[发明专利]一种耐磨多主元合金-金刚石复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于复合材料的制备领域，具体涉及一种多主元合金‑金刚石复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料的原料包括80‑95vol.％的粘结相粉末和5‑20vol％的金刚石。所用粘接相粉末由Cu、Ni、Co、Cr按原子比(20‑40)：(20‑30)：(20‑30)：(10‑20)组成。其制备方法为：将粘接相粉末与金刚石粉末充分混合后采用放电等离子烧结工艺在800‑1000℃烧结得到产品。该材料具有良好的界面结合、金刚石稳定性，以及摩擦磨损性能。本发明设计和制备的多主元合金‑金刚石复合材料可以用于制备金刚石磨盘和金刚石砂轮等磨削类金刚石工具。

技术领域

本发明属于复合材料的制备领域，具体涉及一种多主元合金-金刚石复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前金刚石磨具（磨盘、砂轮等）的金属粘结相主要以铜基、钴基粘结相为主，或向其中添加一些低温金属或合金、微量非金属元素等，以提高粘结相基体强度并增强基体对金刚石颗粒的把持力。但传统的金属基粘结相易形成金属化合物、间隙相等有害产物，难以保证粘结相组织性能的稳定性，不能完全满足实际磨削加工的要求。越来越多的研究者开始设计并制备多主元合金作超硬材料的粘结相基体，并且已发现多主元合金作为粘结相能够显著提高超硬材料的性能。有研究者将CoCrNiCuMn、CoCrNiCuFe_0.5Mn、FeCoCrNiMo_0.2和Al_0.5FeCoCrNiCu等多主元合金与WC、Ti(C,N)等硬质相复合，发现多主元合金粘结相能明显改善复合材料的耐磨、切削性能。Zhang等发现FeCoCrNi基多主元合金/金刚石超硬材料的抗弯强度和硬度均比传统金属粘结相超硬材料高2-3倍。

此外，利用粉末冶金法制备金刚石超硬材料时，适当提高烧结温度可使得粘结相基体更加致密，粘结相与硬质相的界面结合也会更好，但高温能促进金刚石颗粒发生石墨化转变或脱碳反应，从而丧失硬质相的作用。Zhang Mingyang等研究了不同烧结温度对FeCoCrNiMo多主元合金基体-金刚石复合材料的界面结构和力学性能的影响，发现950℃烧结的复合材料表现出优异的力学性能（硬度为630 HV，横向断裂强度为1310 MPa），耐磨性也最佳，而在高于950℃的温度烧结后，金刚石作用的失效和脆性Cr的碳化物的形成会降低复合材料的性能。李建敏研究了不同烧结温度对CuFeZnAlTi合金-金刚石复合材料性能的影响，发现900℃烧结制备的复合材料表现出最优的力学性能，高于900℃后将出现金刚石过烧现象。

近几年，也有许多关于多主元合金-金刚石复合材料的专利，例如《高熵合金-金刚石复合材料及其制备方法》（专利申请号：CN201811116153.7），以铝、镍、铜、铁和铬为原料，采用放电等离子烧结方法，制备了力学性能优异的金刚石复合材料。该专利较为全面地比较了不同的合金元素含量、金刚石含量以及不同的烧结工艺对复合材料性能的影响。但该专利粘结相的制备方法——机械合金化法，有比较明显的缺点，一是机械合金化过程中易引入杂质，影响粘结相的组织和性能；二是机械合金化操作过程比较危险，尤其是含有锆粉、镁粉及铝粉等粉末时，存在着诸多安全隐患。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种多主元合金-金刚石复合材料；本发明的第二个目的是提供一种制备上述多主元合金-金刚石复合材料的方法。本申请金属基体选用CuNiCoCr多主元合金，选取放电等离子烧结（SPS）方法制备复合材料，提高了金刚石/粘结相基体界面结合强度，增强了金刚石的稳定性，优化了复合材料的摩擦磨损性能，进而提高所制备的多主元合金-金刚石复合材料的使用寿命。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明一种耐磨多主元合金-金刚石复合材料，所述耐磨多主元合金-金刚石复合材料的原料包括80-95 vol.%的CuNiCoCr多主元合金粘结相粉末和5-20 vol%的金刚石粉末。

优选地，本发明一种多主元合金-金刚石复合材料，包括：80-87.5vol.%的CuNiCoCr多主元合金粘结相粉末和12.5-20 vol%的金刚石粉末。