆层厚度为25 μ m。
[0026]实施例3
采用钛粉、铝粉和石墨粉为原料，其原料配比按质量百分比计分别为65%、20%和15%，通过球磨5h使这些粉料充分混合均匀得混合料A，再选用粒度为100 μ m的碳化硼磨料与混合料A通过球磨5h，使这些粉料充分混合均匀得混合料B，其中碳化硼磨料按质量百分比50%的比例称取；将所得混合料B填充入钢模具中，在压片机上加压lOOMPa，得到相对密度约75%的坯体，最后通过等离子体喷枪点燃坯体，使其发生自蔓延高温合成反应，点燃温度800°C，反应时间3.5秒钟，最后得到疏松多孔块体，简单粉碎后筛选得到复合颗粒。
[0027]获得的复合颗粒内核粒径130 μ m，包覆层厚度为15 μπι。
【主权项】
1.一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，其特征在于，所述复合颗粒以超硬材料颗粒为内核，以钛铝相复合材料为包覆层；所述包覆层质量占复合颗粒质量的30-50%。
2.如权利要求1所述的一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，其特征在于，所述超硬材料颗粒的粒径为20?450 μ m,包覆层厚度为1-25 μ m。
3.如权利要求1或2所述的一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，其特征在于，所述超硬材料颗粒为金刚石、碳化硼或立方氮化硼颗粒。
4.权利要求1所述超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，将钛粉、铝粉和石墨粉充分混合得到混合料A，再将混合料A与超硬材料颗粒充分混合得到混合料B，将混合料B压制后利用高温自蔓延燃烧制得超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒。
5.如权利要求4所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，钛粉、铝粉、石墨粉三者的质量百分组成为:钛粉65-75%，铝粉10-20%、石墨粉8-15%。
6.如权利要求5所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，利用高温自蔓延燃烧的条件如下:利用等离子体喷枪或激光焊接机点燃压制后的混合料B，点燃温度约800-900°C，压力20-50Mpa，反应时间3_5s。
7.如权利要求6所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，采用球磨混合5-10h实现充分混合获得混合料A和混合料B。
8.如权利要求6所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，原料超硬材料颗粒的粒径为20-400 μ m，钛粉、铝粉、石墨粉的粒径优选控制为30-70 μ mD
9.如权利要求8所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，所述超硬材料颗粒为金刚石、立方氮化硼或碳化硼。
10.如权利要求6所述的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒的制备方法，其特征在于，将混合料B放到钢模具中，压强为100-200MPa，压成直径为20mm的圆片坯体。
【专利摘要】本发明属于超硬材料制备技术领域，特别涉及一种超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒及其制备方法。所述复合颗粒以超硬材料颗粒为内核，以钛铝复合材料为包覆层；所述包覆层质量占复合颗粒质量的30-50%。本发明利用SHS技术合成一种新的超硬材料颗粒/钛铝核壳结构复合颗粒，具有节省时间，设备简单，能源利用充分，生产效率高，可生产大规格的制品，成本低等优势，具有巨大的经济效益和社会效益。
【IPC分类】C09K3-14, B24D18-00
【公开号】CN104531069
【申请号】CN201410816419
【发明人】梁宝岩, 张旺玺
【申请人】中原工学院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月25日