CN101838838A - 一种复合金刚石线锯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合金刚石线锯的制备方法，包括：1、取粒度为5～45μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉与混合金刚石微粉，按比例均匀混合；2、将1所得产物加热并通入过水氢气；形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；3、以添加了表面金属化混合金刚石微粉的电镀镍瓦特溶液为电镀液，钢丝绳为阴极，对钢丝绳表面进行金属化金刚石和基体镍的复合电镀，即制得本发明复合金刚石线锯。本发明这种工艺方法简单，操作容易，制备的产物兼备良好的开刃性能，优异的耐磨抗压性能，加工速率快，寿命长，金刚石线锯利用率高，切面平整度和光洁度高，适于工业化生产，所制备的产物特别适于对宝石类高价值物质的高效率、高质量、高性价比的切削加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石线锯的制备方法，具体是指一种利用经过表面金属化处理的原生金刚石和破碎金刚石混合电镀制备复合金刚石线锯的制备方法。属于表面沉积金属及表面电化学镀技术领域。
背景技术
蓝宝石是一种典型的硬脆材料，具有高硬度(莫氏硬度高达9.2)、高脆性、高耐磨性、高抗蚀性、高抗氧化性、高电阻率、耐高温、不导磁等性能。LED(发光二极管)由于具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优异性能，在显示屏、路灯照明等方面被应用，并被认为具有广泛的发展前景。蓝宝石作为基片材料在LED中使用，在生产应用中对其加工技术提出了更高要求。切割加工是蓝宝石基片加工的关键工序，其主要工艺要求为：高效率、低成本、窄切缝(材料利用率高)、无损伤、无环境污染等。受蓝宝石特性的限制，可供选用的切割方法主要有金刚石锯片切割、金刚石树脂线、激光束切割、高压水射流切割、金刚石线锯切割等。这些切割方法各具优点，也各有其局限性，如金刚石锯片切割一般不能切割曲线，且切缝较宽，出材率较低，不适于对贵重材料进行精密切割。激光束切割的适用范围较广，但切割深度有限；若采用大功率激光器，则激光与工件间产生的高温等离子体会明显降低加工效率，增加熔融物的排出难度，且设备投资费用昂贵。
金刚石线锯是用电镀的方法在金属丝(线)(基体)上沉积一层金属(一般为镍及镍钴合金)，并在沉积的金属层固结金刚石颗粒磨料制成的一种线性超硬材料工具。金属镀层是结合剂，金刚石磨料用于切削加工。电镀金刚石线根据需要可制成不同的直径和长度；线可以装在不同的设备上形成不同的加工方式，如往复循环(锯架)式、高速带锯式、线切割式等。对硬脆材料的加工，金刚石线不仅可以切割薄片，也可加工曲面，更可以用于小孔的研修，其应用前景十分广阔。
当前，金刚石线锯存在的问题主要是，制备时采用金刚石颗粒，由于金刚石为非导电体，电镀基体镍的上砂过程是通过钢丝线对金刚石颗粒吸附完成，金刚石分布不均匀，同时金刚石进行电镀出现严重团聚现象，导致线尺寸不均匀；金刚石发生团聚会引起切割过程中金刚石难以开刃，导致切割效率低下；团聚发生的同时伴随电镀时镀层对团聚金刚石把持力的下降，使金刚石线的使用寿命降低；金刚石颗粒与电镀镍层仅为机械结合，结合力弱。目前，制备电镀金刚石线锯采用的是单种金刚石微粉，难以满足开刃和耐磨、抗破损的综合性能要求。
发明内容
本发明旨在提供一种工艺方法简单，操作容易，制备的产物兼备良好的开刃性能，优异的耐磨抗压性能，加工速率快，寿命长，金刚石线锯利用率高，切面平整度和光洁度高的复合金刚石线锯的制备方法。
本发明一种复合金刚石线锯的制备方法，包括以下步骤：
第一步：原料配制
取粒度为5～45μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按质量百分比为：原生金刚石∶破碎金刚石＝(30％～70％)∶(70％～30％)的比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取原子比为：W∶Mo＝1∶1，粒度为45～120μm的氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉，按质量比为：混合粉∶混合金刚石微粉＝(3～7)∶1的比例均匀混合；
第二步：金刚石微粉表面金属化
将第一步所得产物加热至670℃～900℃，通入过水氢气；水将与氧化钨粉和氧化钼粉反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后，被氢气还原成W和Mo金属原子并在金刚石微粉表面共沉积，同时，与金刚石微粉颗粒表面发生反应形成复合钨钼碳化物界面，即形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；
第三步：电镀
以电镀镍瓦特溶液为电镀液，向电镀液中添加占电镀液质量0.1％～1.0％的表面金属化的混合金刚石微粉，使表面金属化的混合金刚石微粉悬浮分散在电镀液中，钢丝绳为阴极，在2.25～7.55V的电场作用下对钢丝绳表面电镀镍；在电镀镍过程的同时表面金属化的混合金刚石微粉作电泳运动镀覆到作为阴极的钢丝绳表面；即制得本发明复合金刚石线锯。
本发明第二步中，所述加热采用管式加热炉。
本发明中，所述电镀镍的厚度为混合金刚石微粉中位径的2/3。
本发明中，所述钢丝绳线径为0.10～1.50mm。
本发明由于采用上述工艺方法，采用经过钨钼共沉积表面金属化处理后的原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉按比例混合的金刚石微粉作为原料，通过电场作用下，电镀镍过程的同时表面金属化的混合金刚石微粉作电泳运动镀覆到作为阴极的钢丝绳表面，对钢丝绳表面进行金属化金刚石和基体镍的复合电镀，与现有技术相比，具有以下优点：
1、可以根据被加工材料性能、被加工件尺寸和加工设备等，选用不同粒径的原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉的混合料作为原料，选择合适直径的钢丝绳，电镀镍过程的同时表面金属化的混合金刚石微粉作电泳运动镀覆到作为阴极的钢丝绳表面，基于W(Mo)-Ni相容性形成的优异冶金结合界面，制备出的金刚石线锯具有把持能力大，开刃性好，切割能力强等优点。
2、可以方便的控制镀镍层厚度在金刚石微粉中位径的2/3，一方面保证镀镍层对金刚石微粉颗粒具有牢固的把持能力，另一方面，保证金刚石微粉颗粒具有足够的露出，保证金刚石线具有良好的开刃性和切割能力。
3、采用不同类型的金刚石颗粒均匀地镀覆在电镀镍基体上，可以保证镍基体牢固地把持金刚石颗粒。
4、此方法制备出的金刚石线锯，金属化金刚石颗粒由电镀镀覆到钢丝绳表面形成良好的化学键结合；
5、由于原生金刚石微粉由结晶直接制备而成，具有规则外形和良好的结晶状态，颗粒没有经受外力作用发生损伤，强度高，耐磨性能好，但是，其开刃性能较低；破损金刚石微粉是在外力作用下由大尺寸金刚石颗粒破碎而成，其内含有内裂纹，表面形状不规则，具有多个刃口，所以，其强度低、耐磨性能差，但是，开刃性能优异。采用以上两种金刚石微粉混合料制备的金刚石线锯，兼备良好的开刃性能和优异的耐磨抗压性能，也就是在切割高硬度、高强度的物料时，具有加工速率快，寿命长，金刚石线利用率高，切面平整度和光洁度高等优点；实现对宝石类高价值物质的高效率、高质量、高性价比的切削加工。
综上所述，本发明种工艺方法简单，操作容易，制备的产物兼备良好的开刃性能，优异的耐磨抗压性能，加工速率快，寿命长，金刚石线锯利用率高，切面平整度和光洁度高，适于工业化生产，所制备的产物特别适于对宝石类高价值物质的高效率、高质量、高性价比的切削加工。
具体实施方式
实施例1
第一步：原料配制
取粒度为5～15μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按质量百分比为：原生金刚石∶破碎金刚石＝30％∶70％的比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取原子比为：W∶Mo＝1∶1，粒度为45～65μm的氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉，按质量比为：混合粉∶混合金刚石微粉＝7∶1的比例均匀混合；
第二步：金刚石微粉表面金属化
将第一步所得产物加热至670℃～700℃，通入过水氢气；水将与氧化钨粉和氧化钼粉反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后，被氢气还原成W和Mo金属原子并在金刚石微粉表面共沉积，同时，与金刚石微粉颗粒表面发生反应形成复合钨钼碳化物界面，即形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；
第三步：电镀
以直径为0.1mm的钢丝线为阴极，在金刚石线连续电镀线上电镀镍/金刚石，走线速度为250m/h。镀槽中采用瓦特型镀镍溶液，向电镀液中添加占电镀液质量0.1％的表面金属化混合金刚石微粉形成悬浊液，预镀槽电镀电压为2.8V，钢丝线预镀槽中停留时间为150s；复镀槽电镀电压为3.2V，钢丝线在复镀槽中停留时间450s。制得复合金刚石线锯直径为0.14mm(±0.01mm)。金刚石线锯拉伸强度保持为原裸丝的100％(原钢丝绳裸丝强度为72N)。采用制备的复合金刚石线锯在往复式金刚石线锯机上切割蓝宝石，切割走线速度为900m/min，实施120片同步切割。切缝≤0.15mm，切片翘曲度≤5μm，经过两次切割，线径磨损≤0.01mm，有效使用寿命为8次。
实施例2
第一步：原料配制
取粒度为20～30μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按质量百分比为：原生金刚石∶破碎金刚石＝50％∶50％的比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取原子比为：W∶Mo＝1∶1，粒度为70～90μm的氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉，按质量比为：混合粉∶混合金刚石微粉＝5∶1的比例均匀混合；
第二步：金刚石微粉表面金属化
将第一步所得产物加热至770℃～800℃，通入过水氢气；水将与氧化钨粉和氧化钼粉反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后，被氢气还原成W和Mo金属原子并在金刚石微粉表面共沉积，同时，与金刚石微粉颗粒表面发生反应形成复合钨钼碳化物界面，即形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；
第三步：电镀
以直径为1.0mm的钢丝线为阴极，在金刚石线连续电镀线上电镀镍/金刚石，走线速度为500m/h。镀槽中采用瓦特型镀镍溶液，向电镀液中添加占电镀液质量0.5％的表面金属化混合金刚石微粉形成悬浊液，预镀槽电镀电压为2.2V，钢丝绳在预镀槽中停留时间为150s；复镀槽电镀电压为2.6V，钢丝线在复镀槽中停留时间450s。制得复合金刚石线锯直径为1.06mm(±0.01mm)。金刚石线锯拉伸强度保持为原裸丝的105％(原钢丝绳裸丝强度为86N)。采用制备的复合金刚石线锯在往复式金刚石线锯机上切割蓝宝石，切割走线速度为900m/min，实施80片同步切割。切缝≤1.07mm，切片翘曲度≤5μm，经过两次切割，线径磨损≤0.01mm，有效使用寿命为10次。
实施例3
第一步：原料配制
取粒度为35～45μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按质量百分比为：原生金刚石∶破碎金刚石＝70％∶30％的比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取原子比为：W∶Mo＝1∶1，粒度为100～120m的氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉，按质量比为：混合粉∶混合金刚石微粉＝4∶1的比例均匀混合；
第二步：金刚石微粉表面金属化
将第一步所得产物加热至870℃～900℃，通入过水氢气；水将与氧化钨粉和氧化钼粉反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后，被氢气还原成W和Mo金属原子并在金刚石微粉表面共沉积，同时，与金刚石微粉颗粒表面发生反应形成复合钨钼碳化物界面，即形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；
第三步：电镀
以直径为1.5mm的钢丝线为阴极，在金刚石线连续电镀线上电镀镍/金刚石，走线速度为500m/h。镀槽中采用瓦特型镀镍溶液，向电镀液中添加占电镀液质量1％的表面金属化混合金刚石微粉形成悬浊液，预镀槽电镀电压为7.2V，钢丝绳在预镀槽中停留时间为150s；复镀槽电镀电压为7.7V，钢丝线在复镀槽中停留时间450s。制得复合金刚石线锯直径为1.58mm(±0.01mm)。金刚石线锯拉伸强度保持为原裸丝的105％(原钢丝绳裸丝强度为96N)。采用制备的复合金刚石线锯在往复式金刚石线锯机上切割蓝宝石，切割走线速度为900m/min，实施80片同步切割。切缝≤1.60mm，切片翘曲度≤5μm，经过四次切割，线径磨损≤0.02mm，有效使用寿命为12次。
采用本发明产品与进口金刚石线对比切割2.5英寸蓝宝石，均采用80片同步切割，对比参数如表1所示。
表1产品切割参数指标对比
结论：从表中可以看出，本发明产品和国外金刚石线在2.5英寸蓝宝石切割上，性能参数基本相当，有效切割次数比国外产品多，在切割质量上，翘曲度偏差优于国外金刚石线产品。
Claims (4)
1.一种复合金刚石线锯的制备方法，包括以下步骤：
第一步：原料配制
取粒度为5～45μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉，按质量百分比为：原生金刚石∶破碎金刚石＝(30％～70％)∶(70％～30％)的比例均匀混合，得到混合金刚石微粉；取原子比为：W∶Mo＝1∶1，粒度为45～120μm的氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉，按质量比为：混合粉∶混合金刚石微粉＝(3～7)∶1的比例均匀混合；
第二步：金刚石微粉表面金属化
将第一步所得产物加热至670℃～900℃，通入过水氢气；水将与氧化钨粉和氧化钼粉反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后，被氢气还原成W和Mo金属原子并在金刚石微粉表面共沉积，同时，与金刚石微粉颗粒表面发生反应形成复合钨钼碳化物界面，即形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉；
第三步：电镀
以电镀镍瓦特溶液为电镀液，向电镀液中添加占电镀液质量0.1％～1.0％的表面金属化的混合金刚石微粉，使表面金属化的混合金刚石微粉悬浮分散在电镀液中，钢丝绳为阴极，在2.25～7.55V的电场作用下对钢丝绳表面电镀镍；在电镀镍过程的同时表面金属化的混合金刚石微粉作电泳运动镀覆到作为阴极的钢丝绳表面；即制得本发明复合金刚石线锯。
2.根据权利要求1所述的一种复合金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述加热采用管式加热炉。
3.根据权利要求1所述的一种复合金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述电镀镍的厚度为混合金刚石微粉中位径的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种复合金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述钢丝绳线径为0.10～1.50mm。
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