CN111270120B - 一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法，其特征在于采用粉末冶金法中的复压复烧工艺，先将铜粉、铁粉、锌粉、人造金刚石颗粒按比例称取，将除铁粉以外的其他原料进行混粉，然后将铜基复合粉体和铁粉置于石墨模具中进行压坯，初压压力为200MPa，再将成型后的坯料放入管式炉，炉内温度升至500℃时保温2h，之后再将压坯在750MPa的压力下进行复压，最后将温度升至740℃～780℃保温2h进行二次烧结，最终得到金刚石颗粒增强复合刀具材料。该材料具有优异的导热性、耐磨性，而且强度高、韧性好，生产成本较低，推广应用将具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法
技术领域
本发明属于颗粒增强金属基复合材料技术领域，具体涉及一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法。
背景技术
在切削刀具领域，传统的刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金等材料。其中，工具钢的耐热性较差，通常只用于手工刀具和一些简单的切削速度较低的刀具，如手动丝锥、锉刀、锯条等。与工具钢相比，高速钢的耐热性好、硬度高，许用切削速度是碳素工具钢的1～3倍，使用寿命较工具钢提高了10～40倍之多；耐磨性、强度、韧性均较好，抗弯强度是一般硬质合金的3～5倍，冲击韧性是硬质合金的6～10倍；与硬质合金相比，高速钢的可加工性好、综合力学性能优异，在复杂刀具的制造中占重要地位。硬质合金较高速钢而言，其硬度、耐磨性、耐热性更好，许用切削速度是高速钢的6倍，使用寿命比高速钢高几倍甚至几十倍；但硬质合金的成本高、可加工性能差，承受切削振动和冲击的能力也较差，在常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8～1/30，主要用于加工包括淬硬钢在内的高硬度材料。
新型的刀具材料有陶瓷材料、金刚石、立方氮化硼和涂层刀具等。刀具常用的陶瓷有纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷两种，其化学稳定性好，抗粘结能力强，但强度低、脆性大，容易崩刃，故陶瓷刀具一般用于高硬度材料的精加工。人造金刚石的硬度很高，仅次于天然金刚石，耐磨性也极好，与金属的摩擦系数很小，但与铁族金属亲和作用大，因此多用于对有色金属及非金属材料的超精加工。立方氮化硼的硬度高、耐热性好、化学稳定性好、可磨削性能也较好，但其焊接性能较差，抗弯强度略低于硬质合金，作为刀具材料常用于加工高温合金、淬火钢和冷硬铸铁等难加工材料。涂层刀具是在高速钢和硬质合金的基体上，通过一系列方法涂上一层难熔金属化合物，故涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，使用寿命较硬质合金刀具提高了1～3倍，较高速钢刀具提高了1.5～10倍。
现阶段，在对石料进行切削加工时普遍存在一系列问题，如工人素质较低、工作环境差、加工工况复杂等。在切割石料过程中，刀具的转速高、吃刀深度大，工人整体的加工手段较为直接、粗疏，很少考虑到刀具的磨损、发热以及失效，从而导致切削刀具的发热量极大、损耗很高，同时在切割石料过程中会产生大量粒径不均的石料颗粒，从而对切削刀具产生二次损害，不仅大幅缩短刀具的使用寿命，且间接提高了产品的加工成本。现有的刀具材料(传统刀具材料和新型刀具材料)在切割石料的复杂工况下并不实用，不能满足石料切割的条件，因此，研究一种成本低廉、热导率高、耐磨性能优异、韧性高的新型复合刀具材料势在必行。
人造金刚石具有硬度高、耐磨性好、导热性能优异、热膨胀系数低等诸多优异特性，其性能与天然金刚石相近，且随着人造金刚石技术的不断发展，人造金刚石已逐渐趋于产业化。铜具有优异的延展性、良好的导热性，可回收重复使用且不损害其性能。金属铁的抗弯强度较高，耐磨损性能良好，且Cu-铁粉系合金的综合性能好，结合强度高。故提出以人造金刚石为主要切削刃，铜合金作为基体材料，金属铁为缓冲层材料，从而制备一种切割石料用金刚石颗粒增强刀具材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法以人造金刚石为增强体，金属铁为过渡层从而制备出一种综合性能优异的金刚石颗粒增强复合刀具材料，主要应用于切割石料用的刀具材料领域。该材料具有耐磨性好、冲击韧性优异、抗弯强度高、导热率高等特点，且生产成本低，加工难度小，可大批量生产。
本发明所采用的技术方案是，一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤1：称取铜粉、锌粉、铁粉以及人造金刚石颗粒，以上材料质量百分比为：锌粉:18％～22％、铁粉:36％～38％、人造金刚石颗粒:8％～12％，余量为铜及不可避免杂质；
步骤2：将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入球磨罐，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间6h、球磨速度为300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s；混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理；
步骤3：将铜基复合粉体及铁粉置于石墨模具中进行压坯，先在模具中铺设一层厚度为2.8～3mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.5～2.7mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤1-10次，最终得到结构为层状的预制复合刀具材料；
步骤4：然后将成型后的预制复合刀具材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h；保温结束后将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最终得到制品。
本发明的特点还在于，
步骤1中铜粉粒度为160目、200目锌粉、铁粉粒度为200目、人造金刚石颗粒平均粒径为200μm。
石墨模具的尺寸为15mm×22mm。
步骤2中球磨采用聚氨酯球磨罐进行球磨混粉，选用4mm、6mm或8mm的玛瑙球。
步骤4中的二次烧结温度为740℃～780℃，保温2h。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明所用材料不含贵金属，所使用的铜、铁、锌及人造金刚石颗粒均来源广泛，价格低廉，具有较低的生产成本。
2、本发明所制备的铜基复合材料在结构上采用铁为缓冲层的新结构，最终制成似汉堡结构的新材料，结构新颖；同时，以金属铁作为缓冲层减缓了刀具的磨损速度，在切割石料过程中对刀具起到了良好的保护作用，在切割石料时的复杂工况下非常实用。
3、本发明金刚石颗粒增强复合刀具材料在金属铜良好延展性和导热性的基础上，结合金刚石优异的导热性、耐磨性以及超高硬度，使该复合材料最终具有导热性好、耐磨性优异、强韧性好等特点。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详述。
实施例1：
①采用粒度为160目的铜粉、200目锌粉、200目铁粉以及平均粒径为200μm的人造金刚石颗粒为原料，其各成分的质量百分比为：锌粉:18％；铁粉:38％；人造金刚石颗粒:9％，余量为铜及不可避免杂质。先将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入聚氨酯球磨罐，采用4mm、6mm、8mm的玛瑙球，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间和速度分别为6h和300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s。混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理。
②将铜基复合粉体及铁粉置于15mm×22mm的石墨模具中进行压坯。先在模具中铺设一层厚度为2.8mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.5mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料，然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h。保温结束后立即将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后在740℃下保温2h进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，得到制品，其力学性能见表1。
实施例2：
①采用粒度为160目的铜粉、200目锌粉、200目铁粉以及平均粒径为200μm的人造金刚石颗粒为原料，其各成分的质量百分比为：锌粉:19％；铁粉:37.5％；人造金刚石颗粒:11％，余量为铜及不可避免杂质。先将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入聚氨酯球磨罐，采用4mm、6mm、8mm的玛瑙球，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间和速度分别为6h和300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s。混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理。
②将铜基复合粉体及铁粉置于15mm×22mm的石墨模具中进行压坯。先在模具中铺设一层厚度为3mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.7mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料；然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h。保温结束后立即将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后在780℃下保温2h进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，得到制品，其力学性能见表1。
实施例3：
①采用粒度为160目的铜粉、200目锌粉、200目铁粉以及平均粒径为200μm的人造金刚石颗粒为原料，其各成分的质量百分比为：锌粉:20％；铁粉:37％；人造金刚石颗粒:10％，余量为铜及不可避免杂质。先将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入聚氨酯球磨罐，采用4mm、6mm、8mm的玛瑙球，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间和速度分别为6h和300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s。混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理。
②将铜基复合粉体及铁粉置于15mm×22mm的石墨模具中进行压坯。先在模具中铺设一层厚度为2.9mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.6mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料；然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h。保温结束后立即将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后在760℃下保温2h进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，得到制品，其力学性能见表1。
实施例4：
①采用粒度为160目的铜粉、200目锌粉、200目铁粉以及平均粒径为200μm的人造金刚石颗粒为原料，其各成分的质量百分比为：锌粉:21％；铁粉:36.5％；人造金刚石颗粒:12％，余量为铜及不可避免杂质。先将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入聚氨酯球磨罐，采用4mm、6mm、8mm的玛瑙球，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间和速度分别为6h和300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s。混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理。
②将铜基复合粉体及铁粉置于15mm×22mm的石墨模具中进行压坯。先在模具中铺设一层厚度为3mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.6mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料，然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h。保温结束后立即将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后在780℃下保温2h进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，得到制品，其力学性能见表1。
实施例5：
①采用粒度为160目的铜粉、200目锌粉、200目铁粉以及平均粒径为200μm的人造金刚石颗粒为原料，其各成分的质量百分比为：锌粉:22％；铁粉:36％；人造金刚石颗粒:8％，余量为铜及不可避免杂质。先将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入聚氨酯球磨罐，采用4mm、6mm、8mm的玛瑙球，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间和速度分别为6h和300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s。混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理。
②将铜基复合粉体及铁粉置于15mm×22mm的石墨模具中进行压坯。先在模具中铺设一层厚度为2.8mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.5mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料，然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h。保温结束后立即将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后在760℃下保温2h进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，得到制品，其力学性能见表1。
表1切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的力学性能
Figure BDA0002425888360000091
以上表1为本发明实施例的力学性能测试结果，由结果可得，本发明方法制备的复合刀具材料的抗拉强度、硬度、冲击韧性和导热率均满足切割石料行业的现行标准。与传统的普通切削石料刀具相比，该材料的硬度略有提高，抗拉强度与冲击韧性分别提高4.2％～6.8％和5％～7.5％，导热率提高了16.3％～20.7，因此，该材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗粘结的能力更优异，并且工艺性能好，在大批量生产中有更好的经济性。
本发明所用材料不含贵金属，所使用的铜粉、铁粉及人造金刚石颗粒均来源广泛，具有较低的生产成本。本发明所制备的复合材料在结构上采用以金属铁为过渡层结构，最终制成层状夹层结构的复合材料，结构新颖，且在最大程度上充分发挥了增强体材料自身的力学性能。本发明铜基合金新材料具有优异的导热性，良好的耐磨性和强韧性等特点。

Claims (3)

1.一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下工艺步骤实施：
步骤1：称取铜粉、锌粉、铁粉以及人造金刚石颗粒，以上材料质量百分比为：锌粉:18％～22％、铁粉:36％～38％、人造金刚石颗粒:8％～12％，余量为铜及不可避免杂质；
步骤2：将称量好的铜粉、锌粉和人造金刚石颗粒进行配料混合放入球磨罐，球料比为3:5，充入氩气保护进行球磨混料，球磨时间6h、球磨速度为300r/min，采用正反转混料，间隔时间为30s；混料结束后将铜基复合粉体装入真空袋，并对其进行抽真空做密封处理；
所述球磨采用聚氨酯球磨罐进行球磨混粉，选用4mm、6mm或8mm的玛瑙球；
步骤3：将铜基复合粉体及所述铁粉置于石墨模具中进行压坯，先在模具中铺设一层厚度为2.8～3mm的铜基复合粉体，在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；然后在此基础上铺设一层厚度为2.5～2.7mm的铁粉，同样在200MPa压力下进行初压，保压时间3min；重复以上步骤，最终制成三层铁夹层四层铜的预制铜基复合材料；步骤4：然后将成型后的预制铜基复合材料放入管式炉中，在氢气气氛下进行烧结，管式炉的初始温度为200℃，升温速率为15℃/min，温度升至500℃后保温2h；保温结束后将压坯在750MPa的压力下进行复压，保压时间3min，复压后进行二次烧结，然后随炉冷却至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最终得到制品；所述二次烧结温度为740℃～780℃，保温2h。
2.根据权利要求1所述的一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法，其特征在于，所述铜粉粒度为160目、200目锌粉、所述铁粉粒度为200目、所述人造金刚石颗粒平均粒径为200μm。
3.根据权利要求1所述的一种切割石料用金刚石颗粒增强复合刀具材料的制备方法，其特征在于，所述石墨模具的尺寸为15mm×22mm。
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