CN102352503B - 金刚石线制备方法及按其制得的金刚石线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金刚石线的制备方法及按其制得的金刚石线，该方法，包括以下步骤：取钼丝线以2～8m/s匀速通过由金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合而成的合金熔体，制得金刚石线。所制得金刚石线柔韧性增强，抗扭曲能力显著提高，即使是在高张力、大拉力的金刚石线切割过程中，也不易断裂。

Description

金刚石线制备方法及按其制得的金刚石线

技术领域

本发明涉及金刚石线领域，特别地，涉及一种金刚石线的制备方法。此外，本发明还涉及一种按上述方法制得的金刚石线。

背景技术

金刚石线是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒固结在钢丝基体表面制成的一种切割工具。金刚石线不仅可以加工石材、玻璃等普通硬脆材料，而且因其切缝窄，可小至0.15mm。因而特别适用于切割宝石、玛瑙、陶瓷、水晶等贵重的硬脆材料。金刚石线可以根据所切割材料的需要制成不同的直径和长度；金刚石线还可以安装在不同的设备上形成不同的加工方式，如可制成往复循环(锯架)式、高速带锯式、单线切割式和多线切割式等。

生产金刚石线的方法通常为通过电镀在金属丝或线的基体表面上沉积一层金属(一般为镍及镍钴合金)，并在沉积的金属内固结金刚石颗粒制成。金属电镀层一方面与基体间形成非完全冶金结合层；金属镀层另一方面作为结合剂将金刚石颗粒粘在金属丝或线上。金刚石颗粒的刃端突出可用于切削加工。

由于金刚石为非导体，在电镀过程中，金刚石与电镀基体金属的结合是通过金属丝对金刚石颗粒的物理吸附完成的。而金刚石颗粒在电镀镍基体中分布不均一，团聚现象严重，导致金刚石在金属丝表面的分布密度难以控制且所得金刚石线线径不均。电镀后金属线上残余的拉应力高，使得所得金刚石线强度低。电镀层金属与金属丝以机械结合为主而非完全冶金结合，因而结合强度低，切割过程电镀金属层易剥离。由于用于粘结金刚石颗粒的电镀沉积层结晶状态不理想，强度低，因而粘结金刚石颗粒的金属层对金刚石颗粒的把持能力偏低。

发明内容

本发明目的在于提供一种金刚石线制备方法及按其制得的金刚石线，以解决金刚石线的强度低易断裂，金刚石颗粒易脱落的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种金刚石线的制备方法，包括以下步骤：取钼丝线以2～8m/s匀速通过由金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合而成的合金熔体，制得金刚石线。

进一步地，该方法还包括对所述金刚石线的后处理步骤，后处理步骤为将所述金刚石线置于420～460℃下，保温2～5小时。

进一步地，金刚石颗粒∶锡粉∶铅粉∶铜粉按重量比(1～1.2)∶(4～6.5)∶(5～8)∶(1.5～2.5)混合。

进一步地，金刚石颗粒的粒度为5μm～100μm；锡粉的粒度为2～10μm；铅粉的粒度为2～10μm；铜粉的粒度为2～10μm。

进一步地，合金熔体是将金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合后形成的混合体，在搅拌条件下采用感应线圈恒温炉加热熔解制得，加热温度为400～500℃。

进一步地，将金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合是通过球磨方式混合的。

进一步地，球磨步骤中球料重量比为(2～5)∶1。

进一步地，球磨步骤中所用球磨介质为粒径为3～15mm的硬质合金或不锈钢球。

进一步地，球磨分散剂为酒精、石蜡或SPS。

根据本发明的另一方面，还提供了一种金刚石线，该金刚石线通过上述方法制得。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的方法所制得金刚石线以比强度高、韧性好的钼丝为基体，使得所制得金刚石线柔韧性增强，抗扭曲能力显著提高，即使是在高张力、大拉力的金刚石线切割过程中，也不易断裂。

2.本发明提供的方法中钼丝以匀速通过合金熔体，保证金刚石颗粒在钼丝线表面的均匀固结，实现了金刚石线的连续化生产。熔敷合金层与钼丝线表面形成冶金结合，使得基体牢固地把持合金层中的金刚石颗粒，防止使用过程中金刚石颗粒脱落。

3.本发明提供的方法通过球磨使得含铜合金粉末与金刚石颗粒粉末混合均匀，后经加热搅拌溶解合金，实现金刚石颗粒在合金熔体中的均匀弥散分布，保证基体表面合金层中金刚石颗粒的均匀分布，保证所制得金刚石线的切削能力。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照实施例，对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明提供的方法一方面通过将金刚石颗粒与合金粉末混合熔解以在金刚石颗粒与合金熔液间生成碳化物界面，从而增强金刚石颗粒在合金层中的紧固性，防止使用时脱落；另一方面，通过控制钼丝线的走线速度，使得所制得的金刚石线表面金刚石颗粒分布均匀，层数单一，且所制得的金刚石线直径小且均匀，使用中金刚石线不易断裂。

本发明提供的方法包括以下步骤：取钼丝线以2～8m/s匀速通过由金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合而成的合金熔体，制得金刚石线。

所选用合金为锡粉、铅粉与铜粉。铜在高温下对金刚石颗粒表面浸润较差，但所加入锡粉和铅粉为碳化物形成元素，易在金刚石颗粒表面形成碳化物，将合金熔液原先需要润湿的金刚石表面转变为易润湿的碳化物层。从而使得混合后所制得合金熔体中，金刚石颗粒很好的容于合金熔液中，使得钼丝线以2～8m/s匀速通过时，分布均匀的金刚石颗粒可均匀的粘附在钼丝线表面。如果钼丝线通过速度过快则金刚石颗粒不能均匀分布所制得金刚石线切削能力较差，而如果通过过慢则又会使得所制得金刚石线表面堆积多层金刚石颗粒，而层与层间的粘结能力又较差，使得所制得金刚石线基线易曝露，切削能力也较差。

为进一步增强金刚石线上金刚石颗粒的粘附性，还需对所制得金刚石线进行后处理步骤，该后处理步骤为将金刚石线置于420～460℃下，保温2～5小时。这样能将金刚石线中的残余应力消除，防止使用中金刚石线由于残余应力的作用而断裂。

金刚石颗粒∶锡粉∶铅粉∶铜粉按重量比(1～1.2)∶(4～6.5)∶(5～8)∶(1.5～2.5)加入。按此比例混合，能使得所制得的金刚石线表面金刚石颗粒的出刃量和刃高满足要求。既避免了所制得金刚石线表面合金层中合金将金刚石颗粒刃端包住，使其不能充分发挥切削作用，又防止合金包覆过少，金刚石颗粒易脱落。使得该金刚石线具有较强的切削能力。

由于金刚石颗粒表面已形成碳化物层，因而所选用的金刚石颗粒的粒径范围较宽，并不受此种方法的限制。本发明优选采用金刚石颗粒粒径为5μm～100μm。在此范围内选择金刚石颗粒，可使所制得金刚石线对各种切割材料均表现出强的切割能力。同时所用锡粉的粒度为2～10μm，铅粉的粒度为2～10μm，铜粉的粒度为2～10μm。这个粒度范围内的合金粉末易与金刚石颗粒形成牢固的合金包覆层，并且形成的合金包覆层能达到最佳固结钢丝线的效果。

为制得合金熔体需对合金金刚石混合物进行加热熔化，具体加热方式优选为在搅拌条件下采用感应线圈恒温炉加热熔解，加热温度为400～500℃。在此温度下一方面能防止基体材料受热后冷却时发生变形降低金刚石层的附着能力；另一方面又可保证合金处于熔解状态并能生产相应的碳化物以增强金刚石颗粒的附着能力。而且感应线圈能精确控制熔化温度，防止温度过高或过低。

金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉的混合可以为任何能将其混合均匀的混合方式，优选为球磨混合。球磨步骤为按球料重量比为(2～5)∶1将粒径为3～15mm的球磨介质投入球磨机中。所用球磨介质可以为任何球形的研磨介质，该介质的硬度不能对金刚石产生研磨的作用。如硬质合金或不锈钢球。在充分混合物料的同时，防止将金刚石颗粒的刃端受损。球磨时所用球磨分散剂为酒精、石蜡、SPS，优选为酒精。合金粉末分散在球磨分散剂中，能形成流态充分包覆在金刚石颗粒表面，使得混合充分。

为便于合金熔覆，钼丝线还需经用10wt％的Na(OH)去油，水洗，用5wt％的王水酸洗，才能进行熔覆。而所制得的金刚石线为使其性能稳定也还需经过水洗、烘干、镀铜、碱洗和酸洗。

实施例

以下实施例中所用加热装置为加装有电阻丝或感应线圈加热装置的恒温炉；所用试剂和仪器均为市售。

实施例1

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度为9～15μm的金刚石，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面杂质。将平均粒度为12μm的锡粉、平均粒度为8μm的铅粉与平均粒度为25μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1∶4∶5∶1.5混合。将混合粉末置于装有酒精分散剂的混料机中按5∶1的球料比混合球磨，所用球磨介质为粒径为3mm的硬质合金。获得粉末混合物。

第二步：采用感应线圈加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有感应加热装置的容器中，将混合粉末加热至400℃，得金刚石混合均匀的金属熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.12mm的钼丝线经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得金属熔体中，进行金刚石涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以8m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，得到金刚石线1，线径为0.140mm(±0.005mm)。

金刚石线1的拉断力为250N，扭力为320N。对光伏硅锭开方时，金刚石线1切割速度可达到2.5mm/min。将金刚石线1置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线1对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

由金刚石线1的断面扫描电镜图片可见，金刚石线1断面为三个同心圆层，外层为金刚石层，内层为基线表面，中间层为合金层。合金层与金刚石层和基线表面界线模糊，金刚石层中的金刚石颗粒部分没入合金层中，碳化物层与基线表面相熔。没入合金层中的金刚石粉末颗粒的表面与合金层熔融，形成碳化层。说明通过本发明提供的工艺制得的金刚石线中，金刚石粉颗粒与合金形成了金属碳化物。

实施例2

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度范围为35～70μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，采用5％王水酸洗，除去金刚石表面杂质的金刚石。将平均粒度为4μm的锡粉、平均粒度为5μm的铅粉与平均粒度为6μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1.1∶5∶6.5∶2混合。将混合粉末置于装有分散剂SPS的混料机中按4∶1的球料比混合球磨，所用球磨介质为粒径为10mm的不锈钢球。获得粉末混合物。

第二步：电阻丝加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有电阻丝加热装置的容器中，将混合粉末加热至330℃，得均匀混合着金刚石的金属熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.25mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得金属熔体中，进行金刚石/合金涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以6m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，金刚石线2，的线径为0.40mm(±0.005mm)。

金刚石线2的拉断力为240N，扭力为310N。对光伏硅锭开方时，金刚石线2切割速度可达到2.5mm/min。将金刚石线2置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线2对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

实施例3

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度分布范围为70～100μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面的杂质。将平均粒度为8μm的锡粉、平均粒度为9μm的铅粉与平均粒度为3μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1.2∶6.5∶8∶2.5混合。将混合粉末置于混料机中按3∶1的球料比混合球磨，获得粉末混合物；

第二步：感应加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有感应加热装置的容器中，将混合粉末加热至350℃，得到含有金刚石颗粒的合金熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.30mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得含有金刚石固相颗粒的合金熔体中，进行金刚石/合金涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以4m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，金刚石线3线径为0.50mm(±0.015mm)。

金刚石线3的拉断力为225N，扭力为310N。对光伏硅锭开方时，金刚石线3切割速度可达到2.5mm/min。将金刚石线3置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线3对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

实施例4

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度分布范围为40～60μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面的杂质。将平均粒度为5μm的锡粉、平均粒度为6μm的铅粉与平均粒度为4μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1.2∶6.5∶8∶2.5混合。将混合粉末置于混料机中按3∶1的球料比混合球磨，获得粉末混合物；

第二步：感应加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有感应加热装置的容器中，将混合粉末加热至360℃，得到含有金刚石颗粒的合金熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.20mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得含有金刚石固相颗粒的合金熔体中，进行金刚石/合金涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以6m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，金刚石线4，线径为0.31mm(±0.015mm)。

金刚石线4的拉断力为230N，扭力为310N。对光伏硅锭开方时，金刚石线4切割速度可达到2.5mm/min。将金刚石线4置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线3对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

实施例5

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度分布范围为50～70μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面的杂质。将平均粒度为8μm的锡粉、平均粒度为9μm的铅粉与平均粒度为10μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1.4∶7.5∶6∶2.5混合。将混合粉末置于混料机中按3∶1的球料比混合球磨，获得粉末混合物；

第二步：感应加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有感应加热装置的容器中，将混合粉末加热至470℃，得到含有金刚石颗粒的合金熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.24mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得含有金刚石固相颗粒的合金熔体中，进行金刚石/合金涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以5m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，金刚石线5，线径为0.35mm(±0.015mm)。

金刚石线5的拉断力为220N，扭力为300N。对光伏硅锭开方时，金刚石线5切割速度可达到2.5mm/min。将金刚石线5置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线5对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

实施例6

第一步：金刚石和金属粉末混合

取粒度分布范围为50～70μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面的杂质。将平均粒度为2μm的锡粉、平均粒度为2μm的铅粉与平均粒度为10μm的铜粉按重量比金刚石∶锡∶铅∶铜＝1.4∶7.5∶6∶2.5混合。将混合粉末置于混料机中按3∶1的球料比混合球磨，获得粉末混合物；

第二步：感应加热混合粉末

取第一步所得混合粉末放入坩埚中，再将坩埚置于加装有感应加热装置的容器中，将混合粉末加热至500℃，得到含有金刚石颗粒的合金熔体；

第三步：金刚石颗粒合金熔体熔覆

将直径为0.24mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，以匀速通过第二步所得含有金刚石固相颗粒的合金熔体中，进行金刚石/合金涂覆处理，采用卷扬机使得钼丝线以2m/s通过金属熔体，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干；使嵌镶金刚石的涂覆合金层固结在钼丝线表面，金刚石线6，线径为0.35mm(±0.015mm)。

金刚石线6的拉断力为210N，扭力为290N。对光伏硅锭开方时，金刚石线6切割速度可达到2.3mm/min。将金刚石线6置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线6对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

实施例7

对实施例5所制得金刚石线进行后处理步骤，后处理工艺为置于450℃下保温3小时，得到金刚石线7。

金刚石线7的拉断力为250N，扭力为320N。对光伏硅锭开方时，金刚石线7切割速度可达到3.0mm/min。将金刚石线7置于显微镜下观察，可见金刚石颗粒嵌入合金层中，且分散均匀。用金刚石线7对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。所得硅片表面粗糙度＜5微米，挠度＜10微米。

对比例

取粒度分布范围为50～70μm的金刚石粉末，经过10％Na(OH)水溶液去油，清水漂洗，然后，用5％王水酸洗，除去金刚石表面的杂质。将直径为0.24mm的钼丝线，经过碱洗除油和酸洗除锈活化处理后，作为基线。将基线以5m/s通过瓦特电镀液，将所制得金刚石线清水漂洗、烘干得到金刚石线8。

金刚石线8的拉断力为170N，扭力为180N。对光伏硅锭开方时，金刚石线7切割速度为2.0mm/min。用金刚石线7对表面质量要求最高将光伏硅锭切片，所得硅片为5英寸。硅片表面粗糙度＜20微米，挠度＜10微米。

综上所述，本发明提供的制备金刚石线的方法，采用金刚石和合金粉末在球磨混合之后作为原料，通过加热得到含有金刚石颗粒的合金熔体。以钼丝为基体，匀速通过合金熔体以将合金熔体涂覆在基体表面，显著提高基体对切削刃金刚石颗粒的把持能力，制备的金刚石线表面金刚石颗粒分布均匀，浓度高，大幅度提高金刚石线的切削能力和使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金刚石线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取钼丝线以2～8m/s匀速通过由金刚石颗粒、锡粉、铅粉和铜粉混合而成的合金熔体，制得金刚石线；所述金刚石颗粒：锡粉：铅粉：铜粉按重量比（1～1.2）：（4～6.5）：（5～8）：（1.5～2.5）加入；所述合金熔体为在搅拌条件下采用感应线圈恒温炉加热熔解制得，所述加热温度为400～500℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述金刚石线的后处理步骤，所述后处理步骤为将所述金刚石线置于420～460℃下，保温2～5小时。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金刚石颗粒的粒度为5μm～100μm；所述锡粉的粒度为2～10μm；所述铅粉的粒度为2～10μm；所述铜粉的粒度为2～10μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合步骤为球磨混合。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述球磨步骤中球料重量比为（2～5）：1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述球磨步骤中所用球磨介质为粒径为3～15mm的硬质合金或不锈钢球。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述球磨分散剂为酒精、石蜡或SPS。

8.一种金刚石线，其特征在于，通过权利要求1～7中任一项所述方法制得。