一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料及制备方法和应用

1.本发明属于金刚石复合材料的制备技术领域，特别涉及一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着航空航天、光伏、通信等高端领域的快速发展，大量硬脆材料如硬质合金、半导体、尤其是先进陶瓷等新型材料被广泛的应用，其相应的难加工特征也对加工工具的设计提出了更高的要求。采用金属结合金刚石磨粒制备的超硬磨具，因结合强度高、成形性好、使用寿命长被广泛地应用在硬脆材料的磨削加工中(文献metals,8(5)(2018):307)，其中金属结合剂的性能对金刚石工具的寿命和磨削效率有着重要的影响。
3.目前金属结合剂主要以co基、fe基、cu基、ni基等结合剂为主。但传统的单一组元合金具有易形成复杂金属间化合物等有害产物，难以保持组织性能稳定性的问题，其强度、耐磨性、和耐高温性等难以满足硬脆材料高效磨削加工的要求。高熵合金是一种具有简单结构的多组元新型合金，高熵合金用做超硬磨具的结合剂既可以简化组分又能具有多种元素的固溶强化，具有强度高、耐磨，耐高温及配方调整宽度大的特点。
4.近年来，高熵合金-金刚石复合材料已有相关的研究报道。如燕山大学的李建敏将具有体心立方(bcc)主相的cuznfetial和cucrfenial高熵合金粉末与金刚石混合制备金刚石的复合材料，对应的抗弯强度最高为560mpa和668.35mpa(李建敏.高熵合金结合剂超硬磨具材料的制备及性能研究[d].燕山大学.2018)。郭洪凯等对同样具有体心立(bcc)主相的al
1.5
conifecuznmny
0.1
和al
1.5
conifecuzny
0.1
高熵合金与金刚石混合进行普通热压烧结。由于高熵合金与金刚石热膨胀系数的差异以及较差的润湿性，复合材料的抗弯强度分别为316mpa和234mpa(郭洪凯.金刚石工具用高熵合金结合剂的研究[d].燕山大学.2016)。他们都未进行进一步的加工陶瓷材料的磨削测试，并且硬脆的bcc主相高熵合金与硬质的金刚石颗粒结合后，复合材料在制成工具过程中容易发生脆断(黎克楠.超薄砂轮高速动态行为与新型结合剂设计研究[d].燕山大学.2019)。
[0005]
相对于难熔金属主元素和bcc主相的高熵合金，面心立方(fcc)相的fecocrni高熵合金体系具有室温塑性好和断裂韧性高的优势，并可通过添加大原子半径的al、ti、mo等bcc元素置换固溶提高其强度和耐磨性，如中南大学zhang等人采用放电等离子烧结(sps)在不同烧结温度下制备出fe
24.1
co
24.1
cr
24.1
ni
24.1
mo
3.6
高熵合金-金刚石复合材料，并应用于加工si3n4超硬陶瓷，他们发现950℃烧结的复合材料的粘结相由fcc主相和富铬的bcc相组成，在界面结构处c的间隙强化效应等使材料表现出了优异的力学性能：硬度为630hv，横向断裂强度为1310mpa，比目前已有的金刚石复合材料要高出1.5-2倍(文献international journal of refractory metals and hard materials,86(2019):105109)。不过mo在fecocrni高熵合金中固溶有限，如wang等人在采用气雾化和sps制备的fecocrnimo
0.2
中发现了富cr和mo的σ相从亚稳的fcc基体中析出(文献materials science&engineering a,
689(2017):233-242)。zhang等人采用机械合金化和sps制备fe
24.1
co
24.1
cr
24.1
ni
24.1
mo
3.6
(fecocrnimo
0.15
)-金刚石的复合材料中，由于富cr相和富mo相等偏析σ相的产生，复合材料的磨损性能和抗折强度下降，磨损率增大。(文献entropy,20(12)(2018):924)。所以若能避免mo等掺杂元素自身引起的如σ相沉淀加剧的现象，引入其他固溶度更高的元素，在保持单一面心立方型高熵合金本身的优势下提高合金的性能，对提高复合材料的性能以及对si3n4等陶瓷的磨削效率会有着积极的效果。
[0006]
硼元素作为理想的掺杂剂可以显著改善传统合金和高熵合金的机械性能。如文献acta metall,33(2)(1985):213-229公开了通过向ni3al中添加硼，屈服强度可以每原子百分比增加242-387mpa，其延展性也可以显著提高。文献rare met.mater.eng,44(6)(2015):1418-1422研究了不同硼含量对fecocrnib hea涂层微观结构、硬度和耐磨性的影响。结果表明，硼的加入显著提高了硬度和耐磨性。文献rare met.mater.eng.46(9)(2017):2639-2644公开了当硼的摩尔含量低于0.25时，fecrnicomnb
0.25
由单一fcc相组成。
[0007]
但是将硼元素作为掺杂剂应用到高熵合金-金刚石复合材料还存在需要解决的工艺问题。目前制备含硼高熵合金的研究大多数采用电弧熔炼和激光熔覆的方法，将b以硼铁粉的形式加入，如文献(金属热处理doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2016.09.018)中硼铁粉各元素的质量分数为：20％ b，0.5％c，4.0％ si，0.2％ p，0.5％ al，余量fe。虽然采用电弧熔炼法制备高熵合金-金刚石复合材料的方法确实具有可行性，如专利cn114561565 b采用电弧熔炼法制备了含有ti、zr、hf、nb、ta、w、mo七种难熔金属元素中四、五或六种任意元素的金刚石颗粒增强高熵合金复合材料。但这种以硼铁粉掺入硼的方法引入了c、si、p等杂质元素，并且熔炼过程的能量消耗很大，熔炼制备出的铸态合金晶粒尺寸大，内部成分偏析严重，空隙以及缩孔等缺陷较多，这也影响了铸态合金的性能，对于制备具有高效磨削性能的复合材料并不合适。
[0008]
除了电弧熔炼之外，目前更多的是采用粉末冶金法制备高熵合金-金刚石复合材料，如专利cn114134381 b，专利申请号：cn201811116153.7采用雾化法制备了cunicocr和cunifesnti粉体，尽管雾化法制粉具有氧含量低、良好的均匀性和污染少的特点，然而该方法中亦发现粉末的内部存在气孔，所以经过雾化法制备的粉末还需要通过机械球磨的方式来消除雾化缺陷并细化晶粒，进而提高烧结块体的致密性，如文献intermetallics,68(2016):16-22和专利cn107663607b采用气雾化后再机械合金化的方式制备高熵合金粉体。另一方面，对于雾化法，所需的材料必须在雾化之前以铸块的形式准备，再通过感应炉熔炼成合金熔液，这使制备工艺复杂化并提高了工艺的成本，对于掺杂硼元素的合金还是需要以硼铁块的形式加入。与雾化法相比，使用机械球磨制备高熵合金粉体能够避免制备方法对元素原料形式的要求，并缩短粉末合成周期，降低成本，为各种合金以及工具的制备提供了更好的通用性和及时性(文献metals,10(9)(2020):1186)。但由于硼的熔点为2076℃，且晶体硼的活性不高，加入硼元素后，采用机械球磨方法所需要的时间也会相对较长，专利cn112342418b在高熵合金中加入硼后，采用的球磨时间和方法为先以150r/min的转速球磨8h，再以300r/min的转速球磨60-65h。


技术实现要素：

[0009]
为了解决上述现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高效
磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，由于硼元素在合金中的相对较高的固溶度以及产生的间隙强化合金与置换固溶体相比强韧性综合性能更高，提出了将硼掺杂高熵合金应用于金刚石工具的制作，以弥补现有高熵合金结合剂掺杂大原子半径金属元素强化带来的脆性迅速升高和偏析相容易生成的缺陷。
[0010]
本发明的另一目的在于提供一种上述高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的制备方法；本发明的金属基首选用fecocrni-b
x
系多组元合金，为了减少制备方法对元素配比的影响，降低工艺成本和缩短制造周期，选取活性更高的非晶硼粉作为原料，通过机械合金化法制备含硼高熵合金粉末，与金刚石微粉均匀混合后，采用具有升温速率快、低温烧结、烧结时间短等优点的放电等离子烧结(sps)方法致密化制备复合材料，提高了结合剂的性能和金刚石/基体界面结合强度，此外本发明可通过在机械合金化阶段通过控制加入非晶硼粉的质量，精确调整b含量，通过间隙强化作用优化复合材料的摩擦磨损性能，进而提高所制备超硬复合材料的加工效率和使用寿命。
[0011]
本发明的再一目的在于提供上述高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的应用，可用于加工如si3n4、zro2陶瓷等硬脆材料，为金刚石复合材料结合剂性能的强化和组元选择及设计上提供一种新思路。
[0012]
本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0013]
一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，该复合材料是由75-95vol.％的含硼高熵合金粘结相粉末和5-25vol.％的金刚石磨粒组成。
[0014]
优选的，该复合材料是由80-90vol.％的含硼高熵合金粘结相粉末和10-20vol％的金刚石磨粒组成。
[0015]
所述含硼高熵合金粘结相粉末由以下原子比的粉末原料制备而成：fe、co、cr、ni、b的原子比为(20-30)：(20-30)：(20-30)：(20-30)：(1-10)的铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉。
[0016]
作为优选方案，所述含硼高熵合金粘结相粉末由以下原子比的粉末原料制备而成：fe、co、cr、ni、b的原子比为1：1：1：1：x的铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉，其中0＜x≤0.3。
[0017]
优选的，所述铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉的纯度均≥99.9％，粒径为10-75μm。
[0018]
所述金刚石磨粒的粒度为45-300μm；所述金刚石磨粒包括未镀覆金刚石、镀钨金刚石和镀钛金刚石中的至少一种。
[0019]
所述复合材料的尺寸范围为直径0mm＜d≤100mm，厚0＜h≤20mm。
[0020]
使用所述复合材料加工直径为5mm的氮化硅小球，氮化硅小球被加工磨损直径大于3mm；采用氮化硅陶瓷作为对偶球，并采用球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对所述复合材料进行摩擦磨损测试，加载载荷为1000g，磨损半径为5mm，转速为1000r/min，测试时间为30min，测得所述复合材料的摩擦系数低于0.15。
[0021]
上述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0022]
(1)将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉混料放入硬质合金碳化钨球磨罐中，在全方位行星式球磨机上进行球磨，球磨时间为10-50h，球料比为4-10:1，转速为200-1400r/
min，过200目筛，得到含硼高熵合金粘结相粉末；
[0023]
(2)将含硼高熵合金粘结相粉末与金刚石磨粒在混料筒混合20-60min，将混合原料装填入石墨磨具中，并在2-5mpa的压力下预压；
[0024]
(3)进行放电等离子烧结，烧结压力为10-30mpa，烧结温度为850-1000℃，保温时间为300-600s，升温速率为100-150℃/min，得到高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料。
[0025]
步骤(1)中所述球磨是在惰性气体的保护下进行；所得含硼多主元合金粘结相粉末的平均粒径为15-72μm。
[0026]
步骤(3)中所述放电等离子烧结是在氩气气氛下进行烧结，采用的烧结炉炉内气压为15mbar-30mbar。
[0027]
上述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料在制备金刚石工具的工作层用于高效磨削和切削超硬材料中的应用。
[0028]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0029]
(1)本发明将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉混合，采用了机械合金化法制备出含硼高熵合金粉末，并结合金刚石制备含硼高熵合金-金刚石超硬复合材料，整个制备方法简单，制造周期短，可控性高，并且所制备的复合材料具有优异的界面结合、金刚石稳定性。相对比大原子半径元素容易析出σ沉淀相带来的磨削性能下降影响，对高熵合金掺杂等原子比的非金属硼元素够避免添加大原子半径元素带来的沉淀相加剧，提高了金属结合剂的性能，间接提升了复合材料的耐磨性和对陶瓷小球的加工去除率。
[0030]
(2)本发明制备的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料实施例1在摩擦磨损实验中，复合材料的摩擦系数低于0.15，φ5mm si3n4小球的被加工直径为3.048mm，大于在同样制备和测试条件下，对比例1即fecocrnimo
0.15
高熵合金/金刚石复合材料所对应的si3n4小球被加工直径(2.544mm)。结果表明含硼高熵合金结合金刚石复合材料具有更高的磨削效率，可以制备用于磨削和切削金刚石工具的工作层。
[0031]
(3)以下内容是针对一些含硼高熵合金具体的现有技术进行比对：
[0032]
①
文献doi:10.27270/d.cnki.gsxau.2021.000298.公开了b对cocrfeni和crfeni2多组元合金微观组织及力学性能的影响，但是此文献采用熔铸法制备高熵合金块体，原料采用的是硼铁块，与本发明的制备方法，以及原料所采用的单质非晶硼粉不同。
[0033]
②
公开号为cn112342418b的专利申请公开了一种微波烧结制备面心立方型含硼高熵合金及其制备方法，具体是将fe、co、ni、cu、b金属粉末采用机械合金化+微波烧结的处理方式，此专利申请加入的硼相对较多，生成硼化物，而本发明的硼元素作为掺杂剂，在不生成硼化物的情况下主要起到间隙强化的作用；另外此专利申请的创造性点是致密化方式采用微波烧结，相比于熔铸法能使析出硼化物细化。
[0034]
③
公开号为cn110449580b的专利申请公开了一种粉末冶金高强韧性含硼高熵合金材料及其制备方法和应用，具体是将al、fe、ni、co、cr、b和y粉采用机械合金化+超速离心+放电等离子烧结的处理方式，该专利申请的体系是主相为体心立方相(bcc)+硼化物，与本发明不同；并且此专利申请多了对粉末进行超速离心和超声处理的步骤，创造性点是制备方法使析出硼化物相少且无大块偏聚。
[0035]
④
公开号为cn104451351b的专利申请公开了一种添加稀土提高含硼高熵合金强
韧性的方法，具体是在高熵合金中添加摩尔分数0.1～8％的硼元素，并同时联合添加0.1～4％的y或ce等稀土元素，与本发明不同，该专利申请在高熵合金中同时联合添加硼和稀土元素，创造点在于添加稀土元素提高硼在高熵合金中的强化效果，降低粗大硼化物的析出含量和尺寸。
附图说明
[0036]
图1是对比例1含钼高熵合金结合金刚石复合材料和实施例1含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的物相x射线衍射图。
[0037]
图2是对比例1含钼高熵合金结合金刚石复合材料和实施例1含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的扫描电镜图，其中(a)-(b)为对比例1的100倍放大表面；(c)-(b)为实施例1的100倍放大表面。
[0038]
图3是对比例1与实施例1制备的含钼和含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料中结合剂与金刚石界面能谱图。
[0039]
图4是对比例1和实施例1制备的复合材料与直径为5mm、相同质量的si3n4小球在1000g的载荷、摩擦行程5mm下持续30min进行摩擦磨损试验的摩擦系数随滑动时间的变化曲线图。
[0040]
图5是对比例1和实施例1制备的复合材料在摩擦磨损实验过后的磨损表面扫描电镜图；图中复合材料磨损表面：(a)为对比例1的100倍放大表面、(c)为实例1的100倍放大表面。
[0041]
图6是对比例1和实施例1制备的复合材料对应的被加工si3n4小球在摩擦磨损实验过后的磨损表面扫描电镜图。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0043]
实施例1
[0044]
一种含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，以机械合金化和放电等离子烧结的方法，所述含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的原料包括90vol.％的含硼高熵合金粘结相粉末和10vol.％的金刚石粉末。
[0045]
本实施例的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0046]
选取粒度为50-75μm的高纯单质粉末，按原子百分比，将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉末按1:1:1:1:0.15称量放入wc硬质合金球磨罐，对应的球磨介质为wc硬质合金小球，放入qxqm-4全方位行星球磨机中球磨，时间设置为20h，球与合金粉末料质量比为10:1，转速为300r/min，为防止空气对粉末的氧化影响，整个配粉和取粉过程均在充满高纯氩气的手套箱中进行。
[0047]
使用200目的筛网对上述球磨过后的高熵合金粉体进行筛分，然后将高熵合金粉按90vol.％与10vol.％的70/80目镀钨金刚石微粉混合，装填入石墨磨具中，使用油压机在2mpa预压后放入型号为fct-d20的放电等离子烧结机中进行烧结，烧结压力30mpa，烧结温
度950℃、保温时间480s、升温速率保持100℃/min，烧结过程中炉内氩气气压设定为30mbar，最终获得直径为30mm的含硼高熵合金(fecocrnib
0.15
)结合金刚石超硬复合材料。使用金刚石磨盘和碳化硅砂纸对所得复合材料块体进行抛光与最后的金刚石出刃。
[0048]
本实施例制备的含硼高熵合金(fecocrnib
0.15
)结合金刚石超硬复合材料主要由面心立方相(fcc)和金刚石相组成，如图1所示。
[0049]
根据图2电镜扫描所展示的显微组织，可以看出金刚石形状保持完整，并未发生脱落现象。并且从图3结合剂与金刚石界面能谱图可以看出，本实例结合剂胎体与金刚石结合紧密，说明金刚石和胎体的优异的结合界面，并且烧结过后金刚石未发生石墨化。
[0050]
采用氮化硅陶瓷作为对偶球，采用型号为ht-1000的球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对含硼高熵合金(fecocrnib
0.15
)结合金刚石超硬复合材料进行摩擦磨损测试，加载载荷选为1000g；磨损半径为5mm；转速为1000r/min。
[0051]
如图4所示，测试本实施例制备的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的摩擦系数为0.137，本实例制备的复合材料在测试过程中跑和阶段约为7分钟，随后由于金刚石磨粒保持相对完整，并且保持露出的状态，所以到结束前复合材料对氮化硅小球表面进行持续磨削，摩擦系数保持有上升的趋势。
[0052]
摩擦测试后，从图5和图6可以看出高熵合金基体轻微磨损，被加工si3n4小球的磨损直径为3.048mm，说明本发明的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的胎体材料具有优异的磨削性能，相同条件下对比钼掺杂高熵合金结合剂金刚石复合材料具有更高的磨削效率。
[0053]
实施例2
[0054]
为了进一步体现掺硼的实施例1与掺钼的对比例1两者复合材料的结合剂性能区别，本发明制备了不加金刚石颗粒的含硼高熵合金结合剂块体并测试其摩擦磨损性能，实施例2为实施例1的含硼高熵合金结合剂。
[0055]
本实施例的含硼高熵合金结合剂块体(即fecocrnib
0.15
高熵合金块体)的制备方法，包括以下步骤：
[0056]
选取粒度为50-75μm的高纯单质粉末，按原子百分比，将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉末按1:1:1:1:0.15称量放入wc硬质合金球磨罐，对应的球磨介质为wc硬质合金小球，放入qxqm-4全方位行星球磨机中球磨，时间设置为20h，球与合金粉末料质量比为10:1，转速为300r/min，为防止空气对粉末的氧化影响，整个配粉和取粉过程均在充满高纯氩气的手套箱中进行。
[0057]
使用200目的筛网对上述球磨过后的高熵合金粉体进行筛分，将高熵合金粉装填入石墨磨具中，使用油压机在2mpa预压后放入型号为fct-d20的放电等离子烧结机中进行烧结，烧结压力30mpa，烧结温度950℃、保温时间480s、升温速率保持100℃/min，烧结过程中炉内氩气气压设定为30mbar，最终获得直径为20mm的fecocrnib
0.15
高熵合金块体。
[0058]
采用氮化硅陶瓷作为对偶球，采用型号为ht-1000的球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对所得fecocrnib
0.15
高熵合金块体进行摩擦磨损测试，加载载荷选为1000g；磨损半径为5mm；转速为300r/min。
[0059]
测试本实施例制备的fecocrnib
0.15
高熵合金块体的摩擦系数为0.793，磨痕深度为16.924μm，明显小于fecocrnimo
0.15
的27.814μm磨痕深度，说明本发明的高熵合金材料本
身具有更好的磨削性能。
[0060]
对比例1
[0061]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于采用大原子半径的mo元素掺杂高熵合金结合剂，包括下述工艺步骤：
[0062]
选取粒度为50-75μm的高纯单质粉末，按原子百分比，将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和钼等单质粉末按1:1:1:1:0.15称量放入wc硬质合金球磨罐，对应的球磨介质为wc硬质合金小球，放入qxqm-4全方位行星球磨机中球磨，时间设置为20h，球与合金粉末料质量比为10:1，转速为300r/min，为防止空气对粉末的氧化影响，整个配粉和取粉过程均在充满高纯氩气的手套箱中进行。
[0063]
使用200目的筛网对上述球磨过后的高熵合金粉体进行筛分，然后将高熵合金粉按90vol.％与10vol.％的70/80目镀钨金刚石微粉混合，装填入石墨磨具中，使用油压机在2mpa预压后放入型号为fct-d20的放电等离子烧结机中进行烧结，烧结压力30mpa，烧结温度950℃、保温时间480s、升温速率保持100℃/min，烧结过程中炉内氩气气压设定为30mbar，最终获得直径为30mm的含钼高熵合金(fecocrnimo
0.15
)结合金刚石复合材料。使用金刚石磨盘和碳化硅砂纸对复合材料块体进行抛光与最后的金刚石出刃。
[0064]
采用氮化硅陶瓷作为对偶球，采用型号为ht-1000的球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对含钼高熵合金(fecocrnimo
0.15
)结合金刚石复合材料块体进行摩擦磨损测试，加载载荷选为1000g；磨损半径为5mm；转速为1000r/min。
[0065]
如图1所示，本对比例制备的含钼高熵合金(fecocrnimo
0.15
)结合金刚石复合材料主要由面心立方相(fcc)和金刚石相组成，此外还有一些来源于掺杂mo后析出的σ沉淀相。从图2可看出烧结过后本对比例的金刚石形状保持完整，并未发生脱落现象。
[0066]
如图4所示，测试本对比例1制备的含钼高熵合金(fecocrnimo
0.15
)结合金刚石复合材料的摩擦系数为0.099，跑和阶段大约为4分钟，并到第15分钟时摩擦系数有小幅的上升，随后摩擦系数在结束前保持稳定状态。从图5和图6可以看出摩擦测试后，高熵合金基体发生较为明显的磨损，并且磨削后金刚石发生破碎，部分破碎的金刚石磨粒嵌入进基体中，被加工si3n4小球的磨损直径为2.544mm。
[0067]
对比例2
[0068]
为对比例1的含钼高熵合金结合剂，其他条件和实施例2一致，不同之处在于采用掺杂mo的高熵合金结合剂，包括下述工艺步骤：
[0069]
选取粒度为50-75μm的高纯单质粉末，按原子百分比，将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和钼等单质粉末按1:1:1:1:0.15称量放入wc硬质合金球磨罐，对应的球磨介质为wc硬质合金小球，放入qxqm-4全方位行星球磨机中球磨，时间设置为20h，球与合金粉末料质量比为10:1，转速为300r/min，为防止空气对粉末的氧化影响，整个配粉和取粉过程均在充满高纯氩气的手套箱中进行。
[0070]
使用200目的筛网对上述球磨过后的高熵合金粉体进行筛分，将高熵合金粉装填入石墨磨具中，使用油压机在2mpa预压后放入型号为fct-d20的放电等离子烧结机中进行烧结，烧结压力30mpa，烧结温度950℃、保温时间480s、升温速率保持100℃/min，烧结过程中炉内氩气气压设定为30mbar，最终获得直径为20mm的含钼高熵合金结合剂块体(即fecocrni mo
0.15
高熵合金块体)。
[0071]
采用氮化硅陶瓷作为对偶球，采用型号为ht-1000的球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对fecocrnimo
0.15
高熵合金块体进行摩擦磨损测试，加载载荷选为1000g；磨损半径为5mm；转速为300r/min。
[0072]
测试本对比例制备的fecocrni mo
0.15
高熵合金块体的摩擦系数为0.824，磨痕深度为27.814μm。
[0073]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：该复合材料是由75-95vol.％的含硼高熵合金粘结相粉末和5-25vol.％的金刚石磨粒组成。2.根据权利要求1所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：所述含硼高熵合金粘结相粉末由以下原子比的粉末原料制备而成：fe、co、cr、ni、b的原子比为(20-30)：(20-30)：(20-30)：(20-30)：(1-10)的铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉。3.根据权利要求2所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：所述含硼高熵合金粘结相粉末由以下原子比的粉末原料制备而成：fe、co、cr、ni、b的原子比为1：1：1：1：x的铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉，其中0＜x≤0.3；所述铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉的纯度均≥99.9％，粒径为10-75μm。4.根据权利要求1所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：所述金刚石磨粒的粒度为45-300μm；所述金刚石磨粒包括未镀覆金刚石、镀钨金刚石和镀钛金刚石中的至少一种。5.根据权利要求1所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：所述复合材料的尺寸范围为直径0mm＜d≤100mm，厚0＜h≤20mm。6.根据权利要求1所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料，其特征在于：使用所述复合材料加工直径为5mm的氮化硅小球，氮化硅小球被加工磨损直径大于3mm；采用氮化硅陶瓷作为对偶球，并采用球盘式摩擦磨损试验仪在干燥空气中对所述复合材料进行摩擦磨损测试，加载载荷为1000g，磨损半径为5mm，转速为1000r/min，测试时间为30min，测得所述复合材料的摩擦系数低于0.15。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和非晶硼粉混料放入硬质合金碳化钨球磨罐中，在全方位行星式球磨机上进行球磨，球磨时间为10-50h，球料比为4-10:1，转速为200-1400r/min，过200目筛，得到含硼高熵合金粘结相粉末；(2)将含硼高熵合金粘结相粉末与金刚石磨粒在混料筒混合20-60min，将混合原料装填入石墨磨具中，并在2-5mpa的压力下预压；(3)进行放电等离子烧结，烧结压力为10-30mpa，烧结温度为850-1000℃，保温时间为300-600s，升温速率为100-150℃/min，得到高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述球磨是在惰性气体的保护下进行；所得含硼高熵合金粘结相粉末的平均粒径为15-72μm。9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述放电等离子烧结是在氩气气氛下进行烧结，采用的烧结炉炉内气压为15mbar-30mbar。10.根据权利要求1-6任一项所述的一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石超硬复合材料在制备金刚石工具的工作层用于高效磨削和切削超硬材料中的应用。

技术总结
本发明属于金刚石复合材料技术领域，公开了一种高效磨削的含硼高熵合金结合金刚石复合材料及制备方法和应用。复合材料由75-95vol.％的含硼高熵合金粘结相和5-25vol.％的金刚石磨粒组成；所用粘结相粉末由铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和用于掺杂的非晶硼粉机械合金化制得。复合材料具有以下优点：本发明采用活性更高的非晶硼粉末作为原料，可缩短制造周期，并精确硼含量，所制备的复合材料具有优异的界面结合和摩擦磨损性能；相对于掺杂大原子半径金属元素，硼掺杂避免了偏析相的加剧，并且硼固溶强化更有效地提高了金刚石复合材料的耐磨性和对陶瓷小球的磨削效率，可用于制备高效加工陶瓷等硬质材料的金刚石刀轮或锯片等工具。等工具。


技术研发人员：龙莹 陈俊鑫 林华泰
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14