低熔包覆合金粉末及其制备方法和铁基金刚石胎体
技术领域
本发明涉及金刚石工具胎体技术领域，尤其是涉及一种低熔包覆合金粉末及其制备方法和铁基金刚石胎体。
背景技术
金刚石工具胎体体系按照其基体金属的主要成分可分为Co基、Cu基、Fe基、Ni基等。Co基胎体低温黏结特性良好、耐高温，对金刚石有良好的润湿性和较低的侵蚀性；磨损性能好、抗弯强度高，易于与其它元素合金化，但Co是稀缺的战略资源，价格昂贵。Cu基胎体价格低廉，出刃高，但硬度强度低；Ni基具有良好的延展性、韧性和抗氧化性，但其整体性能较Co基差，材料价格高于铁基，整体性价比不高。Fe基胎体具有较好的润湿性和适宜的力学性能，裂纹倾向性小，价格低廉，以Fe代Co一直是金刚石工具发展的趋势，但Fe基胎体金刚石工具在制造过程中存在着烧结温度高、可控工艺范围窄、易热侵蚀金刚石、把持力弱、胎体易烧死等问题。
传统铁基胎体制备时，将Cu粉、Sn粉、Ni粉加入到Fe粉后，混料后烧结。在烧结过程中，Sn在较低温度下(231℃)最先开始熔化形成液相，在预加烧结压力作用下与颗粒系统中的Cu接触并将其溶解，形成连续的Cu-Sn合金液相。然而，由于Cu-Sn合金液相和Fe颗粒间的润湿性较差且两者在系统中的分布并不均匀的缘故，绝大部分的Cu-Sn液相不能渗透进入Fe颗粒的裂隙间对其形成有效的粘结，因此系统中大量的Fe颗粒在烧结压力的作用下相互接触并形成并不牢固的固相烧结。在这个系统中，虽然生成了液相，然而液相并没有能够对固体颗粒进行有效的润湿和粘结，这种烧结方式造成了试样组织结构的不均匀性，影响烧结效果和工具性能。因此，开发一种能够提高烧结体的组织均匀性和粘结强度的铁基金刚石胎体成为亟待解决的技术问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供低熔包覆合金粉末，以解决现有技术中存在的成分和组织结构均匀性差等技术问题。
本发明的第二目的在于提供低熔包覆合金粉末，该制备方法操作简单，条件温和。
本发明的第三目的在于提供铁基金刚石胎体，所述铁基金刚石胎体成分、组织结构分布均匀，避免成分偏析的发生。
本发明的第四目的在于提供铁基金刚石胎体的制备方法，该制备方法无化学过程，不会对环境造成污染，且能够形成有效的粘结，使组织结构分布更加均匀。
低熔包覆合金粉末，其为核壳结构，壳层包括Sn和Bi中的任一种，核层包括FeCuNi预合金。
其中，所述核壳结构是指，壳层材料包覆在核层材料的表面所形成的结构。
本发明的低熔包覆合金粉末，用于制备胎体时，胎体在烧结过程中，由于特殊的核-壳结构，Sn或Bi形成的液相能够与FeCuNi颗粒表面的Cu形成Cu-Sn或Cu-Bi合金液相，并沿着FeCuNi颗粒表层迅速扩散，渗透进入FeCuNi颗粒的间隙。最终，Cu-Sn或Cu-Bi合金能够形成连续的网络状结构，将FeCuNi颗粒包裹和粘结，骨架相FeCuNi呈颗粒状在网络中被紧紧粘结，这种结构的形成使得结合剂的成分和组织结构分布更加均匀，避免了成分偏析的发生。并且，在制备胎体时，与胎体中的其它元素存在相同的，根据相似相容的原理，具有更好的亲和力，易于相互结合。
在本发明的具体实施方式中，所述壳层和所述核层的质量比为1﹕(5～15)，优选为1﹕(8～10)，更优选为1﹕9。
如在不同实施方式中，所述壳层和所述核层的质量比可以为1﹕5、1﹕6、1﹕7、1﹕8、1﹕9、1﹕10、1﹕11、1﹕12、1﹕13、1﹕14、1﹕15等等。
在本发明的具体实施方式中，所述低熔包覆合金粉末的粒径为45～150μm。
在本发明的具体实施方式中，所述FeCuNi预合金中，包括按重量百分数计的Fe64％～65％、Cu 28％～29％和Ni 6.5％～7.5％，优选包括Fe 64.5％、Cu 28.5％和Ni7％。
本发明还提供了上述低熔包覆合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
在分散剂的作用下，对Sn粉或Bi粉与FeCuNi预合金粉末的混合物进行球磨处理，然后干燥处理。
在本发明的具体实施方式中，在所述干燥处理后，还包括筛选。根据实际需要的粒度进行筛选，得到所需粒度的核壳结构的低熔包覆合金粉末。
其中，原料Sn粉和Bi粉的纯度≥99.9％。
在本发明的具体实施方式中，所述Sn粉或Bi粉的平均粒径≤45μm；所述FeCuNi预合金粉末的平均粒径为75～150μm。
其中，Sn粉或Bi粉与FeCuNi预合金粉末按照质量比为1﹕(5～15)混合，优选为1﹕(8～10)，更优选为1﹕9。
在本发明的具体实施方式中，所述球磨的条件包括：所述球磨的转速为300～500r/min，所述球磨的时间为20～40h，所述球磨的球料比为(18～22)﹕1。优选的，所述球磨的条件包括：所述球磨的转速为400r/min，所述球磨的时间为20～40h，所述球磨的球料比为20﹕1。进一步的，所述球磨的介质为玛瑙球。
在实际操作中，可在玛瑙罐中进行所述球磨处理，如玛瑙球磨罐。
在本发明的具体实施方式中，于真空条件下进行所述干燥。进一步的，所述干燥的温度为100～120℃，所述干燥的时间≥2h。具体的，所述真空条件的真空度为-0.1MPa或真空度高于-0.1MPa。通过采用真空条件，以防止粉末的氧化。
在本发明的具体实施方式中，所述分散剂包括乙醇和/或丙酮。通过分散剂的加入，提高制备的核壳结构的低熔包覆合金粉末的球形度，避免粉末粘连。
在本发明的具体实施方式中，所述分散剂的添加量为所述混合物的质量的3％～5％。
分散剂的添加量在上述范围内，能够避免粉末的粘连，保证粉末分散的均匀性，以及进一步改善低熔包覆合金粉末的球形度。
本发明还提供了铁基金刚石胎体，主要由按重量百分比计的如下组分制备得到：
Fe 35％～45％、Cu 15％～20％、Sn 5％～10％、Ni 3％～5％和低熔包覆合金粉末25％～35％；
其中，所述低熔包覆合金粉末为前述任意一种所述的低熔包覆合金粉末。
如在不同实施方式中，铁基金刚石胎体中，组分Fe的用量可以为35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％等等；组分Cu的用量可以为15％、16％、17％、18％、19％、20％等等；组分Sn的用量可以为5％、6％、7％、8％、9％、10％等等；组分Ni的用量可以为3％、3.5％、4％、4.5％、5％等等；组分低熔包覆合金粉末的用量可以为25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％等等。
在本发明优选的实施方式中，所述铁基金刚石胎体主要由按重量百分比计的如下组分制备得到：
Fe 38％～43％、Cu 15％～19％、Sn 7％～9％、Ni 3％～4％和低熔包覆合金粉末28％～32％。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述铁基金刚石胎体主要由按重量百分比计的如下组分制备得到：
Fe 40.7％、Cu 17.5％、Sn 8％、Ni 3.8％和低熔包覆合金粉末30％。
上述铁基金刚石胎体的制备方法，包括如下步骤：
Fe、Cu、Sn和Ni的单质粉与低熔包覆合金粉末按比例混合均匀，进行热压烧结。
具体的，可以将混合均匀的物料置于模具中，再进行热压烧结。所述模具可根据实际胎体的形状需求，选择适宜的模具。
在本发明的具体实施方式中，通过真空混料机进行所述混合，所述混合的时间≥2h。进一步的，所述真空混料机可以采用V型真空混料机，但不限于此。
在本发明的具体实施方式中，于真空条件下进行所述热压烧结。进一步的，所述真空条件的真空度为-0.1MPa或真空度高于-0.1MPa。通过采用真空条件，以防止氧化。
在本发明的具体实施方式中，所述热压烧结的温度为700～750℃，所述热压烧结的压力为18～22MPa，所述热压烧结的保温保压时间为5～10min；优选的，所述热压烧结的温度为750℃，所述热压烧结的压力为20MPa，所述热压烧结的保温保压时间为5～10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用特定的低熔包覆合金粉末用于制备胎体，攻克了传统胎体制备采用Fe、Cu、Sn、Ni单质粉，形成的绝大部分的Cu-Sn液相不能渗透进入Fe颗粒的裂隙间对其形成有效的粘结，造成了试样组织结构的不均匀性，工具性能差的难题；
(2)本发明的低熔包覆合金粉末，在胎体的烧结过程中，得益于特殊核-壳结构，Sn或Bi形成的液相能够与FeCuNi颗粒表面的Cu形成Cu-Sn、Cu-Bi合金液相，并沿着FeCuNi颗粒表层迅速扩散，渗透进入FeCuNi颗粒的间隙；形成连续的网络状结构，将FeCuNi颗粒包裹和粘结，骨架相FeCuNi呈颗粒状在网络中被紧紧粘结，使成分和组织结构分布更加均匀，避免了成分偏析的发生；
(3)本发明的低熔包覆合金粉末的制备方法属于物理制备方法，无化学过程对环境的污染风险，外壳对核心包覆效果好、粉末形貌近球形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为烧结过程反应示意图；其中，(a)为单质粉烧结过程反应示意图，(b)为低熔包覆合金粉末的烧结过程反应示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的低熔包覆合金粉末的扫描元素分布图；
图3为本发明实施例2制备得到的低熔包覆合金粉末的扫描元素分布图；
图4为不同胎体的微观结构组织图；其中，(a)为比较例1的钴基胎体，(b)为实施例3的铁基金刚石胎体，(c)为实施例4的铁基金刚石胎体。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供了低熔包覆合金粉末，其为核壳结构，壳层为Sn，核层为FeCuNi预合金。所述壳层和所述核层的质量比为1﹕9。将壳层为Sn，核层为FeCuNi预合金的低熔包覆合金粉末简称为FeCuNi-Sn低熔包覆合金粉末。
本实施例的FeCuNi-Sn低熔包覆合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
(1)将平均粒径小于45μm的Sn粉(纯度≥99.9％)和平均粒径在75～150μm的FeCuNi预合金按质量比为1﹕9的比例混合装入玛瑙罐中，玛瑙罐中有玛瑙球，球料比为20﹕1，加入无水乙醇(无水乙醇的加入量为Sn粉和预合金的总质量的3％)，开始球磨，转速为400r/min，球磨时间为20h。
(2)将步骤(1)中球磨后的物料置于真空干燥箱中进行干燥，真空度达到-0.1MPa或更高真空度，干燥的温度为120℃，干燥保温时间为2h。
(3)将步骤(2)得到的粉末置于标准旋振筛进行粒度筛选，得到所需粒度50～150μm的核壳结构的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Sn。
其中，FeCuNi预合金包括按重量百分数计的如下组分：Fe 64.5％、Cu28.5％和Ni7％。
实施例2
本实施例提供了低熔包覆合金粉末，其为核壳结构，壳层为Bi，核层为FeCuNi预合金。所述壳层和所述核层的质量比为1﹕9。将壳层为Bi，核层为FeCuNi预合金的低熔包覆合金粉末简称为FeCuNi-Bi低熔包覆合金粉末。
本实施例的FeCuNi-Bi低熔包覆合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
(1)将平均粒径小于45μm的Bi粉(纯度≥99.9％)和平均粒径在75～150μm的FeCuNi预合金按质量比为1﹕9的比例混合装入玛瑙罐中，玛瑙罐中有玛瑙球，球料比为20﹕1，加入无水乙醇(无水乙醇的加入量为Bi粉和预合金的总质量的3％)，开始球磨，转速为400r/min，球磨时间为20h。
(2)将步骤(1)中球磨后的物料置于真空干燥箱中进行干燥，真空度达到-0.1MPa或更高真空度，干燥的温度为120℃，干燥保温时间为2h。
(3)将步骤(2)得到的粉末置于标准旋振筛进行粒度筛选，得到所需粒度50～150μm的核壳结构的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Bi。
其中，FeCuNi预合金包括按重量百分数计的如下组分：Fe 64.5％、Cu 28.5％和Ni7％。
实施例3
本实施例提供了金刚石胎体，主要由按重量百分数计的如下组分制备得到：
Fe 40.7％、Cu 17.5％、Sn 8％、Ni 3.8％和低熔包覆合金粉末30％；其中，所述低熔包覆合金粉末为实施例1制备得到的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Sn。
本实施例的金刚石胎体的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照40.7％、17.5％、8％、3.8％和30％的质量配比称取Fe单质粉、Cu单质粉、Sn单质粉、Ni单质粉以及FeCuNi-Sn粉末，然后在真空混料机中混合2h；
(2)将步骤(1)混合后的物料装入预设模具中，采用真空热压烧结的方式进行烧结处理，得到铁基金刚石胎体；所述真空热压烧结的条件包括：真空度达到-0.1MPa或更高真空度，热压烧结的温度为750℃，热压烧结的压力为20MPa，热压烧结的保温保压时间为5min。
其中，所述模具根据实际目标胎体的形状进行选择。
实施例4
本实施例提供了金刚石胎体，主要由按重量百分数计的如下组分制备得到：
Fe 40.7％、Cu 17.5％、Sn 8％、Ni 3.8％和低熔包覆合金粉末30％；其中，所述低熔包覆合金粉末为实施例2制备得到的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Bi。
本实施例的金刚石胎体的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照40.7％、17.5％、8％、3.8％和30％的质量配比称取Fe单质粉、Cu单质粉、Sn单质粉、Ni单质粉以及FeCuNi-Bi粉末，然后在真空混料机中混合2h；
(2)将步骤(1)混合后的物料装入预设模具中，采用真空热压烧结的方式进行烧结处理，得到铁基金刚石胎体；所述真空热压烧结的条件包括：真空度达到-0.1MPa或更高真空度，热压烧结的温度为750℃，热压烧结的压力为20MPa，热压烧结的保温保压时间为5min。
其中，所述模具根据实际目标胎体的形状进行选择。
比较例1
比较例1为钴基胎体，由按质量百分数计的如下组分制得：
Fe 36％、Cu 26％、Sn 8％和Co 30％。
钴基胎体的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照36％、26％、8％和30％的质量配比称取Fe单质粉、Cu单质粉、Sn单质粉和Co单质粉，然后在真空混料机中混合2h；
(2)将步骤(1)混合后的物料装入预设模具中，采用真空热压烧结的方式进行烧结处理，得到钴基胎体；所述真空热压烧结的条件包括：真空度达到-0.1MPa或更高真空度，热压烧结的温度为750℃，热压烧结的压力为20MPa，热压烧结的保温保压时间为5min。
实验例1
为了说明本发明的低熔包覆合金粉末与现有的单质粉末烧结过程的区别，如图1所示，(a)为单质粉烧结过程反应示意图，(b)为低熔包覆合金粉末的烧结过程反应示意图。从图中可知，以本发明的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Sn为例，在胎体的烧结过程中，得益于特殊核-壳结构，Sn形成的液相能够与FeCuNi颗粒表面的Cu形成Cu-Sn合金液相，并沿着FeCuNi颗粒表层迅速扩散，渗透进入FeCuNi颗粒的间隙；形成连续的网络状结构，将FeCuNi颗粒包裹和粘结，骨架相FeCuNi呈颗粒状在网络中被紧紧粘结，使成分和组织结构分布更加均匀，避免了成分偏析的发生。
实验例2
为了进一步验证本发明的低熔包覆合金粉末的核壳结构，将实施例1和实施例2制备得到的低熔包覆合金粉末FeCuNi-Sn和低熔包覆合金粉末FeCuNi-Bi进行扫描元素分析，分别如图2和3所示。从图中可知，Sn元素和Bi元素包裹FeCuNi合金颗粒表面。
实验例3
为了说明本发明的铁基金刚石胎体的性能，将实施例3和4制备得到的胎体与比较例1的钴基胎体的性能进行对比，性能测试结果见表1。
表1不同胎体的性能测试结果
由表1可知，本发明的铁基金刚石胎体，性能与常用钴基胎体性能相当，且不含钴。图4为不同胎体的微观结构组织图；其中，(a)为比较例1的钴基胎体，(b)为实施例3的铁基金刚石胎体，(c)为实施例4的铁基金刚石胎体。从图中可知，本发明的胎体整体组织更加均匀，致密度也有所提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
