本发明涉及一种铁镍铝基结合剂金刚石工具及其制备方法。
背景技术：
金刚石工具广泛用于混凝土，复杂岩层，陶瓷和沥青路面等结构或材料加工以及现场切断和钻孔等领域。在制造过程中使用的金属结合剂主要以铜基、钴基、铁基、镍基、钨基和铝基结合剂为主。其中，钴、铜等有色金属成本较高，金刚石磨料在早期磨削过程易脱落问题。近年来对以铁代钴研究较多，以铁基为基础加入镍铝化合物混合作为结合剂体系的金刚石工具，经过适当的材料结构设计合成，对金刚石具有良好的亲和性，高温蠕变强度高，金刚石把持力高和胚体形状保持好等优点。能在一定程度上对硬脆材料进行干式加工。
虽然金属结合剂金刚石磨具的结合强度高、成型性好、使用寿命长，适用于脆硬材料的加工。相比较而言，青铜结合剂自锐性差，容易堵塞发热、修整困难；钴的价格较高使金刚石磨具的生产成本高；铁与钴属于同族元素，性质比较相似，价格低廉，但含铁量大于40％时，铁基结合剂对烧结温度很敏感，极易因欠烧及过度侵蚀金刚石而导致磨具的硬度下降。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铁镍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：
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括金属结合剂、烧结助剂和磨料；金属结合剂由35～45质量份fe3al粉和35～45质量份ni3al粉组成；烧结助剂由5～20质量份cu-sn预合金粉，0.5～2质量份si粉，0.5～2质量份b粉和0.5～2质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削层的体积分数为5～25％。
fe3al粉的粒径为5～50μm，ni3al粉的粒径为5～50μm，cu-sn预合金粉的粒径为5～75μm，si粉的粒径为1～15μm，b粉的粒径为1～15μm，tih2粉的粒径为1～15μm。
cu-sn预合金粉中sn的质量分数为15～20％。
金刚石磨料的粒径为12～120目。
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将金属结合剂、烧结助剂和磨料按上述的组成称量，在球磨机混合，得到金刚石工具制备材料；
2)将金刚石工具制备材料冷压成型，得到金刚石工具坯体；
3)将金刚石工具坯体进行烧结，得到金刚石工具。
步骤1)中，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料比为(5～15)：1。
步骤2)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3)中，烧结的方式为热压烧结或气氛压力烧结。
步骤3)中，烧结温度为600～1200℃，烧结时间为10～40min，烧结压力为30～100mpa。
本发明的有益效果是：
本发明将fe3al和ni3al充分混合后作为干式加工金刚石工具的结合剂可以充分利用其高温蠕变强度，中温强度，获得磨削中抵抗微尺度高温蠕变的性能，与基体能够更好地结合，以改变传统金属结合剂的低蠕变强度特征。本发明的金刚石工具同时添加了多种不同的烧结助剂，可以提高体系的烧结性能和改善其微观结构。
具体而言：
1)金属间化合物fe3al具有反常屈服强度因而有着优异的中温强度，并且价格低廉，而金属间化合物ni3al金属间化合物具有良好的宽温域反常屈服特性以及干式高温有氧环境适应性，因此将fe3al和ni3al充分混合后作为干式加工金刚石工具的结合剂可以充分利用其高温蠕变强度，中温强度，获得磨削中抵抗微尺度高温蠕变的性能，与基体能够更好地结合，以改变传统金属结合剂的低蠕变强度特征。
2)本发明添加了几种不同的助剂，目的是为了提高体系的烧结性能和改善其微观结构。加入的cu-sn能够细化组织，提高磨具的致密性；加入的b粉可以净化晶界，细化烧结组织，改善结合剂的韧性；加入的si粉能提高烧结性能，减少对金刚石颗粒的热损伤；添加的tih2可以提高烧结强度，增加结合剂对金刚石的把持力并提高fe-al、ni-al化合物的烧结性能。
具体实施方式
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括金属结合剂、烧结助剂和磨料；金属结合剂由35～45质量份fe3al粉和35～45质量份ni3al粉组成；烧结助剂由5～20质量份cu-sn预合金粉，0.5～2质量份si粉，0.5～2质量份b粉和0.5～2质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削层的体积分数为5～25％。
优选的，一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括金属结合剂、烧结助剂和磨料；金属结合剂由40～43质量份fe3al粉和40～43质量份ni3al粉组成；烧结助剂由11～17质量份cu-sn预合金粉，1～2质量份si粉，0.5～1质量份b粉和1～1.5质量份tih2粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削层的体积分数为15～25％。
进一步的，金刚石磨料占磨削层的体积分数为18.75～25％。
优选的，fe3al粉的粒径为5～50μm，ni3al粉的粒径为5～50μm，cu-sn预合金粉的粒径为5～75μm，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，fe3al粉的粒径为8～15μm，ni3al粉的粒径为10～20μm，cu-sn预合金粉的粒径为8～20μm，si粉的粒径为3～10μm，b粉的粒径为2～5μm，tih2粉的粒径为3～10μm。
优选的，cu-sn预合金粉中sn的质量分数为15～20％。
优选的，金刚石磨料的粒径为12～120目；进一步优选的，金刚石磨料的粒径为30～60目。
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将金属结合剂、烧结助剂和磨料按上述的组成称量，在球磨机混合，得到金刚石工具制备材料；
2)将金刚石工具制备材料冷压成型，得到金刚石工具坯体；
3)将金刚石工具坯体进行烧结，得到金刚石工具。
优选的，步骤1)中，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料比为(5～15)：1；进一步优选的，步骤1)中，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～4.5h，球料比为(6～12)：1。
进一步的，步骤1)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2)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；进一步优选的，步骤2)中，冷压压力为220～280mpa。
进一步的，步骤2)所述的冷压成型在硬质合金冷压模具中进行。
优选的，步骤3)中，烧结的方式为热压烧结或气氛压力烧结。
优选的，步骤3)中，烧结温度为600～1200℃，烧结时间为10～40min，烧结压力为30～100mpa；进一步优选的，步骤3)中，烧结温度为800～1050℃，烧结时间为20～35min，烧结压力为30～50mpa。
本发明所述的fe3al粉、ni3al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：
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括如下步骤：
fe3al的质量份数为40份，ni3al的质量份数为40份，fe3al粉的粒径为8μm，ni3al粉的粒径为10μm。cu-sn预合金粉末的质量份数为17份，其粒径为15μm；si粉的质量份数为1份，其粒径为3μm；b粉的质量份数为0.5份，其粒径为2μm；tih2粉末的质量份数为1.5份，其粒径为3μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削层的体积分数为25％，其粒径大小为50/60目。将上述比例的金属结合剂、烧结助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3h，球料比为6:1。将混合后的磨具制备材料放入硬质合金冷压模具进行冷压成型，压力为220mpa，得到的磨具坯体的压坯密度为50％理论密度；对磨具坯体进行热压烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为35min，烧结压力为30mpa，磨具坯体依靠热压炉提供的热能和一定压力发生以及烧结反应放释放的高热焓产生反应，最终获得金刚石工具。
实施例2：
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括如下步骤：
fe3al的质量份数为42份，ni3al的质量份数为42份，fe3al粉的粒径为15μm，ni3al粉的粒径为20μm。cu-sn预合金粉末的质量份数为12份，其粒径为20μm；si粉的质量份数为2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1份，其粒径为10μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削层的体积分数为18.75％，其粒径大小为40/50目。将上述比例的金属结合剂、烧结助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4h，球料比为8:1。将混合后的磨具制备材料放入硬质合金冷压模具进行冷压成型，压力为250mpa，得到的磨具坯体的压坯密度为58％理论密度；对磨具坯体进行热压烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为30min，烧结压力为50mpa，磨具坯体依靠热压炉提供的热能和一定压力发生以及烧结反应放释放的高热焓产生反应，最终获得金刚石工具。
实施例3：
一种铁镍铝基结合剂金刚石工具，包括如下步骤：
fe3al的质量份数为43份，ni3al的质量份数为43份，fe3al粉的粒径为10μm，ni3al粉的粒径为15μm。cu-sn预合金粉末的质量份数为11份，其粒径为8μm。si粉的质量份数为1份，其粒径为5μm；b粉的质量份数为0.5份，其粒径为4μm；tih2粉末的质量份数为1.5份，其粒径为5μm。再加入金刚石磨料，使其占磨削层的体积分数为25％，其粒径大小为30/40目。将上述比例的金属结合剂、烧结助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4.5h，球料比为12:1。将混合后的磨具制备材料放入硬质合金冷压模具进行冷压成型，压力为280mpa，得到的磨具坯体的压坯密度为68％理论密度；对磨具坯体进行热压烧结，烧结温度为1050℃，烧结时间为20min，烧结压力为40mpa，磨具坯体依靠热压炉提供的热能和一定压力发生以及烧结反应放释放的高热焓产生反应，最终获得金刚石工具。
本发明以fe基为基础，率先利用fe3al良好的中温力学性能与ni3al优异的高温蠕变强度反应制成金刚石磨具，同时在这过程添加了cu-sn预合金粉末提高磨具致密性，加入的si粉能够提高结合剂力学性能，，减轻对金刚石的热损伤，加入的b粉改善组织，细化晶粒，加入的tih2粉助剂改善金刚石的结合强度和热损伤。
相比较结合剂主要以co、cu、mn等金刚石工具而言，本发明铁镍铝基结合剂金刚石工具有着以下优点：
a、fe对金刚石有良好的亲和性和润湿性，利用fe基作为结合剂，不仅提高金刚石工具的结合强度，避免磨具在磨削过程中因变形造成的磨粒脱落，并且fe元素资源丰富，价格低廉；
b、将fe3al、ni3al混合后反应，能够充分利用fe-al化合物良好的中温强度以及ni-al化合物高温蠕变强度，改变传统金属结合剂磨具低蠕变强度的特征；
c、加入的多种助剂，如tih2可以形成固溶强化，提高烧结强度，加入的b、si粉融入fe-al化合物中，一方面细化烧结组织，改善结合剂的韧性，另一方面降低fe-al金属间化合物熔点，提高了结合剂的烧结性能。