一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具及其制备方法与流程

1.本发明涉及金刚石工具技术领域，尤其涉及一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具及其制备方法。


背景技术：

2.金属基金刚石工具具有高硬度、低的线膨胀系数、良好的耐磨性，是石油勘探、矿山开采、石材切割以及机械加工等行业最重要的高效加工工具。金刚石工具的加工效率和使用寿命主要取决于基体材料特性，要求胎体材料具有良好的包镶能力、出刃能力等，所以对金刚石工具胎体的研究显得尤为重要。金属co对金刚石颗粒的包镶能力强，自锐效应好，早期被认为是金刚石工具胎体的理想材料，但是由于co作为战略物质，价格高，对人体有害等因素，相关产品逐渐往低co或无co的趋势发展。其中铁基预合金粉代替co是一个重要的方向，fe基金刚石工具生产成本低廉，切削性能优良，然而fe粉在制备和烧结过程中容易氧化，活性降低，对金刚石颗粒的润湿性差，影响产品质量和使用寿命，所以经常加入cu、ni、sn、co等其他活性元素，以提高金刚石的保留能力。
3.稀土元素被称作金属工业的“维生素”，已经应用到越来越多的材料中，将稀土添加到金刚石工具胎体中，可以改善和强化金刚石胎体材料的力学性能。稀土增加了金属粉末的活性，加快烧结过程，使金属基体组织结构更细化，提高合金烧结后的致密度，增强金刚石颗粒与胎体合金之间的黏结强度，经稀土合金化的刀头具有较高的硬度和耐磨性。然而，稀土元素十分活泼，金属粉末极易在配料混料压制等过程中发生部分氧化，操作难度大，且纯稀土元素对金刚石工具的力学性能和锋利度提升效果一般，导致铁基-稀土金刚石工具的加工效率并不能够满足工业发展对于铁基金刚石工具性能的要求。
4.因此，提供一种力学性能好、锋利度高的铁基金刚石工具，成为本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具及其制备方法，本发明提供的高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度高，抗弯强度好。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具，包括胎体材料和金刚石颗粒；按质量百分比计，所述胎体材料包括0.25～1.5％的稀土氧化物和余量的铁基合金；制备所述铁基合金的原料包括cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金；
8.所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为18～30％。
9.优选地，所述金刚石颗粒的品级为40/45。
10.优选地，所述稀土氧化物包括氧化钇、氧化铈和氧化镧中的至少一种。
11.优选地，以胎体材料的质量百分比为100％计，制备所述铁基合金的原料包括20～30％的cusn15合金，55～68％的fecu30合金和8～20％的fecu40ni12sn7co10合金。
12.优选地，所述稀土氧化物的粒径为亚微米级。
13.本发明提供了上述技术方案所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
14.(1)将稀土氧化物、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；
15.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具。
16.优选地，所述步骤(1)中球磨使用的磨球为氧化锆磨球，球磨的球料比为3～7：1。
17.优选地，所述步骤(1)中球磨的转速为200～600r/min，球磨的时间为10～16h，球磨的气氛为惰性气氛。
18.优选地，所述步骤(2)中压制成型的压力为15～30mpa。
19.优选地，所述步骤(2)中压力烧结的温度为760～860℃，压力烧结的时间为30～120s，压力烧结的压力为15～22mpa。
20.本发明提供了一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具，包括胎体材料和金刚石颗粒；按质量百分比计，所述胎体材料包括0.25～1.5％的稀土氧化物和余量的铁基合金；制备所述铁基合金的原料包括cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金；所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为18～30％。本发明采用cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金作为胎体材料中铁基合金的原料，合金中的ni、co等元素能够进入fe的晶胞中，形成固溶体相，起到固溶强化作用，提高胎体材料的强度；在铁基胎体中掺杂稀土氧化物可以改善合金凝固时的温度梯度和凝固速率，提高液态金属的流动性，降低其表面张力，同时稀土元素作为表面活性元素和球状元素，有限制晶粒长大的作用，可以使金属基体组织结构更细化，改善合金的结晶度，并进一步提高胎体材料的致密性，提高稀土-铁基金刚石工具的力学性能和锋利度；通过掺杂稀土氧化物的方式引入稀土元素，稀土氧化物分布在晶内和晶界处，使胎体材料的空隙球化、圆化明显，对胎体材料能起到弥散强化作用，既解决了稀土元素操作难度大且对金刚石工具锋利度提升效果差的问题，同时能够简化工艺。实施例的结果显示，本发明提供的高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度最高提升了69.63％，抗弯强度提升19.12％，具有更优的力学性能，提高了金刚石工具切削效率。
具体实施方式
21.本发明提供了一种高锋利度稀土-铁基金刚石工具，包括胎体材料和金刚石颗粒；按质量百分比计，所述胎体材料包括0.25～1.5％的稀土氧化物和余量的铁基合金；制备所述铁基合金的原料包括cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金；
22.所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为18～30％。
23.本发明提供的高锋利度稀土-铁基金刚石工具包括胎体材料。
24.在本发明中，按质量百分比计，所述胎体材料包括0.25～1.5％的稀土氧化物，优选为0.5～1.25％，更优选为0.75～1.0％。本发明通过在铁基胎体中掺杂稀土氧化物，可以改善合金凝固时的温度梯度和凝固速率，提高液态金属的流动性，降低其表面张力，同时稀土元素作为表面活性元素和球状元素，有限制晶粒长大的作用，可以细化组织，改善合金的
结晶度使衍射峰增强，提高合金烧结后的致密度，增强金刚石颗粒与胎体合金之间的黏结强度，提高高锋利度稀土-铁基金刚石工具的力学性能和锋利度；通过控制稀土氧化物的用量，既能够保证稀土元素对胎体的性能起到很好的提升作用，同时可以避免稀土元素含量过多造成生产成本的增加。
25.在本发明中，所述稀土氧化物优选包括氧化钇、氧化铈和氧化镧中的至少一种，更优选为氧化钇或氧化铈，进一步优选为氧化钇。
26.在本发明中，所述稀土氧化物的粒径优选为亚微米级，更优选为0.2～2.0μm，进一步优选为0.5～1.5μm；所述稀土氧化物d
50
的粒径优选为4.0～10.0μm，更优选为5.0～8.0μm。本发明通过将稀土氧化物的粒径控制在上述范围内，能够进一步提高稀土氧化物与铁基合金的相容性，从而进一步提高金刚石工具的力学性能。
27.在本发明中，按质量百分比计，所述胎体材料包括余量的铁基合金。在本发明中，制备所述铁基合金的原料包括cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金。本发明通过采用不同类型的铁基合金进行复配制备胎体材料，能够使胎体材料具有很好的力学性能，从而提高对金刚石颗粒的包镶能力。
28.在本发明中，以胎体材料的质量百分比为100％计，制备所述铁基合金的原料优选包括20～30％的cusn15合金，55～68％的fecu30合金和8～20％的fecu40ni12sn7co10合金，更优选为23.94～26.87％的cusn15合金，55.86～62.68％的fecu30合金和9.92～19.95％的fecu40ni12sn7co10合金，进一步优选为25～26.80％的cusn15合金，60～62.53％的fecu30合金和9.95～15％的fecu40ni12sn7co10合金。本发明通过控制不同合金的用量，能够进一步提高刀具的力学性能和自锐性能，从而提高其切削性。
29.在本发明中，所述cusn15合金，fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金的粒度独立地优选≥300目。本发明通过控制合金的粒径，能够提高铁基合金中各个合金的分散性，从而使铁基合金的成分分布均匀。
30.本发明提供的高锋利度稀土-铁基金刚石工具还包括金刚石颗粒。在本发明中，所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为18～30％，优选为20～28％，进一步优选为22～25％。在本发明中，所述金刚石颗粒的品级优选为40/45。本发明将金刚石的品级和用量控制在上述范围内，可以进一步提高胎体材料的锋利度。
31.本发明提供的高锋利度稀土-铁基金刚石工具具有高致密性、优异的力学性能和更高的锋利度，可以提高金刚石工具的切削效率。
32.本发明提供了上述技术方案所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
33.(1)将稀土氧化物、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；
34.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具。
35.本发明将稀土氧化物、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末。
36.在本发明中，所述球磨使用的磨球优选为氧化锆磨球；所述球磨的球料比优选为3～7：1，更优选为4～6：1，进一步优选为5：1；所述球磨的转速优选为200～600r/min，更优选
为300～500r/min，进一步优选为400r/min；所述球磨的时间优选为10～16h，更优选为12～14h；所述球磨的气氛优选为惰性气氛，更优选为氩气。本发明通过球磨可以使各组分混合均匀。
37.得到混合粉末后，本发明将所述混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具。
38.在本发明中，所述压制成型的压力优选为15～30mpa，更优选为20～25mpa。本发明通过压制成型，可以形成具有一定强度的坯体，从而便于后续进行烧结。
39.在本发明中，所述压力烧结的温度优选为760～860℃，更优选为780～850℃，进一步优选为800～820℃；所述压力烧结的时间优选为30～120s，更优选为60～90s；所述压力烧结的压力优选为15～22mpa，更优选为17～20mpa。本发明通过将压力烧结的参数控制在上述范围内，使稀土氧化物颗粒发生位移和重排，利用其塑性流动填充部分胎体材料孔洞和缺陷，可以进一步提高金刚石工具的致密性，从而使其具有更好的力学性能。
40.本发明的制备方法简单，通过将球磨后的粉末进行压制成型和压力烧结，即可得到力学性能优异且锋利度高的金刚石工具，便于工业推广。
41.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例1
43.高锋利度稀土-铁基金刚石工具，由胎体材料和金刚石颗粒组成；按质量百分比计，所述胎体材料的组成为0.5％的稀土氧化物和余量的铁基合金；所述稀土氧化物为氧化钇；以胎体材料的质量百分比为100％计，制备所述铁基合金的原料为26.87％的cusn15合金，62.68％fecu30合金和9.95％fecu40ni12sn7co10合金；所述氧化钇的粒径为0.2～2.0μm，d
50
为4.0～10.0μm；所述cusn15合金、fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金的粒度为300目；所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为20％；所述金刚石颗粒的品级为40/45；
44.所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具的制备方法，由以下步骤组成：
45.(1)将氧化钇、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；所述球磨使用的磨球为氧化锆磨球；所述球磨的球料比为3：1；所述球磨的转速为500r/min；所述球磨的时间为12h；所述球磨的气氛为氩气；
46.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具；所述压制成型的压力为20mpa；所述压力烧结的温度为780℃；所述压力烧结的时间为60s；所述压力烧结的压力为17mpa。
47.对实施例1制备得到的高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行检测：将高锋利度稀土-铁基金刚石工具置于摩檫磨损试验机上，与绿碳化硅砂轮对磨，同时施加1kg的压力，50s后砂轮损失22.9g，工件损失0.22g。
48.对高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行抗弯强度检测，测得抗弯强度为899.76mpa。
49.实施例2
50.高锋利度稀土-铁基金刚石工具，由胎体材料和金刚石颗粒组成；按质量百分比计，所述胎体材料的组成为0.75％的稀土氧化物和余量的铁基合金；所述稀土氧化物为氧化钇；以胎体材料的质量百分比为100％计，制备所述铁基合金的原料为26.80％的cusn15合金，62.53％fecu30合金和9.92％fecu40ni12sn7co10合金；所述氧化钇的粒径为0.2～2.0μm，d
50
为4.0～10.0μm；所述cusn15合金、fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金的粒度为300目；所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为20％；所述金刚石颗粒的品级为40/45；
51.所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具的制备方法，由以下步骤组成：
52.(1)将氧化钇、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；所述球磨使用的磨球为氧化锆磨球；所述球磨的球料比为3：1；所述球磨的转速为500r/min；所述球磨的时间为12h；所述球磨的气氛为氩气；
53.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具；所述压制成型的压力为20mpa；所述压力烧结的温度为800℃；所述压力烧结的时间为60s；所述压力烧结的压力为15mpa。
54.对实施例2制备得到的高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行检测：将高锋利度稀土-铁基金刚石工具置于摩檫磨损试验机上，与绿碳化硅砂轮对磨，同时施加1kg的压力，50s后砂轮损失21.9g，工件损失0.27g。
55.对高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行抗弯强度检测，测得抗弯强度为830.75mpa。
56.实施例3
57.高锋利度稀土-铁基金刚石工具，由胎体材料和金刚石颗粒组成；按质量百分比计，所述胎体材料的组成为0.25％的稀土氧化物和余量的铁基合金；所述稀土氧化物为氧化铈；以胎体材料的质量百分比为100％计，制备所述铁基合金的原料为23.94％的cusn15合金，55.86％fecu30合金和19.95％fecu40ni12sn7co10合金；所述氧化铈的粒径为0.2～2.0μm，d
50
为4.0～10.0μm；所述cusn15合金、fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金的粒度为300目；所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为20％；所述金刚石颗粒的品级为40/45；
58.所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具的制备方法，由以下步骤组成：
59.(1)将氧化铈、cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；所述球磨使用的磨球为氧化锆磨球；所述球磨的球料比为3：1；所述球磨的转速为500r/min；所述球磨的时间为12h；所述球磨的气氛为氩气；
60.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到高锋利度稀土-铁基金刚石工具；所述压制成型的压力为20mpa；所述压力烧结的温度为780℃；所述压力烧结的时间为60s；所述压力烧结的压力为17mpa。
61.对实施例3制备得到的高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行检测：将高锋利度稀土-铁基金刚石工具置于摩檫磨损试验机上，与绿碳化硅砂轮对磨，同时施加1kg的压力，50s后砂轮损失18.7g，工件损失0.17g。
62.对高锋利度稀土-铁基金刚石工具的锋利度进行抗弯强度检测，测得抗弯强度为790.63mpa。
63.对比例1
64.一种金刚石工具，由胎体材料和金刚石颗粒组成；按质量百分比计，制备所述胎体材料的原料为27.00％的cusn15合金，63.00％fecu30合金和10.00％fecu40ni12sn7co10合金；所述cusn15合金、fecu30合金和fecu40ni12sn7co10合金的粒度为300目；所述高锋利度稀土-铁基金刚石工具中金刚石颗粒的体积含量为20％；所述金刚石颗粒的品级为40/45；
65.所述金刚石工具的制备方法，由以下步骤组成：
66.(1)将cusn15合金、fecu30合金、fecu40ni12sn7co10合金和金刚石颗粒混合后球磨，得到混合粉末；所述球磨的磨球为氧化锆磨球；所述球磨的球料比为3：1；所述球磨使用的转速为500r/min；所述球磨的时间为12h；所述球磨的气氛为氩气；
67.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末依次进行压制成型和压力烧结，得到金刚石工具；所述压制成型的压力为20mpa；所述压力烧结的温度为780℃；所述压力烧结的时间为60s；所述压力烧结的压力为17mpa。
68.对对比例1制备得到的金刚石工具的锋利度进行检测：将金刚石工具置于摩檫磨损试验机上，与绿碳化硅砂轮对磨，同时施加1kg的压力，50s后砂轮损失13.5g，工件损失0.11g。
69.对金刚石工具的锋利度进行抗弯强度检测，测得抗弯强度为755.35mpa。
70.由实施例1～3和对比例1的对比可以看出，本发明制备的高锋利度稀土-铁基金刚石工具在相同时间内能够对砂轮造成更多的磨损，说明本发明制备的高锋利度稀土-铁基金刚石工具具有更高的锋利度；同时高锋利度稀土-铁基金刚石工具的抗弯强度得到了明显的提升。
71.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。