CN103521774A - 一种自蔓延制备金刚石节块工具的方法 - Google Patents

Abstract

一种自蔓延制备金刚石节块工具的方法，选用经球磨充分混匀的金属粉末，各组分摩尔比例含量为：Ni：40-70%；Al：10-30%；Cr：5-20%；Ti：5-25%；Co：0-5%；稀土Ce合金：05-1%，将金属粉末与浓度为20-100%的金刚石均匀混合，再用模具压制成型，得到节块压块，经恒温处理后，利用激光诱导节块压块发生自蔓延反应制备得金刚石节块，将节块修磨、加工、装配组合得到各种类型的金刚石工具。本发明选区加热、反应速度快，制备的金刚石节块，胎体机械性能优异，金刚石表面形成具有优良的化学冶金结合性的碳化物过渡层，对磨料的把持力高，节块的使用寿命长，生产效率高。

Description

一种自蔓延制备金刚石节块工具的方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石工具的制备方法，尤其涉及一种激光诱导自蔓延真空制备金刚石节块工具的方法。

背景技术

金刚石节块，广泛运用于制备诸如金刚石锯片、磨轮、刀头等金刚石工具。金刚石节块工具通常由工具基体、金刚石节块等组成，其中金刚石节块是其制备的核心。金刚石节块工具按其制备的结合剂种类可以分为三种：金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂。其中，金属结合剂金刚石节块工具具有良好的磨粒把持力、较高的切削效率和优良的使用寿命，广泛运用于石材、混凝土、耐火砖、陶瓷、玻璃等硬脆性材料加工领域。

制备金属结合剂金刚石节块工具通常采用粉末冶金烧结法。粉末冶金法制备主要有冷压-浸渍法、预压-煅烧-热压烧结法和预压-热压烧结法。

冷压-浸渍法是利用冷压机将金刚石与结合剂混合在钢模具中施加一定压力压制出毛坯，卸模后再将熔化的结合剂粘结金属熔渗进金刚石与高熔点粗颗粒的结合骨架相中。

预压-煅烧-热压烧结法是将混合料冷压成型后，在一定的温度下煅烧之后，送入热压机预压，通电加热至工艺温度，保温保压一定时间后卸压冷却，最后卸下热压模具。

预压-热压烧结法是将金刚石混合料预压具有一定密度的压坯后，再用热压烧结机烧结制备金刚石节块。目前国内普遍采用此方法制造金刚石节块。

目前，上述几种传统粉末冶金烧结法制备金刚石节块，所需的热量均是由外部热量提供，烧结体系自身并不能自发反应产生热量，磨粒与胎体之间不能产生化学冶金结合；生产周期长，能耗高，生产效率较低，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有制备金刚石节块工具的缺点，提出一种利用激光诱导的自蔓延真空制备金刚石节块工具，以实现制备高性能金刚石节块工具，提高工具的使用寿命和加工效率。

为了达到上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

（1）选用平均粒径≤38微米的Ni-Al-Cr-Ti-Co-Ce金属粉末，各组分摩尔比例分别为：Ni：40-70%；Al：10-30%；Cr：5-20%；Ti：5-25%；Co：0-5%；稀土Ce合金：0.05-1%，磨料为金刚石，金刚石浓度为20-100%（即单位体积所含金刚石磨料的重量,参见GB/T6409.1-94），将金属粉末按一定比例在球磨机中均匀混合6-36小时，得到混合均匀的金属粉末混合料；

（2）将步骤（1）得到的金属粉末混合料与一定浓度的金刚石磨料在混料机中混匀4-24小时，得到节块混合料；

（3）将步骤（2）得到的节块混合料根据金刚石工具形状，在模具中压制成型（例如扇形、矩形或圆柱形等形状），压制过程保压5-30分钟，得到节块压块；

（4）将步骤（3）得到的节块压块放置于80-120℃恒温箱中，保温1-3小时，去除节块压块中的水分和相关气体成分，将恒温处理后的节块压块置于真空自蔓延反应容器的工作台上，调整节块压块的位置使激光光斑能够加热覆盖到整个节块，封闭反应容器，抽真空直至真空度达到≤10^-2Pa，用激光覆盖加热节块压块，调整激光引燃功率，节块压块引燃自蔓延反应后，停止激光加热，节块压块依靠自身反应放出的热量来维持反应继续进行，直至合成金刚石节块；

（5）将步骤（4）得到的金刚石节块经过修磨、加工，通过诸如钎焊等相关的连接技术装配组合成相应金刚石工具。

本发明采用激光诱导自蔓延真空制备金刚石节块工具，该方法利用激光诱导加热方法，可以实现节块的快速选区加热，并且对金刚石和胎体的热影响较小。金刚石磨料和胎体材料通过化学冶金结合，提高了节块的机械性能，进而提高了节块使用寿命和加工效率。与已有技术相比，本发明优点在于：

（1）采用Ni-Al-Cr-Ti-Co-Ce体系，通过Ni基胎体体系，体系可以通过自身的自蔓延反应产生的瞬间高温合成TiNi、TiNi₂；CrC、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆；NiAl、Ni₃Al、Ni₂Al₃以及TiAl₃等有利于提高胎体物理、机械性能的碳化物过渡层。其中，Ti元素能够降低胎体与金刚石的接触角，提高胎体材料与金刚石的润湿性，改善胎体材料与金刚石的粘结强度；Al的加入可以为Ni和Ti整个自蔓延反应提供更多的热量；Ni元素对胎体材料具有弥散强化的作用，提高结合剂强度，提高工具的机械性能。Co元素的加入更好提高了胎体强度以满足不同工件的加工需要。元素Cr和Ti可以在金刚石表面形成Cr-C、Ti-C等化学冶金结合，极大地提高了胎体对金刚石的把持力。

（2）加入了稀土元素Ce，Ce可以增强胎体材料和金刚石之间的化学冶金结合性，细化胎体晶粒，改善金属和金刚石之间的化学结合状况，提高金属胎体对金刚石的把持力，并可以减少自蔓延产生的高温对金刚石表面的热蚀。

（3）采用激光加热方式，具有无接触、无污染、易于控制、加热及冷却速率高等特点，反应过程快速高效，没有其他加热设备，生产效率较高，而且可以实现对试样的快速选区加热，对金刚石的热影响较小，能够有效防止金刚石在反应产生的高温过程中发生石墨化，不影响金刚石的物理性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明。

实施例1：

一种激光诱导自蔓延真空制备节块型金刚石开槽式锯片，规格尺寸为：直径150mm，基体厚度1.5mm，内孔直径22.23mm，节块齿厚2mm，节块齿高8mm：

（1）按摩尔比例取平均粒径约为38微米的Ni粉50%，Al粉20%，Ce合金粉0.5%，Cr粉7%，Ti粉20%，Co粉2.5%，在球磨机上进行充分球磨混匀16小时，得到混合均匀的金属粉料；

（2）将步骤（1）得到的混匀金属粉料与粒度为200/230的金刚石，按金刚石浓度为100%的比例（即每立方厘米粉料中金刚石含量约为4.4克拉）配置成混料，将金刚石与金属粉料在混料机上充分混匀10小时，得到节块混合料；

（3）将步骤（2）得到的节块混合料置于金属模具上压制成型齿厚2mm，齿高8mm的节块压块，保压10分钟；

（4）将步骤（3）得到的节块压块放入100℃恒温箱保温2小时，将恒温处理后的节块压块置于真空激光自蔓延反应炉中，封闭反应炉，抽真空，直至真空度为10^-3Pa，调整反应炉的激光光斑和节块压块位置，加热节块压块，节块温度迅速上升，发生自蔓延反应后停止激光加热，凭其自身反应放热合成节块，最后随炉冷却，即得所需金刚石节块；

（5）将步骤（4）得到的金刚石节块修磨、加工，再将金刚石节块钎焊在锯片的工具基体上，根据工具基体的形状尺寸即可组装成相应尺寸的金刚石开槽式锯片。

实施例2：

一种激光诱导自蔓延真空制备节块型金刚石单圈磨轮，规格尺寸为：外径100mm，内径20mm；节块的尺寸：厚度5mm，宽度8mm，数量8个：

（1）按摩尔比例取平均粒径约为20微米的Ni粉50%，Al粉20%，Ce合金粉0.5%，Cr粉7%，Ti粉17%，Co粉5.5%，在球磨机上进行充分球磨混匀20小时，得到混合均匀的金属粉料；

（2）将步骤（1）得到的混匀金属粉料与粒度为270/325的金刚石，按金刚石浓度为75%的比例（即每立方厘米粉料中金刚石含量约为3.3克拉）配置成混合料，将金刚石与金属粉料在混料机上充分混匀8小时，得到节块混合料；

（3）将步骤（2）得到的节块混合料用模具压制成规格尺寸为厚度5mm，宽度8mm的节块压块，保压20分钟；

（4）将步骤（3）得到的节块压块放置于100℃恒温箱保温2小时，将恒温处理后的节块压块置于真空激光自蔓延反应炉中，封闭反应炉，抽真空，直至真空度为10^-3Pa，调整反应炉的激光光斑和节块压块位置，加热节块压块，节块温度迅速上升，发生自蔓延反应后停止激光加热，凭其自身反应放热合成节块，最后随炉冷却，即得所需金刚石节块；

（5）将步骤（4）得到的金刚石节块修磨、加工，再将8个金刚石节块钎焊在单圈磨轮的工具基体上，即可得节块型金刚石单圈磨轮。

实施例3：

一种激光诱导自蔓延真空制备节块型金刚石波纹磨轮，规格尺寸为：外径100mm，内径20mm；节块的尺寸：厚度5mm，宽度11mm，数量16个：

（1）按摩尔比例取平均粒径约为20微米的Ni粉45%，Al粉20%，Ce合金粉0.3%，Cr粉8%，Ti粉20%，Co粉6.7%，在球磨机上进行充分球磨混匀20小时，得到混合均匀的金属粉料；

（2）将步骤（1）得到的混匀金属粉料与粒度为200/230的金刚石，按金刚石浓度为50%的比例（即每立方厘米粉料中金刚石含量约为2.2克拉）配置成混料，将金刚石与金属粉料在混料机上充分混匀8小时，得到节块混合料；

（3)将步骤（2）得到的节块混合料用模具压制成规格尺寸为厚度5mm，宽度11mm的节块压块，保压20分钟；

（4）将步骤（3）得到的节块压块放置于100℃恒温箱保温2小时，将恒温处理后的节块压块置于真空激光自蔓延反应炉中，封闭反应炉，抽真空，直至真空度为10^-3Pa，调整反应炉的激光光斑和节块压块位置，加热节块压块，节块温度迅速上升，发生自蔓延反应后停止激光加热，凭其自身反应放热合成节块，最后随炉冷却，即得所需金刚石节块；

（5）将步骤（4）得到的金刚石节块修磨、加工，再将16个金刚石节块钎焊在波纹磨轮的工具基体上，即可得节块型金刚石波纹磨轮。

Claims (1)

1.一种自蔓延制备金刚石节块工具的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）选用平均粒径≤38微米的Ni-Al-Cr-Ti-Co-Ce金属粉末，各组分摩尔比例分别为：Ni：40-70%；Al：10-30%；Cr：5-20%；Ti：5-25%；Co：0-5%；稀土Ce合金：0.05-1%，磨料为金刚石，金刚石浓度为20-100%（即单位体积所含金刚石磨料的重量,参见GB/T6409.1-94），将金属粉末按一定比例在球磨机中均匀混合6-36小时，得到混合均匀的金属粉末混合料；

（2）将步骤（1）得到的金属粉末混合料与一定浓度的金刚石磨料在混料机中混匀4-24小时，得到节块混合料；

（3）将步骤（2）得到的节块混合料根据金刚石工具形状，在模具中压制成型（例如扇形、齿形或圆柱形等形状），压制过程保压5-30分钟，得到节块压块；

（4）将步骤（3）得到的节块压块放置于80-120℃恒温箱中，保温1-3小时，去除节块压块中的水分和相关气体成分，将恒温处理后的节块压块置于真空自蔓延反应容器的工作台上，调整节块压块的位置使激光光斑能够加热覆盖到整个节块，封闭反应容器，抽真空直至真空度达到≤10^-2Pa，用激光覆盖加热节块压块，调整激光引燃功率，节块压块引燃自蔓延反应后，停止激光加热，节块压块依靠自身反应放出的热量来维持反应继续进行，直至合成金刚石节块；

（5）将步骤（4）得到的金刚石节块经过修磨、加工，通过诸如钎焊等相关的连接技术装配组合成相应金刚石工具。