CN113001418B - 超硬磨料工具的陶瓷结合剂和超硬磨料工具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
超硬磨料工具的陶瓷结合剂和超硬磨料工具及其制备方法，涉及金刚石工具(CBN工具)制造领域；包括结合剂组成按照体积百分比计的以下组分：超硬磨料4‑40％；造孔剂0％‑5％；填料6％‑50％；精细陶瓷粘结剂15％‑68％；所述精细陶瓷结合剂中低温粘结剂成分为微纳米磷化铁粉和/或‑200#磷化镍粉末；上述各组分的体积百分比之和为100％。本发明设计的精细陶瓷结合剂组成成分经物料混合，装模压制，升温热压，脱模精加工等加工工艺，制造的超硬磨料工具的硬度高，磨具强度高，工具适用性好。发明采用微纳米磷化铁粉末和/或‑200#磷化镍粉末作为精细陶瓷结合剂中的主要粘结成分，能实现超硬磨料和结合剂的有效结合，实现金刚石工具最佳使用状态。
Description
技术领域
本发明属于超硬材料制品加工制造领域，具体涉及一种陶瓷结合剂的超硬磨料工具及其制备方法。
背景技术
金刚石和立方氮化硼统称超硬磨料。超硬磨料在结合剂的参与下制造成超硬工具，这类工具一般统称金刚石工具。使用于金刚石工具制造的结合剂常见有金属结合剂，陶瓷结合剂，树脂结合剂。金属结合剂主要由单质金属或金属合金成分组成，可以加入部分非金属物料添加剂；树脂结合剂主要由高分子树脂材料成分组成，根据工具使用性能需要添加部分非金属成分或金属组分以调整结合剂综合性能。
陶瓷材料性能是最适合金刚石工具制造结合剂材料之一，其特有的强度，硬度，脆性能使金刚石工具锋利度，耐磨度适中，工具在加工中形状保持性良好，性价比高。目前，市场上使用较多的陶瓷结合剂是采用低温氧化物陶瓷材料作为结合剂和微晶玻璃陶瓷材料作为结合剂。这类结合剂制造的金刚石或立方氮化硼超硬磨具具有好的锋利度和好的磨具形状保持性，该类磨具主要使用于高精度金属及合金部件的精密加工领域。由于该类材料的理化性能指标的限制，该类材质的配方组成烧结温度较高，工艺性能差，成型难度大，成型强度低，生产成品率低。工具使用范围受到很大限制，难以在石材加工，玻璃加工，工程陶瓷加工领域广泛使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种超硬磨料工具的陶瓷结合剂，结合性好，能提高超硬磨料工具的强度。
本发明的目的之二在于提供一种陶瓷结合剂的超硬磨料工具，工具强度高，生产成本低，生产成品率高，适应性好，能在石材加工，玻璃加工，工程陶瓷加工领域广泛使用。
本发明的目的之三在于提供上述陶瓷结合剂的超硬磨料工具的制备方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种超硬磨料工具的陶瓷结合剂，包括按照体积百分比计的以下组分：
造孔剂 0％-5％；
填料 6％-50％；
陶瓷粘结剂 15％-68％；
所述陶瓷粘结剂为微纳米磷化铁粉末和/或-200#磷化镍粉末；
上述各组分的体积百分比之和为100％。
进一步地，所述造孔剂为空心玻璃珠和/或碳酸氢铵等。
进一步地，所述填料为碳化物系填料或由碳化物系填料和金属系填料组成的组合物。
进一步地，所述碳化物系磨料为碳化硅和/或碳化硼。
进一步地，所述金属系填料为金属氧化物和/或金属单体；
所述金属氧化物为氧化铝和/或氧化硅；
所述金属单体为铁粉和/或镍粉。
进一步地，所述陶瓷结合剂中粘结剂组成由质量比为1:0-3的微纳米磷化铁粉末和-200#磷化镍粉末组成。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种陶瓷结合剂的超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
超硬磨料 4-40％；
陶瓷结合剂余量。
进一步地，所述超硬磨料为金刚石和/或立方氮化硼。
进一步地，包括按照体积百分比计的以下组分：
上述各组分的体积百分比之和为100％。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
陶瓷结合剂的超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压力为100MPa-300MPa。
S3,将装料模具放入加热炉中，在温度为760℃-820℃，压强为50-300MPa下热压烧结成型，其中升温和加压同步进行。
S4,模具冷却后经过脱模、精加工、包装，得到超硬磨料工具。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，采用微纳米磷化铁粉和/或磷化镍粉作为陶瓷粘结剂成分，磷化物能降低超硬磨料工具制造工艺的烧结温度，避免高温下超硬磨料被金属元素侵蚀产生石墨化现象；同时磷化铁粉和磷化镍粉能实现超硬磨料和填料的有效结合，该结合剂结合力强，得到工具的韧性强，耐磨性高。
本发明的陶瓷结合剂超硬磨料工具，通过各组分的合理配比，制造的超硬磨料工具的硬度高，莫氏硬度达到HRB85～HRB95；超硬磨具使用适应性好，可以适应石材，玻璃，工程陶瓷等粗糙工况条件下加工强度要求，加工性能稳定。
本发明的陶瓷结合剂超硬磨料工具的制备方法，生产成本低，生产成品率高，热压烧结成型的温度低，避免高温下超硬磨料被金属元素侵蚀产生石墨化现象；本物料组合在工艺温度下少量液相出现，主要以分子间固相扩散完成烧结过程，升温加压同步进行能使烧结过程完成迅速，彻底。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
本实施例的一种陶瓷结合剂超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
金刚石 5％；
碳化硅 43％；
陶瓷粘结剂 52％。
所述陶瓷粘结剂由质量比为1:1的微纳米磷化铁粉末和-200#磷化镍粉末组成。
其中，微纳米磷化铁粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化铁含量不小于99.5％；粒度D50≦15μ；
-200#磷化镍粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化镍含量不小于99.5％；粒度-200#；
碳化硅粉末：SiC含量不小于99％；游离碳小于0.2％；Fe2O3小于0.2％；呈绿色光泽结晶体。
该陶瓷结合剂超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压制压力为100MPa。
S3,装料模具放入加热炉中，在温度为760℃-820℃，压力为100MPa工艺条件下热压烧结成型，热压工艺必须保证升温升压同步进行。
S4，模具冷却后经过脱模、精加工，得到长宽高为24*10*20毫米方块形磨具磨头。
实施例2
本实施例的一种陶瓷结合剂超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
所述陶瓷粘结剂为微纳米磷化铁粉。
其中，微纳米磷化铁粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化铁含量不小于99.5％；粒度D50≦15μ；
碳化硅粉末：SiC含量不小于99％；游离碳小于0.2％；Fe2O3小于0.2％；呈绿色光泽结晶体。
该陶瓷结合剂超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压制压力为200MPa。
S3,装料模具放入加热炉中，在温度为760℃-820℃，压力为200MPa热压工艺下热压烧结成型，热压工艺必须保证升温升压同步进行。
S4,模具冷却后经过脱模、精加工，得到外圆直径200毫米，内圆直径180毫米，高12毫米圆环形磨具磨头。
实施例3
本实施例的一种陶瓷结合剂超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
所述陶瓷粘结剂由质量比为1:3的微纳米磷化铁粉和-200#磷化镍粉组成。
其中，微纳米磷化铁粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化铁含量不小于99.5％；粒度D50≦15μ；
-200#磷化镍粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化镍含量不小于99.5％；粒度-200#；
碳化硅粉末：SiC含量不小于99％；游离碳小于0.2％；Fe2O3小于0.2％；呈绿色光泽结晶体。
该陶瓷结合剂超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压制压力为300MPa。
S3,(装料模具放入加热炉中，在)温度为760℃-820℃，压力为200MPa工艺条件下热压烧结成型，热压工艺必须保证升温升压同步进行。
S4,模具冷却后经过脱模、精加工，得到外圆直径250毫米，内圆直径200毫米，高15毫米圆环形磨具磨头。
实施例4
本实施例的一种陶瓷结合剂超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
所述陶瓷粘结剂由质量比为1:1.5的微纳米磷化铁粉和-200#磷化镍粉组成。
其中，微纳米磷化铁粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化铁含量不小于99.5％；粒度D50≦15μ；
-200#磷化镍粉：按质量百分比计的磷含量为5％-18％；磷化镍含量不小于99.5％；粒度-200#；
碳化硅粉末：SiC含量不小于99％；游离碳小于0.2％；Fe2O3小于0.2％；呈绿色光泽结晶体。
该含陶瓷结合剂的超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压制压力为300MPa。
S3，装料模具放入加热炉中，在温度为760℃-820℃，压力为200MPa工艺条件下热压烧结成型，热压工艺必须保证升温升压同步进行。
S4,模具冷却后经过脱模、精加工，得到外圆直径300毫米，内圆直径220毫米，高18毫米圆环形磨具磨头。
实施例5
本实施例的其它内容与实施例4相同，不同点是：实施例5中不添加玻璃球珠，利用控制烧结刀头密度预留烧结空隙，空隙的孔径为0.1-10μm。空隙在超硬磨料工具磨削过程中具有容屑、排屑和增强散热的作用，提高工件的磨削效果。
对比例1
本实施例的一种陶瓷结合剂超硬磨料工具，包括按照体积百分比计的以下组分：
其中，碳化硅粉末：SiC含量不小于99％；游离碳小于0.2％；Fe2O3小于0.2％；呈绿色光泽结晶体。
该陶瓷结合剂超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压制压力为300MPa。
S3，装料模具放入加热炉中，在温度为1100℃，压力为200MPa工艺条件下热压烧结成型，热压工艺保证升温升压同步进行。
S4,模具冷却后经过脱模、精加工，得到外圆直径300毫米，内圆直径220毫米，高18毫米圆环形磨具磨头。
性能检测
采用莫氏硬度试验，HRB标尺，对实施例1-5和对比例1进行测试，数据结果如表1所示。
表1性能数据
如表1所示，相比对比例1的氧化铝作为粘结剂，本发明采用微纳米磷化铁粉和/或-200#磷化镍粉作为陶瓷粘结剂，莫氏硬度为HRB85-HRB98，具有更高的硬度。磷化物能降低超硬磨料工具的烧结温度，避免高温下超硬磨料被金属元素侵蚀产生石墨化现象；同时磷化铁粉和磷化镍粉能实现超硬磨料和填料的结合，结合力强，强韧性和耐磨性高，可用于制造直径达300毫米整体式磨具磨头。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种陶瓷结合剂的超硬磨料工具，其特征在于，包括按照体积百分比计的以下组分：
超硬磨料4-40％；
陶瓷结合剂余量；
所述陶瓷结合剂，包括按照体积百分比计的以下组分：
造孔剂 0％-5％；
填料 6％-50％；
陶瓷粘结剂 15％-68％；
所述陶瓷粘结剂为微纳米磷化铁粉末和/或-200#磷化镍粉末；
上述各组分的体积百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，其特征在于：所述造孔剂为空心玻璃珠和/或碳酸氢铵等。
3.如权利要求1所述的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，其特征在于：所述填料为碳化物系填料或由碳化物系填料和金属系填料组成的组合物。
4.如权利要求3所述的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，其特征在于：所述碳化物系磨料为碳化硅和/或碳化硼。
5.如权利要求3所述的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，其特征在于：所述金属系填料为金属氧化物和/或金属单体；
所述金属氧化物为氧化铝和/或氧化硅；
所述金属单体为铁粉和/或镍粉。
6.如权利要求1所述的超硬磨料工具的陶瓷结合剂，其特征在于：所述陶瓷结合剂中粘结剂组成由质量比为1:0-3的微纳米磷化铁粉末和-200#磷化镍粉末组成。
7.如权利要求1所述的陶瓷结合剂的超硬磨料工具，其特征在于：所述超硬磨料为金刚石和/或立方氮化硼。
8.如权利要求1或7所述的陶瓷结合剂的超硬磨料工具，其特征在于：包括按照体积百分比计的以下组分：
上述各组分的体积百分比之和为100％。
9.权利要求7-8任意一项所述的陶瓷结合剂的超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将配方量的原料配制混合制成混合粉料；
S2，将混合料装入成型模具中，在常温下压制，压力为100MPa-300MPa；
S3,将装料模具放入加热炉中，在温度为760℃-820℃，压强为50-300MPa下热压烧结成型，其中升温和加压同步进行；
S4,模具冷却后经过脱模、精加工、包装，得到超硬磨料工具。
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