基于稀土改性铁基结合剂的金刚石切削具及其制备方法与流程

1.本发明涉及切削工具技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于稀土改性铁基结合剂的金刚石切削具及其制备方法。


背景技术：

2.金刚石工具广泛应用于地质勘探、建筑修复施工、超硬材料加工等领域，常用金刚石工具胎体包括碳化钨基和钴基，碳化钨基胎体具有较高的力学性质，通过机械镶嵌包裹金刚石，但碳化钨的硬度较高导致自锐性欠佳；而钴基体具有优异的成型性和可烧结性，并对金刚石有良好的润湿性，金刚石和胎体的结合强度大，自锐性好，曾被认为是金刚工具领域最优异的一种胎体。但钴是一种重要的战略资源，价格较高，只能应用于高精度要求的金刚石工具领域中，无法满足大众市场需求。铁基结合由于低价、高强度以及较高自锐性的特点成为当今金刚石工具的主体。但铁对金刚石的润湿性差，主要依靠烧结过程中两者的热膨胀性差异对金刚石进行包镶。同时作为一种典型的金刚石石墨化转变催化剂，引起金刚石表面石墨化的加剧。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
4.本发明解决的主要技术问题在于提出一种基于稀土改性铁基结合剂的金刚石切削具及其制备方法，通过稀土镨的添加改变热压烧结过程中金属粉末之间的扩散运动提高胎体与金刚石之间的结合强度，并通过对金刚石表面进行改性，避免金刚石石墨化和降低金刚石强度损失，从而实现高性能铁基金刚石钻头的制造。
5.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于稀土改性铁基结合剂的金刚石切削具，由粒度为30～200目的人造金刚石与金属结合剂制作而成，所述金属结合剂由如下质量分数的原料组成：60％～95％的fe70cu30预合金粉末、5％～40％的ni50cr50预合金粉末、0.1～1.2％的纯镨粉。
6.优选的是，所述金属结合剂由如下质量分数的原料组成：69％～75％的fe70cu30预合金粉末、25％～31％的ni50cr50预合金粉末、0.8％的纯镨粉。
7.优选的是，所述人造金刚石与所述金属结合剂的体积比为1～10:20。
8.本发明提供一种基于稀土改性铁基结合剂金刚石切削具的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将人造金刚石和金属结合剂装入石墨模具后，进行热压烧结，保温，得金刚石切削单元；
10.s2、将金刚石切削单元通过热压烧结或焊接等方式固定到切削具钢体上，制成金刚石切削具。
11.优选的是，步骤s1的烧结温度为850～1200℃，烧结压强为12～40mpa。
12.优选的是，步骤s1中保温时间为2～10min。
13.本发明至少包括以下有益效果：
14.利用镨改变烧结过程金属粉末的扩散过程，形成多组分固溶强化提高胎体对金刚石的包镶强度，通过镨对金刚石表面进行改性降低了金刚石的热损伤，从而实现高性能铁基金刚石切削具的制造；
15.可以降低烧结过程中金刚石的热损伤，提高胎体对金刚石的包镶强度，增加了切削具的耐磨性，延长了金刚石切削具的工作寿命。
16.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
17.图1为本发明实施例2制备的稀土改性的金刚石切削单元胎体的原样扫描电镜图；
18.图2为图1对应的元素分布图；
19.图3为本发明实施例2制备的稀土改性的金刚石切削单元胎体的断面图。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
21.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
22.本发明基于稀土改性铁基结合剂的金刚石切削具胎体材料，由如下重量分数的原料组成：60％～95％的fe70cu30预合金粉末、5％～40％的ni50cr50预合金粉末、0.1～1.2％的纯镨粉。通过增强胎体材料的强度，提高胎体材料对金刚石的包镶强度和降低金刚石的热损伤，有效降低烧结过程对金刚石冲击强度的损伤，延长了金刚石的工作寿命。
23.本发明在胎体材料中添加的稀土元素pr，pr能够促进cu和cr形成固溶体，通过固溶强化提高胎体的抗弯强度。另外，pr的添加提高了金刚石的完整性，极大的保护了金刚石的冲击强度。说明在烧结过程中pr的添加降低了fe和cr对金刚石表面的化学侵蚀，对金刚石表面有着明显的保护作用。
24.<实施例1>
25.(1)按体积比为1:5将30～40目的人造金刚石与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末94.5％，ni50cr50预合金粉末5.0％、镨0.5％(质量分数)；
26.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为960℃，烧结压力为13mpa，保温3分钟，得金刚石切削单元；
27.(3)将金刚石切削单元通过钎焊的方式固定在锯片钢体上制成金刚石锯片。
28.实施例1得到的金刚石切削单元胎体对金刚石的把持力系数为0.538，金刚石抗冲击强度为0.889。
29.<实施例2>
30.(1)按体积比1:4将40～50目的人造金刚石与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末89.2％，ni50cr50预合金粉末10.0％、镨0.8％(质量分
数)；
31.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为1000℃，烧结压力为15mpa，保温5分钟，得金刚石切削单元；
32.(3)将金刚石切削单元通过焊接的方式固定在钻头钢体上制成金刚石钻头。
33.实施例2得到的切削齿胎体对金刚石的把持力系数为0.539，金刚石抗冲击强度为0.875。
34.如图1和图2，从切削单元胎体表面的能谱可以看出，pr能够促进cu和cr形成固溶体，通过固溶强化提高胎体的抗弯强度。如图3，从金刚石切削单元的断口可以看出，pr的添加提高了金刚石的完整性，极大的保护了金刚石的冲击强度。
35.<实施例3>
36.(1)按体积比3:10将50～60目的人造金刚石与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末84.0％，ni50cr50预合金粉末15.0％、镨1.0％(质量分数)；
37.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为1100℃，烧结压力为18mpa，保温6分钟，得金刚石切削单元；
38.(3)将金刚石切削单元直接热压烧结在钻头钢体上制成金刚石钻头。
39.实施例3得到的切削齿胎体对金刚石的把持力系数为0.577，金刚石抗冲击强度为0.867。
40.<实施例4>
41.(1)按体积比1:4将40～50目的人造金刚石粉末与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末78.8％，ni50cr50预合金粉末20％、镨1.2％(质量分数)；
42.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为1150℃，烧结压力为20mpa，保温5分钟，得金刚石切削单元；
43.(3)将金刚石切削单元直接热压烧结在钻头钢体上制成金刚石钻头。
44.实施例4得到的切削齿胎体对金刚石的把持力系数为0.580，金刚石抗冲击强度为0.855。
45.<实施例5>
46.(1)按体积比1:4将80～100目的人造金刚石粉末与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末74.2％，ni50cr50预合金粉末25.0％、镨0.8％(质量分数)；
47.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为900℃，烧结压力为30mpa，保温8分钟，得金刚石切削单元；
48.(3)将金刚石切削单元直接热压烧结在钢体上制成金刚石磨具。
49.实施例5得到的切削齿胎体对金刚石的把持力系数为0.642，金刚石抗冲击强度为0.870。
50.<实施例6>
51.(1)按体积比1:4将40～50目的人造金刚石粉末与金属结合剂混合得到混合粉末，该金属结合剂包括fe70cu30预合金粉末69.2％，ni50cr50预合金粉末30.0％、镨0.8％(质
量分数)；
52.(2)将混合粉末装入石墨模具后，进行热压烧结，烧结温度为1000℃，烧结压力为15mpa，保温5分钟，得金刚石切削单元；
53.(3)将金刚石切削单元直接热压烧结在钢体上制成切削齿。
54.实施例6得到的切削齿胎体对金刚石的把持力系数为0.676，金刚石抗冲击强度为0.906。
55.<对比例>
56.对比例的实施方案与实施例1～6相同，其中，不同的是，金属结合剂中不含pr，采用fe70cu30预合金粉末将金属结合剂成分补足至100％。
57.金属结合剂的种类和质量比如表1所示，对比例得到的6种切削单元胎体对金刚石的把持力系数和金刚石抗冲击强度如表1所示。
58.表1对比例的混合粉末比例和力学性能
[0059][0060]
通过实施例1～6和表1中的对比例的把持力系数和金刚石抗冲击强度可知，添加pr之后，把持力系数和金刚石的抗冲击强度均有所提高。表明pr能够促进cu和cr形成固溶体，通过固溶强化提高胎体的抗弯强度。另外，pr的添加提高了金刚石的完整性，极大的保护了金刚石的冲击强度。
[0061]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。