一种低温烧结高强铝基结合剂、制备方法及应用

1.本发明属于超硬材料磨削工具技术领域，具体涉及一种低温烧结高强铝基结合剂、制备方法及应用。


背景技术：

2.结合剂的作用是将磨料牢固的粘结在一起，使磨具具有一定的形状、硬度、强度和自锐性，结合剂的成分和结构与磨具的性能紧密相关。在金刚石、cbn等磨料性能一致的情况下，磨具的强度、抗冲击性、耐热性及抗蚀性，在很大程度上取决于结合剂的性能。衡量砂轮工作性能的最重要指标是砂轮的寿命和对材料的磨除速度。陶瓷结合剂虽然较锋利，但硬脆、易掉边、易产生划道，使加工面粗糙。树脂结合剂由于热性能和机械性能都比较差，它对磨料的粘接能力也较差，制成的工具不耐磨、磨削比低、平衡性差、精度差，导致工作效率低。金属结合剂强度高，粘接性能好，但易堵塞，不锋利。随着材料加工的进一步需要，开发新型结合剂是超硬材料制品行业亟需解决的问题。
3.铝基结合剂砂轮磨削效率高、光洁度高。根据苏联超硬材料研究所的试验结果，代号为c-22的烧结铝粉制成的铝基结合剂，在同样的球面加工机上，铝基结合剂砂轮玻璃的磨削率达每分钟3-40cm3，每克拉金刚石能磨出2.5-5公升体积的玻璃。而普通的金属结合剂只有1.6-2.2公升/克拉，这种砂轮能保证6-7级光洁度。
4.铝的活性很高，极易和空气中的氧和氮发生反应生成氧化铝和氧化氮，难以保存和运输。目前，市场中的铝粉经过氧氮分析检测，氧氮含量可达20000ppm。已经公开的铝基结合剂，如专利公开号cn101121253a公开了一种新型铝基金属结合剂金刚石工具及其制备方法，采用的铝基结合剂主要有al和cu，以及其它添加成分。该专利利用铝粉作为铝基结合剂的主要成分，该方法存在铝粉表面容易氧化和氮化问题，同时传统的烧结方式难以击穿铝粉表面的氧化膜/氮化膜，造成烧结体原始颗粒界面粗糙、开裂等问题，进而难以实现实际应用中持续稳定的自锐性磨削。在其它发明的铝基结合剂，如专利公开号cn101121254a和101121255a，同样存在铝粉表面氧化问题，同时在专利公开号cn101121255a中，铝基金属结合剂包含al和ag主要成分及其他微量元素，该铝基结合剂制备成本很高，同时铝基结合剂在实际磨削应用中存在强度低、易粘刀，需要异质颗粒增强增锐。传统铝基结合剂易忽视或未考虑实际应用中存在的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种低温烧结高强铝基结合剂，同时提供其制备方法和应用是本发明的另一发明目的。
6.基于上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低温烧结高强铝基结合剂，主要由以下重量份的原料组成：铝合金粉20-70份、铜锡合金粉5-50份、sn粉5-20份、ni粉3-20份。
7.结合剂还包括
高熵合金粉0-20份、tih2粉0-15份、mg粉0-10份、胶体石墨0-8份、si粉0-10份、碳化硅粉0-10份、ceo2粉0-5份。
8.一种低温烧结高强铝基结合剂，主要由以下重量份的原料组成：铝合金粉40-60份、铜锡合金粉10-30份、sn粉5-15份、ni粉5-10份、高熵合金粉10-20份。
9.结合剂还包括mg粉1-5份、ceo2粉0.1-2份、tih2粉0-5份、胶体石墨0-3份、si粉0-5份、碳化硅粉0-5份。
10.所述铝合金粉为6061、7075、7045铝合金粉中的一种或两种以上的混合物；铜锡合金粉为cu80sn20粉、cu67sn33粉、cu60sn40粉中的一种或两种以上的混合物；高熵合金粉为cuznfetini高熵合金粉、fenicralti高熵合金粉、fecucralti高熵合金粉中的一种或两种以上的混合物。
11.碳化硅粉的粒径为0.5-5μm。
12.制备低温烧结高强铝基结合剂的方法，将各原料过筛、混合，得混合料，再加入液体石蜡，混合，热压烧结即可。
13.混合料与液体石蜡的用量比为100g︰（2-20）ml；热压烧结条件：烧成温度为200-400℃，热压压力为200-300mpa，保温时间为3-10min。
14.低温烧结高强铝基结合剂在制备超硬材料工具上的应用。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）本发明采用铝合金粉代替传统铝基结合剂的纯铝，避免铝粉表面易氧化和氮化的技术问题，铜锡合金粉和高熵合金粉能够协同增强铝基结合剂的强度，微量稀土元素能够起到补强铝基结合剂的作用，制成的结合剂试样经测试，抗弯强度100-300mpa，硬度hrb20-100，降低了生产成本；2）本发明采用sps烧结工艺制备结合剂，烧成温度在200-400℃，提高烧结效率和结合剂的均匀性；3）结合剂与金刚石和立方氮化硼结合可以制备超硬材料工具，用于硬脆材料的精磨和半精磨。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1 传统铝基结合剂断口界面图；图2 铝合金粉体制备的铝基结合剂断口界面图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的技术方案进行详细描述，但下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
19.实施例1
一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：6061铝合金粉48.8份、cu80sn20粉15份、cuznfetini高熵合金粉10份、sn粉15份、ni粉6份、tih2粉2份、碳化硅粉2份、mg粉1份、ceo2粉0.2份。
20.制备低温烧结高强铝基结合剂的方法，将各原料混合，过180目筛，混合、再过180目筛，得混合料，再加入液体石蜡，混合料与液体石蜡的用量比为100g︰15ml，混合后，在sps 烧结压机上热压烧结制备试样，规格为50mm
×
8mm
×
9mm，保温时间为5min，烧成温度为360℃，热压压力为260mpa，试样做成后用金相砂纸磨平。
21.具体试样制备工艺步骤：检查石墨模具
→
在上下压头上涂脱模剂
→
模具组装
→
套上模框
→
加绝缘板
→
紧固螺钉
→
放到sps烧结机上预压
→
通电加热
→
保温保压
→
卸压
→
冷却
→
卸模
→
用金相砂纸打磨光
→
测量尺寸和单重。
22.低温烧结高强铝基结合剂在制备超硬材料工具上的应用。
23.实施例2一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：7075铝合金粉47.4份、cu67sn33粉20份、fenicralti高熵合金粉10份、sn粉10份、ni粉8份、tih2粉2份、碳化硅粉1份、mg粉1份、ceo2粉0.3份、胶体石墨0.3份。
24.其制备方法参照实施例1。
25.实施例3一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：7045铝合金粉46.4份、cu60sn40粉10份、fecucralti高熵合金粉20份、sn粉8份、ni粉6份、ti粉2份、si粉4份、mg粉3份、ceo2粉0.3份、胶体石墨0.3份。
26.其制备方法参照实施例1。
27.实施例4一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：7045铝合金粉41份、cu60sn40粉28份、fecucralti高熵合金粉15份、sn粉5份、ni粉10份、ti h2粉5份、si粉1份、mg粉5份、ceo2粉2份、胶体石墨1份。
28.其制备方法参照实施例1。
29.实施例5一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：6061铝合金粉25份、cu80sn20粉45份、cuznfetini高熵合金粉12份、sn粉5份、ni粉3份、tih2粉1份、碳化硅粉10份、mg粉2份、ceo2粉5份、si粉1份、胶体石墨8份。
30.其制备方法参照实施例1。
31.实施例6一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：6061铝合金粉65份、cu80sn20粉10份、cuznfetini高熵合金粉1份、sn粉20份、ni粉4份。
32.其制备方法参照实施例1。
33.实施例7一种低温烧结高强铝基结合剂，由以下重量份的原料组成：7075铝合金粉30份、cu60sn40粉15份、fenicralti高熵合金粉20份、sn粉20份、ni粉5份、tih2粉10份、碳化硅粉1
份、mg粉8份、ceo2粉1份、si粉7份、胶体石墨0.5份。
34.其制备方法参照实施例1。
35.实施例1-7的结合剂试样经测试，抗弯强度100-300mpa，硬度hrb20-100。
36.试验例采用铝粉为原料的铝基结合剂，与实施例1作对比，由以下重量份的原料组成：铝粉48份、cu80sn20粉15份、cuznfetini高熵合金粉10份、sn粉15份、ni粉6份、tih2粉2份、碳化硅粉2份、si粉0.8粉、mg粉1份、ceo2粉 0.2份。
37.方法参照本发明实施例1，制备出的结合剂断口的扫描电镜图片如图1所示，本发明实施例1制备的试样断口的扫描电镜图片如图2所示。
38.由图1和2可知，本发明的铝基结合剂，解决了传统铝基结合剂铝粉表面氧化导致的原始颗粒界面开裂问题，其作为超硬材料工具的结合剂不仅可以提高磨削效率，而且由于铝本身的吸震性，可以提高磨削表面效果。

技术特征：
1.一种低温烧结高强铝基结合剂，其特征在于，主要由以下重量份的原料组成：铝合金粉20-70份、铜锡合金粉5-50份、sn粉5-20份、ni粉3-20份。2.如权利要求1所述的低温烧结高强铝基结合剂，其特征在于，结合剂还包括高熵合金粉0-20份、tih2粉0-15份、mg粉0-10份、胶体石墨0-8份、si粉0-10份、碳化硅粉0-10份、ceo2粉0-5份。3.如权利要求2所述的低温烧结高强铝基结合剂，其特征在于，主要由以下重量份的原料组成：铝合金粉40-60份、铜锡合金粉10-30份、sn粉5-15份、ni粉5-10份、高熵合金粉10-20份。4.如权利要求3所述的低温烧结高强铝基结合剂，其特征在于，结合剂还包括mg粉1-5份、ceo2粉0.1-2份、tih2粉0-5份、胶体石墨0-3份、si粉0-5份、碳化硅粉0-5份。5.如权利要求4所述的低温烧结高强铝基结合剂，其特征在于，所述铝合金粉为6061、7075、7045铝合金粉中的一种或两种以上的混合物；铜锡合金粉为cu80sn20粉、cu67sn33粉、cu60sn40粉中的一种或两种以上的混合物；高熵合金粉为cuznfetini高熵合金粉、fenicralti高熵合金粉、fecucralti高熵合金粉中的一种或两种以上的混合物。6.制备权利要求1-5任一所述的低温烧结高强铝基结合剂的方法，其特征在于，将各原料过筛、混合，得混合料，再加入液体石蜡，混合，热压烧结即可。7.如权利要求6所述的制备低温烧结高强铝基结合剂的方法，其特征在于，混合料与液体石蜡的用量比为100g︰（2-20）ml；热压烧结条件：烧成温度为200-400℃，热压压力为200-300mpa，保温时间为3-10min。8.如权利要求1-5任一所述的低温烧结高强铝基结合剂在制备超硬材料工具上的应用。

技术总结
本发明公开一种低温烧结高强铝基结合剂，主要由以下重量份的原料组成：铝合金粉20-70份、铜锡合金粉5-50份、Sn粉5-20份、Ni粉3-20份。同时提供其制备方法和应用。本发明采用铝合金粉代替传统铝基结合剂的纯铝，避免铝粉表面易氧化和氮化的技术问题，铜锡合金粉和高熵合金粉能够协同增强铝基结合剂的强度，微量稀土元素能够起到补强铝基结合剂的作用，制成的结合剂试样经测试，抗弯强度100-300MPa，硬度HRB20-100，降低了生产成本。降低了生产成本。降低了生产成本。


技术研发人员：肖娜 夏涵 孙冰冰 肖婷婷 王蕊
受保护的技术使用者：黄河科技学院
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/22