金刚石磨具及其制备方法与流程

本发明属于金刚石磨具制作技术领域，尤其涉及一种金刚石磨具及其制备方法。

背景技术：

目前，对于高速磨削加工超硬材料，如硬质合金，钨合金或者硬度达到90hra以上的陶瓷等超硬材料，的技术报道甚少，对于金刚石磨具目前皆采用粉末冶金方式成型，其按结合剂可分三类，树脂结合剂金刚石磨具、金属结合剂金刚石磨具、陶瓷结合剂金刚石磨具。三种结合剂金刚石磨具各有优劣，树脂结合剂金刚石磨具，由于树脂的硬度不够高，以及不耐高温，高速磨削加工超硬陶瓷会造成树脂结合剂受热快速磨损，以及硬度不够难以磨削。陶瓷结合剂金刚石磨具，尽管陶瓷具备较高的硬度，适合磨削，但是陶瓷结合剂与金刚石之间的结合力往往不够，即把持力不够。同时陶瓷结合剂烧结过程中往往温度较高，通常高于800℃烧结，高者可达一千度以上，而金刚石在800℃以上易于氧化性能变差，这一矛盾极大限制了陶瓷结合剂金刚石磨具的发展。就金属结合剂金刚石磨具而言，主要面临的难题是提高金属与金刚石磨料之间的结合力(把持力)，对于把持力的提高主要理论选用对金刚石润湿性较高的金属材料，使其在烧结过程中，与金属界面结合良好，增强其界面结合力。其次是金属结合剂金刚石磨具在使用过程中，自锐性较差，影响磨削效率。

以提高金属结合剂金刚石磨具把持力而言，目前有研究集中于真空微蒸镀、电镀等工艺，使金属富集于金刚石磨具表面，然后再进行烧结成型。此工艺虽然对于提高金属结合剂金刚石磨具把持力有所裨益，但是其工艺过程繁琐，控制表面镀层均匀十分困难，能耗较高等，极大地限制了其产业化应用。

并且金刚石磨削超硬材料，由于磨削过程转速较高，会导致温度大幅度升高，因此需要使用冷却液进行冷却，一般金刚石磨具在温度高于500℃时，性能将会大幅度下降，甚至完全不能使用，目前对于金刚石磨具适用高温情况的报道较少，并且在少数情况下，超硬材料在服役过程中进行的磨削修整不便于冷却液的使用，所以高温条件下磨削超硬材料的金刚石磨具存在一定发展空间。磨削效率与磨削时电机转速直接相关，电机转速越高，磨削效率越高。目前磁悬浮电机在各个行业开始逐步应用，磁悬浮电机转速得到了较大的提高，极限转速可达4万转/分钟。因此对于磁悬浮电机应用于金刚石磨具，高温条件下使用的金刚石磨具将能满足其使用条件。

现有的金刚石磨具主要存在以下缺陷：

1、针对加工超硬材料时，如90hra以上的超硬陶瓷，因其把持力不够，易造成崩边、脱落、磨损过快的问题。

2、其硬度不够，磨削超硬材料，如90hra以上的超硬陶瓷，磨损过快。其由于结合剂本身硬度远低于金刚石，也比90hra硬度低很多，因此金刚石与一般的结合剂复合烧结成型后，其磨具硬度值往往不够，磨削90hra的超硬陶瓷时，磨损过快。

3、目前，金刚石磨具在高温条件下使用性能大幅度下降，如较高载荷作用下进行高速磨削时，虽然生产效率提高，但是对磨具的损耗较大。具体表现为金刚石磨具磨削时，发热较高，基体材料力学性能下降，软化加快，致使基体材料磨损过快。金刚石颗粒与基体材料之间结合力不足，脱落较快。

目前技术方案中成型金刚石磨具，普遍采用热压烧结，烧结温度较高(650℃～1100℃)，能耗大。为增强金刚石磨具把持力，常采用金刚石表面镀覆。金刚石表面镀覆是指利用物理或化学方法，借助一定的特殊工艺或设备，将一种金属或多种金属以金属膜层的形式沉积、铺展或包覆于金刚石磨料表面，来达到改变金刚石磨料表面的物理和化学性质以及形态方面目的。常应用于金刚石磨料表面镀覆方法主要有以下几种：湿镀法，真空物理气相沉积法，真空化学气相沉积法，真空微蒸发镀覆方法，粉末覆盖烧结法，盐浴法。通过金刚石表面镀覆增强把持力，使得金刚石磨具成型工艺繁琐，增大能耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金刚石磨具及其制备方法，旨在解决现有技术中的金刚石磨具的把持力低，磨损过快，不耐高温的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金刚石磨具的制备方法，包括以下步骤：

提供ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末、金属结合剂粉末；将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、所述mbd金刚石粉末和所述金属结合剂粉末均匀地混合在一起，得到金刚石磨具粉末；

将所述金刚石磨具粉末填充到成型模具中，再在一定压力下，通过超声振动成型，得到金刚石磨具。

可选地，在常温下进行所述超声振动成型操作。

可选地，将所述金刚石粉末填充到成型模具中后，将所述成型模具与所述金刚石粉末加热至200℃～550℃，保温一段时间后，再进行所述超声振动成型操作。

可选地，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末由以下方法制得：

提供制备ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的原料，将所述原料放入电弧熔炼炉内在氩气保护气氛下进行熔炼，得到ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金；

将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金机械破碎后放入铜辊甩带机内加热至熔融态，并利用旋转的铜辊将ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金熔液甩出冷却固化，得到ir-ni-ta-(b)高温非晶合金带；

将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金带剪碎后放入球磨机内研磨，研磨完成后再过筛，得到所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末。

可选地，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末为irxniytazbk粉末，其中，x的数值范围为20％～35％、y的数值范围为20％～40％、z的数值范围为35％～40％、k的数值范围为0％～5％，且满足以下关系式：x+y+z+k＝100。

可选地，所述金属结合剂粉末包括第一金属粉末、第二金属粉末和石墨粉末，所述第一金属粉末选自cu粉末、cusn粉末中的至少一种，所述第二金属粉末选自fe粉末、co粉末中的至少一种。

可选地，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、所述mbd金刚石粉末、所述第一金属粉末、所述第二金属粉末和所述石墨粉末的重量比为(30～60)：(15～45)：(10～30)：(3～7)：(3～7)。

可选地，所述第一金属粉末的粒度范围为10μ～30μ、所述第二金属粉末的粒度范围为10μ～30μ，和所述石墨粉末的粒度范围为5μ～20μ。可选地，所述mbd金刚石粉末的粒度范围为10μ～60μ，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的粒度范围为20μ～40μ。

本发明提供的金刚石磨具的制备方法中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末，在超声波的振动与压力作用下，粉末界面处瞬间会产生大量摩擦热，这种摩擦热使得界面温度瞬间升高，从而促进了粉末界面处原子流动与扩散，界面达到冶金结合，粉末之间结合更为紧密，从而增加了ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末之间的结合力，因此，可以大幅度地提高了金刚石磨具的把持力。

本发明采用的另一技术方案是：一种如上述方法制备得到的金刚石磨具。

本发明的金刚石磨具，在制作时，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末，在超声波的振动与压力作用下，粉末界面处瞬间会产生大量摩擦热，这种摩擦热使得界面温度瞬间升高，从而促进了粉末界面处原子流动与扩散，界面达到冶金结合，粉末之间结合更为紧密，从而增加了ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末之间的结合力，因此，可以大幅度地提高了金刚石磨具的把持力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的金刚石磨具的制备方法的简要流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供一种金刚石磨具的制备方法，包括以下步骤：

提供ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末、金属结合剂粉末；将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、所述mbd金刚石粉末和所述金属结合剂粉末均匀地混合在一起，得到金刚石磨具粉末；

将所述金刚石粉末填充到成型模具中，再通过超声振动成型，得到金刚石磨具。

具体地，本发明实施例的金刚石磨具的制备方法，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末，在超声波的振动与压力作用下，粉末界面处瞬间会产生大量摩擦热，这种摩擦热使得界面温度瞬间升高(具体的超声振动成型可以将粉末加热到300℃～450℃内)，从而促进了粉末界面处原子流动与扩散，界面达到冶金结合，粉末之间结合更为紧密，从而增加了ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末之间的结合力，因此，可以大幅度地提高了金刚石磨具的把持力。

本实施例中，在较大圧下力且高速磨削时，或着高温环境加工工件时，采用本发明实施例的金刚石磨具的制备方法所制得的金刚石磨具与常规晶态金属结合剂金刚石磨具相比，由于ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉的加入保证了金刚石磨具在800℃以下工作仍具有较高的把持力等性能，增强了金刚石磨具的使用寿命，这主要是由于在800℃以下，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金依然处于非晶状态，利用非晶状态的ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的高强度和高硬度实现的。

本实施例中，需要说明的是，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末是指包含ir-ni-ta-(b)高温非晶合金体系内一种或者多种粉末材料。

本实施例中，采用ir-ni-ta-(b)高温非晶合金制成的金刚石磨具与常规的采用zr基非晶合金粉末制成的金刚石磨具相比，这两者之间存在本质的区别，zr基非晶合金粉末制成的金刚石磨具在制作时，需要将zr基非晶合金晶化，利用晶化后的zr基非晶合金提高金刚石磨具的把持力，而发明实施例的采用ir-ni-ta-(b)高温非晶合金制成的金刚石磨具，制作时，利用超声波振动使得ir-ni-ta-(b)高温非晶合金处于非晶状态，利用非晶状态的ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的高强度和高硬度，去提高了金刚石磨具的把持力；并且，zr基非晶合金的使用温度比较低，一般在加工固结的时候就晶化了，此时，zr基非晶合金也不属于非晶材料，而ir-ni-ta-(b)高温非晶合金在加工固结后依然属于非晶材料。

本实施例中，超声振动成型中，可以选用功率较大的超声振动成型机，其功率为1kw～10kw，振动频率为20khz，振动成型时间为0.2s～10s，成型时压力为100n～1000n。

进一步地，需要说明的是，所用的模具可采用耐热钢、模具钢或者石墨制作而成，其中，石墨外部仍需用钢模紧固。

在本发明的另一个实施例中，如图1所示，提供的该金刚石磨具的制备方法的在常温下进行所述超声振动成型操作。具体地，与常规方法成型金刚石磨具，需要加热至650℃～1100℃，保温一段时间，甚至需要对金刚石表面进行镀覆工艺的相比，可以在室温下成型金刚石磨具，大大降低制作的能耗，同时，其成型时间极短，大大提高生产制备的效率，其成型过程简单。在常温下进行超声波振动操作，需要选择功率较大的超声振动成型机。

在本发明的另一个实施例中，如图1所示，提供的该金刚石磨具的制备方法的将所述金刚石粉末填充到成型模具中后，将所述成型模具加热至200℃～500℃，保温一段时间后，再进行所述超声振动成型操作。具体地，当超声波振动时，超声波所产生的能量以及成型磨具加热所吸收的热量，可以使的ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末达到过冷液相区，此时ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的粘度急剧下降，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的表面发生塑性流动，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉增强对金刚石表面的润湿，可以大幅度地提高ir-ni-ta-(b)高温非晶合金与mbd金刚石的粘结能力，使得ir-ni-ta-(b)高温非晶合金可以很好的与mbd金刚石结合，进一步地提高金刚石磨具的把持力。更具体地，成型模具的加热温度可以为200℃、300℃、400℃、500℃或者550℃，该温度与现有的加热稳定相比，其温度低，在与后续超声振动成型的操作相结合时，成型模具经过加热后，其后需超声振动成型的步骤中，可以选择功率较低的超声振动成型机，大大降低了能耗。

进一步地，需要说明的是，过冷液相区是一个温度区间，具体是指非晶合金其玻璃转变tg温度以上以及结晶温度之下的温度区间。

本实施例中，采用本发明实施例的金刚石磨具的制备方法制得的金刚石磨具，适用于硬质合金，钨合金或者硬度达到90hra以上的陶瓷等超硬材料的加工，当ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末经过超声波振动和成型磨具所吸收的热量加热过后，使得ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的温度会升高更快，升高至ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的过冷液相区内所需的时间短，再加上超声振动成型的时间很短，使得成型后的金刚石磨具便迅速冷却至室温，使得ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末来不及晶化，可以保留了ir-ni-ta-(b)高温非晶合金优异的力学性能，极高的强度、较好的韧性、优异的耐磨性能及耐腐蚀性能以及较高的硬度，从而大幅度地提高了金刚石磨具的使用寿命；其高强度、硬度等力学性能保证了金刚石磨具的基体耐磨性能，尤其是在高温下的优异力学性能，保证了金刚石磨具在高速且较大压下力作用时的使用寿命，保证了金刚石磨具耐受高温的能力，此外非晶合金具备较好的自锐性，作为金刚石磨具的基体其性能优异，适合磨削超硬材料。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具的制备方法的所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末由以下方法制得：

提供制备ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的原料，将所述原料放入电弧熔炼炉内进行熔炼，得到ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金；

将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金机械破碎后放入铜辊甩带机加热至熔融态，并利用旋转的铜辊将ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金熔液甩出快速冷却，得到ir-ni-ta-(b)高温非晶合金条带；

将所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金带带剪碎放入球磨机内研磨，研磨完成后在过筛，得到所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末。

具体地，首先，选取制备ir-ni-ta-(b)高温非晶合金的原料，原料由纯度大于99.9％的各组元金属ir、ni、ta和非金属b组成，按照特定的原子百分比计算称重后，放入电弧熔炼炉中熔炼均匀形成ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金。将上述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金母合金机械破碎后，然后置入铜辊甩带机中甩带，形成ir-ni-ta-(b)高温非晶合金条带，然后再将其剪成碎片后置入球磨机中进行球磨，制成ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末。该制粉方式简单，操作方便。当然在其他实施例中，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末也可以由其他制粉方式得到，比如：超声雾化制粉、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨等方法。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具的制备方法的所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末为irxniytazbk粉末，其中，x的数值范围为20％～35％、y的数值范围为20％～40％、z的数值范围为35％～40％、k的数值范围为0％～5％，且满足以下关系式：x+y+z+k＝100。具体地，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末可以为ir35ni20ta40b5粉末、ir35ni20ta40粉末、ir33ni28ta39粉末、ir30ni30ta40粉末、ir25ni35ta40粉末、ir25ni40ta35粉末或ir25ni40ta40粉末，上述的粉末均位于ir-ni-ta-(b)高温非晶合金体系内，而位于该范围内的ir-ni-ta-(b)高温非晶合金体系内的非晶合金具备高的玻璃转变温度，很大的过冷液相区，低的热膨胀系数，相对高的电阻，具有较高的高温硬度，很强的耐腐蚀性能，从而大大提高了金刚石磨具的把持力，强度和硬度。当然也可以根据实际需要选择位于ir-ni-ta-(b)高温非晶合金体系内的其他金属粉末。

更具体地，上述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金参数如下，ir35ni25ta40的玻璃转变温度tg为889℃，是目前已知最高的玻璃转变温度的非晶合金。b元素的加入会轻微降低玻璃转变温度，降低至874℃。ir35ni20ta40b5的过冷液相区为136℃。ir35ni25ta40的室温强度为5.1gpa，在767℃高温下仍能保持3.7gpa，纳米压痕测试的室温硬度为15gpa，杨氏模量e为263gpa，线性热膨胀系数低于557℃测得结果为8.6×10^-6k^-1，高于557℃时，测得为6.5×10^-6k^-1，高温抗氧化能力可耐800℃高温，在强酸、强碱、王水等腐蚀条件下，具有很高的抗腐蚀能力，根据实验结果，304不锈钢，zr基非晶合金，铁基非晶合金浸泡在王水中，1h内即发生腐蚀，然而完全玻璃态的ir-ni-ta高温非晶合金浸泡在王水中112天也未能发生腐蚀。

进一步地，需要说明的是，ir35ni20ta40b5粉末、ir35ni20ta40粉末、ir33ni28ta39粉末、ir30ni30ta40粉末、ir25ni35ta40粉末、ir25ni40ta35粉末或ir25ni40ta40粉末中的数字下标代表原子百分比。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具的制备方法的所述金属结合剂粉末包括第一金属粉末、第二金属粉末和石墨粉末，所述第一金属粉末选自cu粉末、cusn粉末中的至少一种，所述第二金属粉末选自fe粉末、co粉末中的至少一种。具体地，cu粉末或cusn粉末主要缓冲超声波振动的冲击力，使得金刚石磨具在超声波振动粘结过程受力均匀，便于热量传导，使粘结后的金刚石磨具性能均一，同时，cu粉末和cusn粉末在超声波振动时率先软化，从而稳定地将ir-ni-ta-(b)高温非晶合金与mbd金刚石粘结在一起，使得得到的金刚石磨具的把持力更好；具体地，该金刚石磨具在高温使用时，选用cu粉末；低温下使用时，选用cu-sn合金粉末；fe粉末和co粉末有利于增加金刚石磨具的把持力；石墨粉末有利于磨削过程中起到润滑和出屑作用。

本实施例中，需要说明的是，第一金属粉末可以指cu粉末、cusn粉末或者由cu粉末和cusn粉末混合而成的混合粉末。

本实施例中，需要说明的是，第二金属粉末可以指fe粉末、co粉末或者由fe粉末和co粉末混合而成的混合粉末。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具的制备方法的所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、所述mbd金刚石粉末、所述第一金属粉末、所述第二金属粉末和所述石墨粉末的重量比为(30～60)：(15～45)：(10～30)：(3～7)：(3～7)。具体地，采用上述的比例配置中，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末和金刚石粉末的质量占很高，实现高比例的金刚石含量，使得制得的金刚石磨具的强度、硬度都很高，有利于加工高硬度的工件，如陶瓷、硬质合金等工件，大幅提高金刚石磨具的使用寿命和使用效果。

优选地，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、所述mbd金刚石粉末、所述第一金属粉末、所述第二金属粉末和所述石墨粉末的重量比为40：30：20：5：5。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具的制备方法的所述第一金属粉末的粒度范围为10μ～30μ、所述第二金属粉末的粒度范围为10μ～30μ，和所述石墨粉末的粒度范围为5μ～20μ。具体地，第一金属粉末的粒度可以为10μ、20μ或者30μ，第二金属粉末的粒度为10μ、20μ或者30μ，石墨粉末的粒度为5μ、10μ、15μ或者20μ，第一金属粉末的粒度、第二金属粉末的粒度以及石墨粉末的粒度分别位于对应的粒度范围内，粉末的大小合适，使得各粉末之间的混合更为均匀，粘结成型后得到的金刚石磨具具有更高的硬度与更大的把持力，避免因粉末粒度太小而造成加工困难，加工成本高，也可以避免因粉末粒度太大，导致粉末之间空隙太大造成成型时界面结合较差，使金刚石磨具的把持力不够。

在本发明的另一个实施例中，提供的该金刚石磨具制备方法中所述mbd金刚石粉末的粒度范围为10μ～60μ，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的粒度范围为20μ～40μ。具体地，mbd金刚石粉末的粒度可以为10μ、20μ、30μ、40μ、50μ或者60μ，所述ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的粒度可以为20μ、30μ或者40μ，mbd金刚石粉末的粒度和ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末的粒度分别位于对应的粒度范围内，粉末的大小合适，使得各粉末之间的均匀更为混合，其粘结在成型得到的金刚石磨具具有更高的强度和硬度，避免因粉末粒度太小而造成加工困难，加工成本高，也可以避免因粉末粒度太大而造成粘结在一起后形成的金刚石磨具不具备较高的把持力。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种上述方法制备得到的金刚石磨具。

具体地，本发明实施例的金刚石磨具，在制作时，ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末，在超声波的振动与压力作用下，粉末界面处瞬间会产生大量摩擦热，这种摩擦热使得界面温度瞬间升高，从而促进了粉末界面处原子流动与扩散，界面达到冶金结合，粉末之间结合更为紧密，从而增加了ir-ni-ta-(b)高温非晶合金粉末、mbd金刚石粉末和金属结合剂粉末之间的结合力，因此，可以大幅度地提高了金刚石磨具的把持力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。