金属粉末材料、青铜基金刚石砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及青铜基金刚石砂轮制备技术领域，具体而言，涉及一种金属粉末材料、青铜基金刚石砂轮及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属硬质化合物(硬质相)和金属粘结剂(粘结相)经粉末冶金方法制备而成，在金属切削加工、金属成形工具、矿山工具、石油钻探、地质勘探、国防军工及石材加工等方面获得了广泛的应用。由于硬质合金是粉末冶金方法制造，所以硬质合金构件需要经过后续机械加工才能满足尺寸精度、形状精度和相互位置精度的要求。
硬质合金的难加工性是众所周知的，其最主要的后续加工工艺方法是利用砂轮来进行磨削。硬质合金可采用树脂基绿碳化硅砂轮进行磨削加工，树脂基砂轮导热性能差，硬质合金易产生高温氧化变色，严重时产生裂纹；树脂基绿碳化硅砂轮硬度低，寿命短，磨削加工过程出现粉尘污染，环境友好性差。青铜基金刚石工具具有结合剂材料结合力强，耐磨性好，砂轮面型精度高，散热性好，寿命长，可以承受大负荷等优点。青铜基金刚石砂轮适合加工非金属硬脆性的材料，也用于硬质合金的粗磨、半粗磨、深磨、成型磨。青铜基金刚石砂轮的使用寿命相对树脂碳化硅砂轮提高了5000倍以上，是硬质合金绿色高效加工的首选。
青铜基金刚石砂轮也存在效率低、自锐性能差的缺点，尤其对于精密加工过程中修锐困难，虽然随着在线修整、电火花修整、激光修整、化学法修整等技术的进步，但修整过程耗时、耗工，影响生产效率和待产品稳定性。以青铜基金刚石砂轮本身加工性能出发，应避免修整，延长加工时间，缩短修整周期，而实质性要求是提高青铜基金刚石砂轮磨削过程的自锐性。树脂基绿碳化硅砂轮孔隙率高，自锐性好，使用过程不需要修整或极少进行修整。将致密化的青铜基金刚石砂轮造孔以提高磨削自锐性是目前研究的热点之一。1992年日本学者T.Tanaka开发了多孔金属结合剂金刚石砂轮，将陶瓷结合剂金刚石砂轮中的孔隙结合引入金属结合剂金刚石砂轮，进而达到提高砂轮锋利度，降低磨削温度，易于修整的目的。随着技术的发展，常用的造孔剂有碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氨、各种有机纤维，颗粒状石墨、盐、尿素等。
青铜基金刚石砂轮中造孔剂添加需要达到一定的浓度才能达到自锐锋利的效果，而过量的造孔剂可显著降低合金的抗弯强度和硬度，在牺牲工具使用寿命的前提下提高了工具的自锐性。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明所提供的金属粉末材料，用于制备金刚石砂轮，所述的金属粉末材料中添加了类球形Fe-Cu合金颗粒，通过成分控制和工艺控制让类球形Fe-Cu颗粒烧结过程中形成蜂窝状疏松组织，在磨削过程中表面受到挤压的Fe-Cu合金颗粒易与胎体脱落，在脱落位置形成容屑凹坑，与造孔剂达到相似效果，提高了工具自锐性的效果。同时，采用金属粉末材料所制备的青铜基金刚石工具，Fe-Cu合金颗粒参与胎体合金化反应，与胎体(粉末烧结体)存在一定结合性，不降低工具胎体的硬度和强度，磨削加工硬质合金过程中工具表面的Fe-Cu合金颗粒易于脱落，在不牺牲工具性能和安全性的前提下提高了工具的自锐性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种金属粉末材料，包括按照质量份数计的以下组分：
FeCu合金粉5～15份，AgCuSn合金粉10～50份，CuSn合金粉5～20份，锡粉0～8份，铜粉10～30份，钴粉8～35份和镍粉0～4份。
优选的，所述FeCu合金粉为类球形粉末状材料。
优选的，所述的金属粉末材料，包括按照质量份数计的以下组分：
FeCu合金粉8～12份，AgCuSn合金粉20～40份，CuSn合金粉10～15份，锡粉1～7份，铜粉15～25份，钴粉12～30份和镍粉1～3份。
优选的，所述金属粉末材料中还包括MBD金刚石，所述金刚石的体积浓度为30％～200％，更优选的，所述MBD金刚石的粒径为40/50～270/325目。
优选的，所述金属粉末材料中还包括造孔剂，更优选的，所述造孔剂为氧化铝空心球，更优选的，所述氧化铝空心球的添加量为0.01～3份，更优选的，所述氧化铝空心球的粒度为40～300目，更优选的，所述氧化铝空心球的粒度为120～300目。
优选的，所述FeCu合金粉、所述AgCuSn合金粉和所述CuSn合金粉均采用匀雾化法制备得到。
优选的，所述FeCu合金粉、所述AgCuSn合金粉和所述CuSn合金粉的粒度小于200目，更优选的小于300目。
优选的，所述FeCu合金粉中，Fe和Cu的质量比为9:1～5:5；
和/或；
所述AgCuSn合金粉中，Ag、Cu和Sn的质量比为4～10:50～80:10～46；
和/或；
所述CuSn合金粉中，Cu和Sn的质量为9:1～5:5。
一种青铜基金刚石工具，主要由所述的金属粉末材料制备得到。
所述的青铜基金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
将所述金属粉末材料按照比例混合，预先冷压或烧结成型，得到青铜基金刚石工具。
优选的，所述烧结成型采用热压烧结机、钟罩炉、隧道炉、电阻炉、微波烧结加压或无压烧结进行操作。
优选的，所述烧结的温度为650～750℃，所述烧结的压力16～30MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的金属粉末材料，添加了类球形Fe-Cu合金颗粒，通过成分控制和工艺控制让类球形Fe-Cu颗粒烧结过程中形成蜂窝状疏松组织，在磨削过程中表面受到挤压的Fe-Cu合金颗粒易与胎体脱落，在脱落位置形成容屑凹坑，与造孔剂达到相似效果，提高了工具自锐性的效果
(2)本发明所提供的青铜基金刚石工具，采用金属粉末材料所制备得到，制备过程中，Fe-Cu合金颗粒参与胎体合金化反应，与胎体存在一定结合性，不降低工具胎体的硬度和强度，磨削加工硬质合金过程中工具表面的Fe-Cu合金颗粒易于脱落，在不牺牲工具性能和安全性的前提下提高了工具的自锐性。
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为实施例1所提供的青铜基金刚石砂轮磨削后表面微观形貌；
图2为实施例1所提供的青铜基金刚石砂轮磨削后疏松组织区域扫描分析图像；
图3为实施例2所提供的青铜基金刚石砂轮磨削后表面微观形貌；
图4为实施例3所提供的青铜基金刚石砂轮磨削后表面微观形貌；
图5为实施例3所提供的青铜基金刚石砂轮断口形貌；
图6为实施例4所提供的青铜基金刚石砂轮磨削后表面微观形貌。
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。
本发明所提供的一种金属粉末材料，包括按照质量份数计的以下组分：
FeCu合金粉5～15份(例如5、7、10、12、15份)，AgCuSn合金粉10～50份(例如10、15、20、25、30、35、40、45、50份)，CuSn合金粉5～20份(例如5、10、15、20份)，锡粉0～8份(例如0份、0.1-8份，具体的0.5、1、2、3、4、5、6、7、8份)，铜粉10～30份(例如10、15、20、22、25、28、30份)，钴粉8～35份(例如8、15、20、25、30、35份)和镍粉0～4份(例如0份、0.1-4份，具体的0.5、1、2、3、4份)。
目前青铜基金刚石砂轮制作过程中通常采用添加造孔剂达到提高工具自锐性的目的，造孔剂需要达到一定浓度才能达到自锐的目的，而过高的孔隙率会降低合金的硬度和强度，降低工具的使用寿命。而造孔剂的加入可显著降低胎体的强度，工具使用过程中安全性降低，可造成青铜基金刚石砂轮胎体破碎飞出，造成安全生产事故。
上述缺点是由于以下原因造成的：(1)造孔剂与胎体无化学冶金反应，结合性差；(2)造孔剂浓度高，减弱胎体硬度和强度。
本申请通过添加了Fe-Cu合金颗粒，通过成分控制(各组分之间比例合理搭配)和工艺控制让Fe-Cu颗粒烧结过程中形成蜂窝状疏松组织，在磨削过程中表面受到挤压的Fe-Cu合金颗粒易与胎体脱落，在脱落位置形成容屑凹坑，与造孔剂达到相似效果，提高了工具自锐性的效果。
在本发明一些优选的实施例中，对所述的金属粉末材料的组分进行优选，包括按照质量份数计的以下组分：
FeCu合金粉8～12份，AgCuSn合金粉20～40份，CuSn合金粉10～15份，锡粉1～7份，铜粉15～25份，钴粉12～30份和镍粉1～3份。
在本发明一些优选的实施例中，所述FeCu合金粉为类球形粉末状材料，类球形Fe-Cu颗粒烧结过程中形成蜂窝状疏松组织，在磨削过程中表面受到挤压的类球形Fe-Cu合金颗粒易与胎体脱落，在脱落位置形成容屑凹坑。
添加类球形Fe-Cu合金粉末颗粒实现蜂窝状疏松组织，达到造孔剂效果，避免造孔剂缺陷。Fe与Cu的在常温下固溶度低，经过火法冶炼雾化制备的类球形Fe-Cu颗粒微观组织中Cu在Fe间隙内呈弥散分布。FeCu合金粉烧结温度高，其中FeCu10液相线温度1512℃，FeCu50液相线温度1438℃，本发明烧结温度仅为650～750℃，Fe-Cu合金颗粒粉末在烧结过程中无液相生成。而青铜配方中Sn粉、AgCuSn合金粉、CuSn合金粉具有较低的液相温度，烧结过程属于液相烧结，且Sn粉、AgCuSn合金粉流动新能优良，Sn元素易与Cu产生化合反应，在低熔度下生成α固溶体，由于单质锡元素易偏析，在局部会生产硬脆的σ相。AgCuSn和CuSn合金粉在配方烧结过程中，由于Sn元素的反偏析作用，σ相会优先形成液相在促进压坯致密化，σ相在烧结反应过程中扩散进入与Fe-Cu粉末颗粒中的Cu基相中，形成高锡的σ相，且对Fe基润湿性差，在磨削过程中Fe基容易在磨削过程中剥落，最终形成疏松的蜂窝状Cu基固溶体。同时，Fe-Cu粉末颗粒与胎体合金化程度低，磨削过程易剥落，起到与造孔剂相似作用。Fe-Cu合金粉末颗粒参与胎体部分合金化作用，且添加Fe-Cu合金粉末颗粒不会降低胎体的孔隙率，不降低合金胎体的硬度和强度。Fe-Cu合金颗粒在青铜金刚石砂轮与待加工硬质合金的磨削面加工挤压过程中产生剥落，有利于容屑和储存冷却液，同时有利于胎体超前磨损，达到与造孔剂相似的提高自锐性效果。
Fe-Cu合金颗粒粉末与造孔剂不同之处在于，类球形Fe-Cu合金粉末颗粒在烧结过程中不产生变形和液相软化，保持了外观形貌，胎体中液相铜锡σ相通过扩散反应进入颗粒内的Cu基相，并通过工艺和成分控制将Fe-Cu合金颗粒内部的Cu基相形成了铜锡σ相。烧结后的Fe-Cu合金粉末颗粒变为Fe-(Cu，Sn)合金颗粒，颗粒在磨削过程中Fe基相逐层剥落，与造孔剂直接造成的胎体孔洞不同，对胎体的强度和硬度影响不大，不会降低工具的使用寿命。
在本发明一些优选的实施例中，所述金属粉末材料中还包括MBD金刚石，所述金刚石的体积浓度为30％～200％(例如30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％、140％、150％、160％、170％、180％、200％)，具体的，浓度的算法沿用砂轮制造业的"400％浓度制"，当金刚石的体积占胎体工作层体积的1/4时，其浓度为100％，全部都是金刚石时，浓度为400％。
更优选的，所述MBD金刚石的粒径为40/50～270/325目，粗磨加工优选40～100目，半精磨优选80～230目，精磨优选140～325目。
在本发明一些优选的实施例中，所述金属粉末材料中还包括造孔剂，更优选的，所述造孔剂为氧化铝空心球，更优选的，所述氧化铝空心球的添加量为0.01～3份，更优选的，所述氧化铝空心球的粒度为40～300目，精磨加工时空心球粒度更优选为120～300目。
在本发明一些优选的实施例中，所述FeCu合金粉、所述AgCuSn合金粉和所述CuSn合金粉均采用匀雾化法制备得到。
在本发明一些优选的实施例中，所述FeCu合金粉、所述AgCuSn合金粉和所述CuSn合金粉的粒度小于200目，更优选的小于300目。
在本发明一些优选的实施例中，所述FeCu合金粉中，Fe和Cu的质量比为9:1～5:5；
和/或；
所述AgCuSn合金粉中，Ag、Cu和Sn的质量比为4～10:50～80:10～46
和/或；
所述CuSn合金粉中，Cu和Sn的质量为9:1～5:5。
本发明所提供的一种青铜基金刚石工具，主要由所述的金属粉末材料制备得到。
本发明所提供的的青铜基金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
将所述金属粉末材料按照比例混合，预先冷压或烧结成型，得到青铜基金刚石工具。
在本发明一些优选的实施例中，所述烧结成型采用热压烧结机、钟罩炉、隧道炉、电阻炉、微波烧结加压或无压烧结进行操作。
在本发明一些优选的实施例中，所述烧结的温度为650～750℃，所述烧结的压力16～30MPa。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
本实施例所提供的金属粉末材料，用于硬质合金的半精磨和精磨了，具体包括以下组分：
FeCu合金粉10份，AgCuSn合金粉30份，CuSn合金粉10份，钴粉30份，镍粉2份，锡粉7份和铜粉11份。
其中FeCu合金粉成分为FeCu20，AgCuSn合金粉成分为Ag5Cu65Sn，CuSn合金粉成分为CuSn20，粒度均为-300目。
金刚石采用MBD系列金刚石，金刚石浓度为100％，即金刚石的体积占胎体工作层体积的1/4时，其中，200/230目占比30％，230/270目占比70％。
按照成分配比混合金属粉末，在三维混料机中混合均匀。在热压烧结机中进行压制烧结，热压温度680℃，压力20MPa，保温保压时间3min，测得胎体硬度洛氏硬度HRB达到103～105，三点抗弯强度945MPa。采用该配方研制的青铜基金刚石砂轮磨削Φ160mm的YG硬质合金圆饼，工件速度1.2m/min，砂轮进给速度0.8mm/min，平面磨削性能对比见表1。采用本发明制作的青铜基金刚石工具磨削YG硬质合金圆饼相对现用金属基金刚石砂轮单件加工效率相对10％，修整前加工件数提高33.3％，修整前砂轮失重减少40％。
表1磨削硬质合金圆饼性能对比数据
该实施例所制备得到的青铜基金刚石砂轮磨削表面微观形貌见图1，并且在该青铜基金刚石砂轮轮表面可观察到明显的疏松组织，对疏松区域做面扫面结果见图2。对其成分分析见表2。
表2成分分析结果
实施例2
本实施例所提供的金属粉末材料，用于硬质合金的高效磨削，具体包括以下组分：
FeCu合金粉15份，AgCuSn合金粉20份，CuSn合金粉10份，钴粉20份，镍粉1份，锡粉5份，氧化铝空心球1.6份和铜粉27.4份。
其中，FeCu合金粉成分为FeCu20，AgCuSn合金粉成分为Ag10Cu70Sn，CuSn合金粉成分为CuSn50，粒度均为-300目。
金刚石采用MBD系列金刚石，金刚石浓度为100％，其中50/60目占比40％，70/80目占比30％，80/100目占比30％。
氧化铝空心球粒度为100目，堆积密度1.13g/cm3。
按照成分配比混合金属粉末，在三维混料机中混合均匀。在热压烧结机中进行压制烧结，热压温度700℃，压力20MPa，保温保压时间3min，测得胎体硬度洛氏硬度HRB达到100～103，三点抗弯强度795MPa。采用该配方研制的青铜基金刚石砂轮磨削Φ160mm的YG硬质合金圆饼，工件速度1.2m/min，砂轮进给速度0.8mm/min，平面磨削性能对比见表3。采用本发明制作的青铜基金刚石工具磨削YG硬质合金圆饼相对现用金属基金刚石砂轮单件加工效率相对28.6％，修整前加工件数提高31.8％，修整前砂轮失重减少46％。
表3磨削硬质合金圆饼性能对比数据
该实施例所制备得到的青铜基金刚石砂轮磨削表面微观形貌见图3，
实施例3
本实施例所提供的金属粉末材料，用于硬质合金的快速精密磨削，具体包括以下组分：
类球形FeCu合金粉10份，AgCuSn合金粉40份，CuSn合金粉20份，钴粉15份，镍粉1份，锡粉3份和铜粉11份。
其中，FeCu合金粉成分为FeCu30，AgCuSn合金粉成分为Ag7Cu67Sn，CuSn合金粉成分为CuSn15，粒度均为-300目。
金刚石采用MBD系列金刚石，金刚石浓度为120％，其中200/230目占比20％，230/270目占比50％，270/325目占比50％。
按照成分配比混合金属粉末，在三维混料机中混合均匀。在钟罩炉中进行压制烧结，烧结温720℃，压力25MPa，烧结时间50min，随炉冷却至室温。测得胎体硬度洛氏硬度HRB达到99～102，三点抗弯强度855MPa。采用该配方研制的青铜基金刚石砂轮磨削加工YT硬质合金钻针，钻针由Φ1.15±0.02mm加工至Φ1.00±0.02mm，加工过程出现断针需要对金刚石砂轮重新修整，修整后砂轮会出现锋利度降低的现象。采用本配方青铜基金刚石砂轮对金刚石钻针磨削件数对比见表4。采用本发明制作的青铜基金刚石工具磨削YT硬质合金钻针相对现有金属基金刚石砂轮开始使用寿命提高14.3％，经过一次修整后使用寿命提高40％。
表4磨削硬质合金钻针性能对比数据
该实施例所制备得到的青铜基金刚石砂轮磨削表面微观形貌见图4，在磨削面观察到明显的蜂窝状疏松粒状组织，有利于排屑和提高砂轮自锐性。对砂轮断口进行电子显微镜观察见图5。在断裂出观察到Fe-(Cu，Sn)粉末颗粒的剥离坑，在反应过程中Fe-(Cu，Sn)颗粒与基体相润湿性差，化学冶金结合能力弱，在断裂过程中整体剥离，由于加工过程中Fe-(Cu，Sn)颗粒受到压缩和剪切力，压缩力促进Fe-(Cu，Sn)颗粒嵌入胎体并逐层磨损，剪切力促进颗粒与胎体剥离，形成疏松孔隙。
实施例4
本实施例所提供的金属粉末材料，用于硬质合金的快速精密磨削，具体包括以下组分：
类球形FeCu合金粉5份，AgCuSn合金粉35份，CuSn合金粉15份，钴粉25份，镍粉2份，锡粉5份和铜粉13份。
其中，FeCu合金粉成分为FeCu30，AgCuSn合金粉成分为Ag7Cu67Sn，CuSn合金粉成分为CuSn15，粒度均为-300目。
金刚石采用MBD系列金刚石，金刚石浓度为160％，其中200/230目占比40％，230/270目占比40％，270/325目占比80％。
氧化铝空心球粒度为200目，堆积密度1.33g/cm3。
按照成分配比混合金属粉末，在三维混料机中混合均匀。在钟罩炉中进行压制烧结，烧结温700℃，压力25MPa，烧结时间60min，随炉冷却至室温。测得胎体硬度洛氏硬度HRB达到95～99，三点抗弯强度827MPa。采用该配方研制的青铜基金刚石砂轮磨削加工YT硬质合金钻针，钻针由Φ1.15±0.02mm加工至Φ1.00±0.02mm，加工过程出现断针需要对金刚石砂轮重新修整，修整后砂轮会出现锋利度降低的现象。采用本配方青铜基金刚石砂轮对金刚石钻针磨削件数对比见表5。采用本发明制作的青铜基金刚石工具磨削YT硬质合金钻针相对现有金属基金刚石砂轮开始使用寿命提高35.7％，经过一次修整后使用寿命提高60％。
表5磨削硬质合金钻针性能对比数据
该实施例所制备得到的青铜基金刚石砂轮磨削表面微观形貌见图6。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，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；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，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；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
