本发明涉及一种铁铝结合剂金刚石工具及其制备方法。
背景技术：
金属结合剂金刚石工具广泛应用于石材、建筑陶瓷、玻璃、混凝土、沥青路面的切割、钻孔、成型加工。目前金属结合剂金刚石工具主要是以铜基、钴基、铁基结合剂与金刚石磨料经过热压烧结方法得到。结合剂中的铜、钴、锡、锌、铅等重金属含量较高，一方面这些金属粉末原料价格较高，其次，这些重金属在制造和应用过程中会对环境造成一定的重金属污染，因此从节约成本和绿色环保的角度来考虑，目前急需研究开发低成本环境友好型金属结合剂金刚石工具及其制造方法。
目前国内外学者主要致力于制备高性能的无铜、钴、铅、锡、锌等元素的环境友好型结合剂金刚石工具，其中铁基结合剂就是一种环境友好型金刚石工具。铁元素资源丰富，成本低廉，消耗后在自然环境中氧化或分解都不会造成重金属污染，且经过适当的材料设计可以合成出力学性能优异的金刚石工具。
铁基结合剂虽然是一种理想的金属结合剂，但诸多因素限制了其在金属结合剂金刚石工具上的应用。一方面，在烧结过程中，金刚石易与铁反应而被侵蚀而降低强度，另一方面，铁容易氧化导致其烧结性能及力学性能不足。因此，目前铁基结合剂金刚石工具中需要添加合金元素以改善性能，其原材料成本不断提高，而重金属元素种类和数量也因此而增加。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铁铝结合剂金刚石工具及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种铁铝结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由60～90质量份fe-al混合粉，5～40质量份si-fe合金粉，0.5～3质量份si粉，0.5～1质量份b粉和0.5～3质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削工作层体积的5～25％。
fe-al混合粉为fe粉和al粉按质量比6.2:1组成，其中fe粉的粒径为5～50μm，al粉的粒径为5～50μm。
si-fe合金粉中si的质量含量为14～16％，si-fe合金粉的粒径为5～50μm。
si粉的粒径为1～15μm，b粉的粒径为1～15μm，tih2粉的粒径为1～10μm。
金刚石磨料的粒径为20～120目。
一种铁铝结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将fe粉和al粉在球磨机混合，得到fe-al混合粉；
2)将fe-al混合粉、si-fe合金粉、si粉、b粉、tih2粉和金刚石磨料在球磨机混合，得到金刚石工具制备材料；
3)将金刚石工具制备材料冷压成型，得到金刚石工具坯体；
4)将金刚石工具坯体进行烧结，得到上述的铁铝结合剂金刚石工具。
步骤1)或步骤2)中，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料比为(5～10)：1。
步骤3)中，金刚石工具坯体的压坯密度为50～70％理论密度，冷压压力为200～300mpa。
步骤4)中，烧结的方式为放电等离子烧结、热压烧结、气氛压力烧结中的其中一种。
步骤4)中，烧结温度为600～1100℃，烧结时间为3～30min，烧结压力为30～100mpa。
本发明的有益效果是：
本发明的金刚石工具在铁基结合剂中添加了铝基结合剂，形成了铁铝结合剂fe3al，具有优异的抗腐蚀和抗氧化性能，可以节约制造成本和提高反应效率，同时利用多种添加剂结合得到的结合剂体系能够改善金刚石工具的烧结性能和力学性能。
具体而言：
1)铁铝结合剂fe3al相对于纯cu(8.90g/cm3)，纯fe(7.86g/cm3)而言，fe3al(6.70g/cm3)的密度低，具有优异的抗腐蚀和抗氧化性能，fe3al反常屈服的特点使其具有良好的中温强度，能替代高温合金和耐热钢等材料。
2)本发明利用fe-al的自蔓延反应原位合成fe3al，自蔓延反应提供的高热焓降低了烧结温度，从而节约了制造成本，且该反应很迅速，可以提高效率。
3)本发明为改善体系的烧结性能和力学性能，在体系中又添加了几种不同的添加剂，si-fe合金粉末，si粉，b粉，tih2粉。si-fe中的si元素能降低熔融温度，进一步降低烧结温度，弥补铁基结合剂对高温敏感的缺陷。添加b与tih2，原位形成tib2可以对fe3al形成弥散强化，提高金刚石工具的强度；此外，b元素还能改善fe3al的脆性，提高硬度；ti元素则能改善结合性能，提高fe3al对金刚石磨料的把持力。
具体实施方式
一种铁铝结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由60～90质量份fe-al混合粉，5～40质量份si-fe合金粉，0.5～3质量份si粉，0.5～1质量份b粉和0.5～3质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削工作层体积的5～25％。
优选的，一种铁铝结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由76～88质量份fe-al混合粉，10～22质量份si-fe合金粉，0.5～2质量份si粉，0.5～1质量份b粉和0.5～1质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削工作层体积的15～25％。
进一步的，金刚石磨料占磨削工作层体积的18.75～25％。
优选的，fe-al混合粉为fe粉和al粉按质量比6.2:1组成，其中fe粉的粒径为5～50μm，al粉的粒径为5～50μm；进一步优选的，fe粉的粒径为10～40μm，al粉的粒径为10～40μm。
优选的，si-fe合金粉中si的质量含量为14～16％，si-fe合金粉的粒径为5～50μm；进一步优选的，si-fe合金粉的粒径为10～40μm。
优选的，si粉的粒径为1～15μm，b粉的粒径为1～15μm，tih2粉的粒径为1～10μm；进一步优选的，si粉的粒径为5～10μm，b粉的粒径为5～10μm，tih2粉的粒径为5～10μm。
优选的，金刚石磨料的粒径为20～120目；进一步优选的，金刚石磨料的粒径为30～60目。
一种铁铝结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将fe粉和al粉在球磨机混合，得到fe-al混合粉；
2)将fe-al混合粉、si-fe合金粉、si粉、b粉、tih2粉和金刚石磨料在球磨机混合，得到金刚石工具制备材料；
3)将金刚石工具制备材料冷压成型，得到金刚石工具坯体；
4)将金刚石工具坯体进行烧结，得到上述的铁铝结合剂金刚石工具。
优选的，步骤1)或步骤2)中，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料比为(5～10)：1。
进一步的，步骤1)或步骤2)中，磨球和物料的总体积不超过球磨罐体积的2/3。
优选的，步骤3)中，金刚石工具坯体的压坯密度为50～70％理论密度，冷压压力为200～300mpa。
进一步的，步骤3)所述的冷压成型在硬质合金冷压模具中进行。
优选的，步骤4)中，烧结的方式为放电等离子烧结、热压烧结、气氛压力烧结中的其中一种。
优选的，步骤4)中，烧结温度为600～1100℃，烧结时间为3～30min，烧结压力为30～100mpa；进一步优选的，步骤4)中，烧结温度为800～1000℃，烧结时间为8～12min，烧结压力为30～60mpa。
本发明所述的fe粉、al粉、si粉、b粉和tih2粉的纯度均大于99.9％。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
实施例1：
将质量份数比为6.2:1的fe粉与al粉在球磨机中混合均匀，球磨机的转速为200r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1，球磨制备成fe-al混合粉，其质量份数共为88份，其中fe粉的粒径为20μm，al粉的粒径为20μm；si-fe合金粉末的质量份数为10份，其粒径为20μm；si粉的质量份数为1份，其粒径为10μm；b粉的质量份数为0.5份，其粒径为5μm；tih2粉末的质量份数为0.5份，其粒径为10μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削工作层体积为25％，目数为50/60目。将上述比例的结合剂和磨料，放入球磨机充分混合，球磨机转速为150r/min，球磨时间为3h，球料比为5:1。将混合后的工具制备材料在硬质合金冷压模具中冷压成型，压力为200mpa，得到的工具坯体的压坯密度为50％理论密度。对工具坯体进行热压烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为10min，烧结压力为30mpa，工具坯体依靠热压炉提供的热能和压力发生反应，最终获得金刚石工具。
实施例2：
将质量份数比为6.2:1的fe粉与al粉在球磨机中混合均匀，球磨机的转速为200r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1，球磨制备成fe-al混合粉，其质量份数共为82份，其中fe粉的粒径为10μm，al粉的粒径为10μm；si-fe合金粉末的质量份数为14.5份，其粒径为10μm；si粉的质量份数为2份，其粒径为5μm；b粉的质量份数为0.5份，其粒径为10μm；tih2粉末的质量份数为1份，其粒径为5μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削工作层体积为18.75％，目数为40/50目。将上述比例的结合剂和磨料，放入球磨机充分混合，球磨机转速为200r/min，球磨时间为5h，球料比为10:1。将混合后的工具制备材料在硬质合金冷压模具中冷压成型，压力为250mpa，得到的工具坯体的压坯密度为60％理论密度。对工具坯体进行气氛压力烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为12min，烧结压力为50mpa，工具坯体依靠热压炉提供的热能和压力发生反应，最终获得金刚石工具。
实施例3：
将质量份数比为6.2:1的fe粉与al粉在球磨机中混合均匀，球磨机的转速为200r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1，球磨制备成fe-al混合粉，其质量份数共为76份，fe粉的粒径为40μm，al粉的粒径为40μm；si-fe合金粉末的质量份数为22份，其粒径为40μm；si粉的质量份数为0.5份，其粒径为10μm；b粉的质量份数为1份，其粒径为10μm；tih2粉末的质量份数为0.5份，其粒径为5μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削工作层体积为25％，目数为30/40目。将上述比例的结合剂和磨料，放入球磨机充分混合，球磨机转速为250r/min，球磨时间为4h，球料比为9:1。将混合后的工具制备材料在硬质合金冷压模具中冷压成型，压力为300mpa，得到的工具坯体的压坯密度为70％理论密度。对工具坯体进行热压烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为8min，烧结压力为60mpa，工具坯体依靠热压炉提供的热能和压力发生反应，最终获得金刚石工具。