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  本发明公开了放电等离子体辅助球磨制备高熵合金及其在金刚石工具上的应用,属于金属结合剂金刚石工具技术领域。按重量份数计,所述金刚石工具原料包括高熵合金结合剂85,90份、磨料10,15份,其中高熵合金结合剂是AlCoCrFeNi、Co25Ni25Fe25Al75Cu175、WNbMoTaV、Al075FeNiCr等中的一种。本发明使用放电等离子体辅助球磨来制备高熵合金粉末,极大地缩短了高熵合金及金刚石工具的制备周期,降低了制备成本,并且制得的高熵合金具有高强度、硬度和良好的耐磨性,对金刚石磨粒包埋效果良好,使得金刚石工具备优秀能力的加工性能。

  1.一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,所述制备方法包括,

  S1,将4种或4种以上的金属粉末通过放电等离子体辅助球磨进行合金化,制备得到高熵合金结合剂粉末,

  S2,将高熵合金结合剂粉末与磨料球磨混合得到磨具制备材料,再经冷压成型和放电等离子体辅助热压烧结后制得金刚石工具。

  2.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,按重量份数计,所述高熵合金结合剂粉末85,90份、磨料10,15份。

  4.根据权利要求1或2所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,所述磨料为未镀覆金刚石、镀W金刚石、镀Ti金刚石中的任意一种或多种,其粒径为25,500目。

  5.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,步骤S1中,所述放电等离子体辅助球磨的转速为200(1400rpm)每球磨20,60min停止5(20min)球磨总时长为3(15h)球料比为(7,20)(1)球磨过程中的放电电流为0(5A)放电电压为1(30kV)放电频率为1,30kHz。

  6.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,步骤S2中,所述球磨的转速为100(250rpm)时间为0.5,5h。

  7.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,所述冷压成型的压力为100,250MPa。

  8.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,所述放电等离子体辅助热压烧结的温度为750,1200℃,时间为5(40min)升温速率为40,80℃/min,烧结压力为20,100MPa。

  9.根据权利要求1所述一种高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法,其特征是,所述放电等离子体辅助球磨在保护气体中进行,所述保护气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的任意一种或多种。

  10.采用权利要求1,9任一项所述的制备方法所制备的高熵合金结合剂金刚石工具。

  [0001]本发明涉及金属结合剂金刚石工具技术领域,特别涉及放电等离子体辅助球磨制备高熵合金及其在金刚石工具上的应用。

  [0002]金属结合剂金刚石工具主要由金刚石与金属结合剂组成,可大范围的应用于陶瓷、玻璃、混凝土等硬度高、脆性大、抗磨损的难加工材料加工中。其中金属结合剂是以金属或合金粉末为主,在制造金刚石工具时用于粘结金刚石磨粒的一种结合剂。然而,随着科学技术的发展和社会的进步,传统合金结合剂已不足以满足社会对于金刚石工具的使用需求。因此,人们尝试在合金中添加不同的元素或改变元素配比,但是这种方法会让合金结构变得复杂从而难以分析,并且产生了大量金属间化合物,并严重恶化合金的性能,限制了合金的发展。直到有研究者提出了多主元合金的理念,才打破了常规合金以一种合金元素为主元的设计理念,多主元合金也因其混乱熵值很高被称为高熵合金(High‑entropyalloys,HEA),高熵合金是由4种或4种以上等摩尔比或近等摩尔比的元素组成的合金,并且因为多主元而体现出高熵效应、晶格畸变效应、“鸡尾酒”效应,从而使得高熵合金能形成简单的固溶体结构,而不是脆性的金属间化合物,同时有利于纳米相或非晶相的形成,拥有独特的微观组织,使得高熵合金相比传统合金具有更为优异的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、抗高温软化和低温脆化性能,从而与磨料配合能制备出性能更优异的金刚石工具。

  [0003]目前,制备高熵合金的方法主要有熔炼法和机械合金化法,其中熔炼法过程较复杂,对合金的尺寸和形状有一定的限制,而且很难控制高熵合金的组织和性能,而机械合金化法虽能实现室温条件下的合金化过程,且产量高,颗粒均匀细小,性能优异,大幅缩减了合金化进程,避免了耗能大,污染多的问题,但是制备时间仍然长达几十小时,造成高熵合金及制备的金刚石工具价格高昂。因此,如果能缩短高熵合金的制备周期,则有利于高熵合金在金刚石工具中的应用。

  [0004]为解决现存技术制备高熵合金耗时长的问题,本发明利用放电等离子体辅助球磨技术制备高熵合金,有效缩短了高熵合金制备周期,而且将高熵合金作为结合剂与磨料球磨混合,经冷压成型和放电等离子体辅助热压烧结后可以制得性能优异的金刚石工具,极大缩短了制备周期和成本。

  [0007]S1,将4种或4种以上的金属粉末通过放电等离子体辅助球磨进行合金化,制备得到高熵合金结合剂粉末,

  [0008]S2,将高熵合金结合剂粉末与磨料球磨混合得到磨具制备材料,再经冷压成型和

  [0009]在其中一些实施例中,按重量份数计,所述高熵合金结合剂粉末85,90份、磨料10,15份。

  [001 1] 在其中一些实施例中,所述磨料为未镀覆金刚石、镀W金刚石、镀Ti金刚石中的任意一种或多种,其粒径为25,500目。

  [0014] 在其中一些实施例中,所述冷压成型的压力为100,250MPa。

  [0016] 在其中一些实施例中,所述放电等离子体辅助球磨在保护气体中进行,所述保护气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的任意一种或多种。加入保护气体是为避免金属粉末在球磨过程中发生氧化反应。

  [0017] 在其中一些实施例中,采用所述高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法所制备的高熵合金结合剂金刚石工具。

  [0019] 本发明利用放电等离子体辅助球磨技术对金属粉末进行合金化得到高熵合金,将高熵合金作为结合剂与磨料球磨混合,经冷压成型、放电等离子体辅助热压烧结后得到金刚石工具。本发明的制备方法不仅极大地缩短了高熵合金及金刚石工具的制备周期,降低了制备成本,丰富了高熵合金种类,制得的高熵合金相比传统合金还具有高强度、硬度和良好的耐磨性,对金刚石磨粒包埋效果良好,使得金刚石工具备优秀能力的加工性能。

  [0020] 为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施方式中所需要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,还能够准确的通过这些附图获得其他的附图。

  [0022] 图2是在不同放电等离子体辅助球磨时间下AlCoCrFeNi粉末的合金化XRD图谱,

  [0023] 图3是磨削蓝宝石后AlCoCrFeNi高熵合金结合剂金刚石工具的微观形貌图,

  [0024] 图4是蓝宝石被AlCoCrFeNi高熵合金结合剂金刚石工具磨削后的微观形貌图。

  [0026] 1、高频电源,2、金属电极,3、介质阻挡层,4、金属磨球,5、球磨罐,6、低温放电等离子体,7、粉末,8、底座。

  [0027] 下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。在此需要说明的是,对这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规说法。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明,均为可通过常规的商业途径购买得到。

  [0029] 如图1所示,放电等离子体辅助球磨机包括高频电源1、金属电极2、介质阻挡层3、金属磨球4、球磨罐5、低温放电等离子体6、粉末7、底座8。把所述球磨罐5和金属电极2分别接上高频电源1的两极,形成一个电极整体,并在球磨罐5和金属电极2之间充满工作气体,利用介质阻挡放电作为等离子体,将介质阻挡层3覆盖在球磨罐5内的金属电极2上,再对球磨罐5和金属电极2之间施加高频高压交流电,根据放电负载来调节高频电源1的放电参数,在球磨罐5内激发气体产生低温放电等离子体6,并随着球磨机的振动频率或转速的变化,从而改变金属电极2与金属磨球4的相对位置,进行辉光放电的等离子体辅助球磨。

  [0031] 1、将原料单质粉末铝粉(Al) 、钴粉(Co) 、铬粉(Cr) 、铁粉(Fe) 、镍粉(Ni)在氩气下按1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1的原子比称重,置入不锈钢球磨罐中,于转速为1000rpm的放电等离子体辅助球磨机上进行合金化,球料比为15( 1 )每球磨40min停转15min,球磨总时长为6h,球磨时的放电电流为2A,放电电压为20kV,放电频率为20kHz,得到AlCoCrFeNi高熵合金粉末。

  [0032] 2、取88份粒径为50μm的步骤1制得的AlCoCrFeNi高熵合金粉末和12份粒径为60目的镀Ti金刚石磨料放入球磨罐中,在转速为150rpm的行星球磨机上球磨1h后获得磨具制备材料,再将磨具制备材料放入冷压磨具冷压成型,得到压坯致密度为58,的坯体,冷压压力为220MPa。原料总体积不超过球磨罐体积的2/3,球磨过程中不需用金属磨球,避免金属磨球将金刚石破碎掉。

  [0033] 3、将步骤2制得的坯体进行放电等离子体辅助热压烧结,以55℃/min的升温速度将坯体加热到1000℃,保温10min,随炉冷却后得到金刚石磨头。烧结后结合剂中没有生成明显的气孔和裂纹,致密化程度高。

  [0035] 制备原理同实施例1 ,所述高熵合金结合剂金刚石工具的制备方法具体包括以下步骤,

  1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1的原子比称重,置入不锈钢球磨罐中,于转速为1200rpm的放电等离子体辅助球磨机上进行合金化,球料比为16( 1 )每球磨50min后停转10min,球磨总时长为7h,球磨时的放电电流为2.5A,放电电压为25kV,放电频率为20kHz,得到WNbMoTaV高熵合金粉末。

  [0037] 2、取86份粒径为40μm的步骤1制得的WNbMoTaV高熵合金粉末和14份粒径为50目的镀W金刚石磨料放入球磨罐中,在转速为120rpm的行星球磨机上球磨1h后获得磨具制备材料,再将磨具制备材料放入冷压磨具冷压成型,得到压坯致密度为54,的坯体,冷压压力为220MPa。原料总体积不超过球磨罐体积的2/3,球磨过程中不需用金属磨球,避免金属磨球将金刚石破碎掉。

  [0038] 3、将步骤2制得的坯体进行放电等离子体辅助热压烧结,以60℃/min的升温速度将坯体加热到1000℃,保温10min,随炉冷却后得到金刚石磨头。烧结后结合剂中没有生成明显的气孔和裂纹,致密化程度高。

  [0041] 1、将原料单质粉末钴粉(Co) 、镍粉(Ni) 、铁粉(Fe) 、铝粉(Al) 、铜粉(Cu)在氩气下按25(25)25,7.5, 17.5的原子比称重,置入不锈钢球磨罐中,于转速为1000rpm的放电等离子体辅助球磨机上进行合金化,球料比为15( 1 )每球磨40min后停转15min,球磨总时长为

  [0042] 2、取88份粒径为10μm的步骤1制得的Co25Ni25Fe25Al7 5Cu17 5高熵合金粉末与12份粒径为70目的原始金刚石放入球磨罐中,在转速为150rpm的行星球磨机上球磨0.5h后获得磨具制备材料,再将磨具制备材料放入冷压磨具冷压成型,得到压坯致密度为55,的坯体,冷压压力为200MPa。原料总体积不超过球磨罐体积的2/3,球磨过程中不需用金属磨球,避免金属磨球将金刚石破碎掉。

  [0043] 3、将步骤2制得的坯体进行放电等离子体辅助热压烧结,以55℃/min的升温速度将坯体加热到1050℃,保温15min,随炉冷却后得到金刚石磨头。烧结后结合剂中没有生成明显的气孔和裂纹,致密化程度高。

  [0045] 用X射线中在放电等离子体辅助球磨机上球磨总时长分别为0h、2h、4h、6h制得的AlCoCrFeNi高熵合金粉末进行XRD表征。

  [0047] 图2是在不同放电等离子体辅助球磨时间下原料单质粉末的合金化XRD图,由图2可知,当球磨时间为0h时,有很多原始粉末的单质衍射峰,随着球磨时间的延长,单质衍射峰慢慢地减少,而球磨产物中仅剩高熵合金的体心立方(BCC)相衍射峰,说明采用放电等离子体辅助球磨技术能将原料在几小时内合金化成为高熵合金。此外,球磨产物的衍射峰强度减弱且出现宽化,说明AlCoCrFeNi高熵合金粉末开始细化程度较快,但球磨时间继续延长到6h,衍射峰的变化不是很明显,说明AlCoCrFeNi高熵合金粉末细化到某些特定的程度后不会继续减小。实施例2,3制得的WNbMoTaV高熵合金粉末、Co25Ni25Fe25Al7 5Cu17 5高熵合金粉末同样具有与实施例1类似的物相组成状况。

  [0048] 实验例:2,测试高熵合金结合剂金刚石工具的硬度、压缩强度及磨削性能

  [0049] 1、对实施例1,3制得的高熵合金结合剂金刚石工具按照“GB_T 6525‑2019烧结金属材料室温压缩强度的测定”的标准测试压缩强度,再通过洛氏硬度计按照“GB_T 230. 1‑2018金属材料洛氏硬度试验”的标准测试高熵合金结合剂金刚石工具的硬度。测试结果如下表1所示,

  [0053] 由表1所示,实施例1,3制得的高熵合金结合剂金刚石工具的硬度分别为

  [0055] (1)测试高熵合金结合剂金刚石工具的磨削比和蓝宝石的粗糙度,具体包括,将实施例1,3制得的高熵合金结合剂金刚石工具磨削蓝宝石,设置金刚石工具转速为282.6m/min,切深0. 1mm,进给速度为0. 15m/min,用千分高度规分别测量金刚石工具和蓝宝石磨削前后的高度变化,根据公式计算得出磨削比,再利用日本三丰SJ‑310型表面粗糙度仪测试磨削后蓝宝石的粗糙度。磨削比计算公式如下所示,

  [0057] 式中,G为金刚石工具的磨削比,VW1为蓝宝石磨削前的体积(mm3) ,VW2为蓝宝石磨削后的体积(mm3) ,VS1为金刚石工具磨削前的体积(mm3) ,VS2为金刚石工具磨削后的体积(mm3) 。

  [0059] 实施例1制得的高熵合金结合剂金刚石工具磨削蓝宝石,测得磨削比为2750,表面粗糙度(Ra)为0. 1μm,实施例2制得的高熵合金结合剂金刚石工具磨削蓝宝石,测得磨削比为2350,表面粗糙度(Ra)为0.08μm,实施例3制得的高熵合金结合剂金刚石工具磨削蓝宝石,测得磨削比为1910,表面粗糙度(Ra)为0. 15μm。

  [0060] (2)使用SU8220扫描电子显微镜观察磨削后的金刚石工具的微观形貌,再用日立S3400N扫描电镜观察磨削后的蓝宝石的微观形貌。

  [0062] 图3和图4分别是磨削后实施例1制得的高熵合金结合剂金刚石工具、蓝宝石的微观形貌图,如图3所示,磨削后实施例1制得的金刚石工具未发现脱落,说明高熵合金结合剂对金刚石拥有非常良好的把持力,实施例2,3制得的金刚石工具的微观形貌与实施例1类似,只有实施例2制得的金刚石工具在磨削蓝宝石后发生了轻微破碎,但未发现脱落,依然说明实施例2,3制得到的高熵合金结合剂对金刚石拥有非常良好的把持力。如图4所示,被实施例1的金刚石工具磨削后的蓝宝石主要以脆性去除和塑性去除的方式被磨除,具有较高的表面上的质量,实施例2,3的金刚石工具磨削后的蓝宝石微观形貌与图4类似,均具有较高的表面质量。

  [0063] 综上所述,本发明开创性地利用放电等离子体辅助球磨制备了多种力学性能优异的高熵合金结合剂,极大地缩短了制备时间,同时该结合剂具有高强度、硬度和良好的耐磨性,对金刚石磨粒包埋效果良好,适用于超硬材料。因此,将高熵合金结合剂与磨料混合后可以制得具备优秀能力加工性能的金刚石工具,硬度为98.4HRB,108.4HRB,压缩强度达到了2808MPa(3500MPa)金刚石工具对硬脆材料具备良好的加工能力,用来磨削蓝宝石,其磨削

  [0064] 以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还能做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。