本发明涉及一种铁铝基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用于石材、陶瓷、混凝土、沥青路面加工以及地质钻探等领域，结合剂主要以co、cu、fe等金属基低熔点合金(sn、zn、pb等)复合而成的多组元体系。co和cu价格高使金刚石工具生产成本高，不适合在工业中使用。而fe价格低廉，资源丰富，经过适当的材料设计合成出的金刚石工具，具有磨耗量小，磨削比高，强度高，不易破损，良好的整形、修锐性，对金刚石和骨架润湿性好等优点，略带广谱性，适宜加工各种硬脆材料。铁与钴属于同族元素，性质比较相似，目前用铁代钴的研究较多。
在目前所使用的金属结合剂中，co基结合剂与金刚石结合最好，性能最高，但co价格高昂。fe基结合剂与co基结合剂相比，其性能与co基类似，价格低廉，虽然硬度较低但是耐磨性好。但铁基结合剂很容易氧化，而且在高温下，铁粉会对金刚石产生较严重的化学侵蚀，由于这两方面的原因影响结合剂本身的力学性能及其对金刚石的有效把持，导致加工过程中结合剂耐磨性差，金刚石容易脱落，缩短了金刚石工具的寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铁铝基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：
一种铁铝基结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由70～90质量份fe-al混合粉，10～30质量份cu-sn预合金粉，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，金刚石磨料占磨削层体积的5～25％。
fe-al混合粉为fe粉和al粉按质量比2:1组成的混合粉，其中fe粉的粒径为5～30μm，al粉的粒径为5～30μm。
cu-sn预合金粉中sn的质量含量为15～20％，cu-sn预合金粉的粒径为5～50μm。
si粉的粒径为1～15μm，b粉的粒径为1～15μm，tih2粉的粒径为1～15μm。
金刚石磨料的粒径为20～120目。
一种铁铝基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、cu-sn预合金粉、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，得到上述的铁铝基结合剂金刚石工具。
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：
本发明提出了一种基于原位合成的feal金属间化合物的结合剂体系，制备得到的金刚石工具具有耐高温、耐腐蚀、低比重的优点，同时也改善了金刚石工具的烧结致密化性能。
具体而言：
本发明在体系中添加了几种不同的添加剂，包括cu-sn预合金粉末，si粉，b粉和tih2粉末。cu-sn预合金粉末可以提高feal的致密度；si元素的引入既能降低烧结温度，改善其烧结性能，又能产生固溶强化的作用，增加金刚石工具的强度；b粉可以改善脆性，提高工具的硬度；tih2中的ti元素则可以改善结合强度，提高结合剂对金刚石的把持力。
具体实施方式
一种铁铝基结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由70～90质量份fe-al混合粉，10～30质量份cu-sn预合金粉，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，金刚石磨料占磨削层体积的5～25％。
优选的，一种铁铝基结合剂金刚石工具，包括结合剂和磨料；结合剂由72～88质量份fe-al混合粉，10～28质量份cu-sn预合金粉，0.5～1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，金刚石磨料占磨削层体积的10～25％。
进一步的，金刚石磨料占磨削层体积的18.75～25％。
优选的，fe-al混合粉为fe粉和al粉按质量比2:1组成的混合粉，其中fe粉的粒径为5～30μm，al粉的粒径为5～30μm；进一步优选的，fe粉的粒径为10～25μm，al粉的粒径为10～25μm。
优选的，cu-sn预合金粉中sn的质量含量为15～20％，cu-sn预合金粉的粒径为5～50μm；进一步优选的，cu-sn预合金粉的粒径为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1～15μm；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。
一种铁铝基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、cu-sn预合金粉、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，得到上述的铁铝基结合剂金刚石工具。
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800～900℃，烧结时间为8～12min，烧结压力为30～60mpa。
本发明所述的fe粉、al粉、cu-sn预合金粉、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：
fe粉与al粉按质量比2:1配比，经球磨机混料，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25μm，al粉的粒径为15μm；cu-sn预合金粉末的质量份数为10份，其粒径为40μm；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，使其占磨削层体积的25％，粒径为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300mpa，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：
fe粉与al粉按质量比2:1配比，经球磨机混料，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80份，其中fe粉的粒径为10μm，al粉的粒径为25μm；cu-sn预合金粉末的质量份数为18份，其粒径为30μm；si粉的质量份数为0.5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，使其占磨削层体积的18.75％，粒径为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70％理论密度。对工具坯体进行气氛压力烧结，烧结温度为850℃，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：
fe粉与al粉按质量比2:1配比，经球磨机混料，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72份，其中fe粉的粒径为20μm，al粉的粒径为10μm；cu-sn预合金粉末的质量份数为28份，其粒径为10μm；si粉的质量份数为1份，其粒径为10μm；b粉的质量份数为1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，使其占磨削层体积的25％，粒径为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200mpa，得到的工具坯体的压坯密度为60％理论密度；对工具坯体进行热压烧结，烧结温度为900℃，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。