[发明专利]一种金属结合剂金刚石工具及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属结合剂金刚石工具及其制备方法，由如下重量份数计的组分组成：70‑90份的金属结合剂、9‑20份的金刚石磨料和1‑10份的纳米增强材料，金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种或两种以上的混合物。本发明以价格低廉的Fe、Al元素为原材料，按一定的比例机械合金化，同时添加一种增强纳米材料，通过特殊的快速烧结工艺，使纳米增强材料作为增强相，均匀分散在结合剂中，强化结合剂的强度和硬度，降低结合剂的摩擦系数，减少结合剂在磨削过程中的磨损和磨削热。

技术领域

本发明涉及金刚石磨具技术领域，尤其涉及一种金属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因其结合强度强、成型性好以及使用寿命长等优点，已经广泛应用于各种硬脆的加工中，例如陶瓷、玻璃、混凝土、石材等的加工。金属结合剂金刚石工具主要由金刚石磨粒与结合剂组成，其中结合剂可以分为钴基、铜基和铁基等，然而为了改善金属结合剂的力学性能以及对金刚石的浸润状态，金属结合剂中常常会加入大量的合金元素，其中包含各类的重金属元素，例如Ni、Co、Cu、Zn、Sn、Pb、Cr等。这些合金元素虽然改善了金属结合剂的性能，但是随着加工过程中金刚石工具的损耗，这些元素会对环境造成一定程度的重金属污染，同时，近年来有色金属的价格持续攀升，使用这些元素必然也会增加金刚石工具的制备成本。此外，现有的合金结合剂的比重较高，使得金刚石工具的重量大，在加工过程中，设备噪音大、耗能较高。

具体地，为了满足金刚石工具在天然石材、陶瓷、混凝土的切割、磨削以及石油钻探、地质勘探与开采等领域上的应用，常见的金属结合剂普遍采用多元合金化或重金属来增强结合剂的力学性能和改善结合剂对金刚石的浸润状态。Co、Ni、Cu是金属结合剂中最常添加的合金元素，此外还常加入Cr、Zr等金属作为强碳化物形成元素，以改善结合剂对金刚石的浸润效果；Fe基结合剂也是通过多元合金化(Ni、Cu、Sn、Zn和Mn)来改善其韧性差、温度敏感等问题；碳化物(钨)基结合剂通常以WC、W₂C或W粉的形式使用，同时会掺杂适量的Cu、Sn、Zn、Co或Ni等重金属成分。一方面，这些元素可能会随着金刚石工具的损耗进入生态系统，对环境造成一定程度的重金属污染；另一方面，有色金属价格不断攀升，致使工具的制备成本升高；此外，已有的金属结合剂的比重都较高(8.0-10.2g/cm³),这也导致大尺寸工具重量高，机械加工中能耗高、噪音大，操作加工人员劳动强度大。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种金属结合剂金刚石工具。本发明以价格低廉的Fe、Al元素为原材料，按一定比例进行机械合金化，同时添加一种纳米增强材料，在烧结过程中，纳米增强材料作为增强相，均匀分散在结合剂中，强化结合剂的强度和硬度，降低结合剂的摩擦系数，减少结合剂在磨削过程中的磨损和磨削热。

本发明的目的之二在于提供一种金属结合剂金刚石工具的制备方法。基于本发明的成分配方设计，本发明使用一种快速烧结工艺来制备金刚石工具，通过该工艺可以对该配方的金刚石工具进行快速致密化烧结，其中，Fe和Al在该工艺下可以快速形成一种高强度的含有金属间化合物的合金，获得较高的强度和硬度，同时，在该工艺下，纳米增强材料可以部分与结合剂形成一种新的增强相，进一步强化结合剂，还可以降低摩擦系数，减少金刚石热损伤，降低烧结能耗。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种金属结合剂金刚石工具，由如下重量份数计的组分组成：70-90份的金属结合剂、9-20份的金刚石磨料和1-10份的纳米增强材料，所述金属结合剂以Fe粉和Al粉为原料，Fe粉和Al粉的质量比为7:1-1:1，所述纳米增强材料为纳米金刚石、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米碳管中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，所述金属结合剂、所述金刚石磨料和所述纳米增强材料之间的质量比为80:19:1-7:2:1。