CN104439255B

CN104439255B - 一种金刚石串珠的制备方法

Info

Publication number: CN104439255B
Application number: CN201410844537.6A
Authority: CN
Inventors: 卢安军; 秦海青; 林峰; 蒙光海; 雷晓旭; 刘文平; 程煜; 张健伟; 张振军; 莫睿
Original assignee: China Nonferrous Metal Guilin Geology and Mining Co Ltd
Current assignee: Guilin Tebang New Materials Co ltd
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104439255A

Abstract

本发明公开了一种金刚石串珠的制备方法。所述的方法具体包括：以组成为Fe_(45+x)Co_(17+y)Cu_(38+z)，其中，-2≤x,y,z≤2，且x+y+z＝0的Fe基亚微米合金粉和辅料及造粒剂进行造粒，所得颗粒料与金刚石磨粒混匀，得到胎体料；然后制成胎体环后套于珠芯钢体上，再置于均匀气氛中自由烧结，即得。本发明将特定组成的Fe基亚微米合金粉应用于自由烧结金刚石串珠，可使胎体线收缩率为13％～18％，且收缩后不开裂、不变形，烧结后胎体内不会产生成分偏析；且该粉末的应用还可在提高所得串珠锋利度的同时满足串珠绳锯的耐磨性能要求；另一方面，本发明所述方法的劳动强度、能耗及单件成本均有一定程度的降低。

Description

一种金刚石串珠的制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石绳锯，具体涉及一种金刚石串珠的制备方法。

背景技术

金刚石串珠是由工作层胎体环和中空圆筒形珠芯钢体两部分组成，其制造工艺主要有热压烧结法、电镀法以及钎焊法三种。目前，热压烧结制备金刚石串珠因其具有外形规整、胎体致密性好、串珠耐磨性高等优点而被绝大多数金刚石工具企业采用，但同时具有以下不足：(1)对烧结所用的石墨压模材料要求高，且石墨压模使用寿命较短，损耗较大；(2)热压烧结炉一次烧结的串珠数量有限，生产效率较低；(3)每次烧结时需要快速的升温以及降温，能耗较高，且易损伤设备；(4)烧结时由于对串珠胎体加载外压力，容易使烧结坯体中的液相物料流失，从而导致胎体边角有毛刺以及胎体成分偏析，影响胎体性能；(5)装载模具以及卸载模具需要人工进行，不仅效率低，成本高，而且产品的性能容易受生产工人的工作熟练程度所影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新的金刚石串珠的制备方法，该方法采用Fe基亚微米合金粉作为串珠胎体的主要材料，在均匀气氛下以渐进式自由烧结的方式制作金刚石串珠，可大幅降低生产的能耗及单件金刚石串珠制品的成本，还可有效减少传统热压烧结方式对环境的污染。

本发明所述的金刚石串珠的制备方法，包括以下步骤：

1)取Fe基亚微米合金粉和辅料混合均匀，然后加入造粒剂进行造粒，得到颗粒料；所述的Fe基亚微米合金粉的组成为Fe_(45+x)Co_(17+y)Cu_(38+z)，其中，-2≤x,y,z≤2，且x+y+z＝0；所述Fe基亚微米合金粉在颗粒料中占的比例为≥70wt.％；

2)按每立方厘米颗粒料加入1.5～1.6克拉的标准向所得颗粒料中加入金刚石磨粒，混合均匀，得到胎体料；

3)将胎体料制成胎体环；

4)将胎体环套于珠芯钢体上，然后置于均匀气氛中自由烧结，得到金刚石串珠；所述均匀气氛为60～70％的氨分解气和30～40％的氮气；

所述自由烧结的条件为：升温至550～650℃烧结30～50min，然后于650～750℃烧结30～50min，之后于750～850℃烧结30～50min，再于850～900℃烧结45～60min，最后于650～750℃保温100～120min。

上述制备方法的步骤1)中，所述的Fe基亚微米合金粉的平均粒度通常为2～4μm(粒度分布范围可以在0.5～4μm)，其含量优选为60～75wt.％。所述的Fe基亚微米合金粉末根据其组成可采用现有常规方法进行制备，可以参考本申请人之前申请的公开号为CN101323066A的发明专利中的方法进行制备，具体按下述步骤进行制备：

a)溶液的配制：根据合金粉末的成分计算出各金属离子的添加当量，将铁、钴和铜的可溶性氯盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或几种与去离子水配制成水溶液，控制0.3＜各种金属离子的浓度≤2.0mol/L，导入加液釜中；根据合金粉末的成分计算出沉淀剂的添加当量，将过量20～25％的沉淀剂和去离子水配制成与金属盐溶液体积相等的水溶液，导入另一个加液釜中。

b)共沉淀反应：将金属盐溶液和沉淀剂溶液通过加液釜分别加入到反应釜中进行共沉淀反应，充分搅拌；再加入氨水或草酸溶液调节反应溶液的pH值；沉淀反应40～60min后，固液分离，得复合金属盐沉淀物；

c)过滤、洗涤和干燥：复合金属盐沉淀物经过滤分离，用去离子水清洗沉淀物，除去杂质离子，直至清洗滤液的电导率小于50μs/cm时，再将沉淀物置于干燥箱中烘干。

d)煅烧：将复合金属盐沉淀物放入推杆煅烧炉或者回转炉内煅烧，煅烧温度为400～550℃，煅烧时间80～150min(使部分表面水、结晶水挥发，杂质、沉淀物充分分解)，得金属氧化物复合粉末。

e)还原：将金属氧化物复合粉末转入推杆还原炉或者钢带还原炉内，用氢气或氨分解气进行还原，还原温度500～800℃，氢气或氨分解气的流量2～4m³/h，还原时间80～150min，被还原出来的金属在还原温度下通过扩散完成合金化过程，得合金粉末。粉末费氏粒度值(FSSS)不超过10μm，优选不超过8μm；粉末总氧含量不超过2wt.％，优选不超过0.5wt.％。

在还原气氛充分的情况下，可以通过调节还原温度和还原时间来控制合金粉末的粒度和氧含量。还原温度和还原时间的选择遵循以下两个原则：①如果合金粉末的费氏粒度太大，则降低还原温度；②如果合金粉末的氧含量太高，则增加还原时间。

f)后处理：合金粉末经破碎筛分，即得Fe基亚微米合金粉末。

以上所述的沉淀剂为草酸、草酸盐、碳酸盐或碱(如氢氧化钠、氢氧化钾等)。根据上述步骤a)的叙述，沉淀剂需要配制成水溶液使用，因此所述的沉淀剂均为水溶性物质。当步骤a)中用草酸、草酸盐或碳酸盐作为沉淀剂(酸性沉淀剂)时，沉淀剂溶液的浓度为1.4～2.4mol/L，步骤b)中共沉淀反应时加入氨水调节反应溶液的pH值至0.9～2.0；当步骤a)用碱作为沉淀剂时，沉淀剂溶液的浓度为3.0～5.0mol/L，步骤b)中共沉淀反应时加入草酸溶液调节反应溶液的pH值至10.0～11.0。上述步骤b)中金属盐溶液和沉淀剂溶液通过加液釜以相同速率并流加入到反应釜中。

上述制备方法的步骤1)中，所述造粒剂的用量与具体选择与现有技术相同，优选地，可以是WS-120造粒剂、GB-400造粒剂、KS-1700S造粒剂或Movital造粒剂。所述造粒剂的用量在颗粒料中占的比例通常≤2.5wt.％，优选为1.0～2.0wt.％。所述的造粒剂通常用无水乙醇、异丙醇或醚类物质溶解后再与Fe基亚微米合金粉和辅料混合，在用无水乙醇、异丙醇或醚类物质溶解造粒剂时，通常是控制造粒剂的浓度为20～40wt.％。

上述制备方法的步骤1)中，所述辅料的用量与具体选择与现有技术相同，优选地，所述辅料可以是选自CuSn合金粉、W粉、Fe粉、WC粉、Zn粉、Sn粉和Al粉中的一种或两种以上的组合；当辅料的选择为上述两种以上的组合时，它们之间的配比可以为任意配比。本发明所述技术方案中，所述辅料的平均粒度优选为3～20μm；所述辅料在颗粒料中占的比例通常为除去Fe基亚微米合金粉和造粒剂之后的剩余量，一般为5～30wt.％，也可以为0。

上述制备方法的步骤2)中，所述的金刚石磨粒优选是选自镀镍包衣金刚石、镀钛包衣金刚石和镀铜包衣金刚石中的一种或两种以上的组合，当金刚石磨粒的选择为上述两种以上的组合时，它们之间的配比可以为任意配比。所述金刚石磨粒的粒度与现有技术相同，通常选择粒度40/45、45/50和50/60三种规格，更优选是根据需要将上述三种规格搭配使用。

上述制备方法的步骤3)中，将胎体料按现有常规方法制成胎体环，本申请中优选采用冷压冷压制成胎体环。

上述制备方法的步骤4)中，所述自由烧结的条件优选为：升温至580～620℃烧结30～50min，然后于680～720℃烧结30～50min，之后于780～820℃烧结30～50min，再于850～900℃烧结45～60min，最后于680～720℃保温100～120min，之后自然冷却(或随炉冷却)；更优选的自由烧结条件为：升温至600℃烧结30～50min，然后于700℃烧结30～50min，之后于800℃烧结30～50min，再于875℃烧结45～60min，最后于680～720℃保温100～120min。

上述制备方法的步骤4)中，所述的珠芯钢体可以是现有技术中常规形状的珠芯钢体。为了降低经烧结后所得串珠应用于绳锯在进行切割时胎体环从珠芯钢体脱落或者崩塌的机率，优选采用下述结构的珠芯钢体：所述的珠芯钢体包括一中空圆筒形的本体，该本体的一端的向外凸出形成有一环形凸台，所述环形凸台在径向方向上的宽度大于胎体环内半径与珠芯钢体本体外半径的差的绝对值。珠芯钢体的各尺寸可根据需要进行确定。在实际应用时根据胎体环的内径来选择合适的珠芯钢体。通常情况下，环形凸台的外直径比本体的外直径大0.3～0.5mm，环形凸台在轴向上的高度为1.6～2.4mm。为了使胎体环与珠芯钢体的粘结强度更高，可在珠芯钢体本体的外表面上涂覆含低熔点铜合金粉末的浆料(浆料的配方为：CuSn合金粉末(平均粒度20μm)65～75wt.％、松油醇18～22wt.％、丙烯酸树脂8～10wt.％，且总和为100％)，通过涂覆该浆料，在高温自由烧结过程中，浆料中的有机物挥发、分解，而余下的低熔点铜合金粉末将熔融并浸入胎体环与珠芯钢体之间的缝隙当中，使胎体环与珠芯钢体间接的产生冶金结合。通常情况下，所述浆料涂覆层的厚度通常控制在0.04～0.08mm，这样既可以使胎体与珠芯钢体之间的缝隙被铜合金熔融液相充分填充，又能避免铜合金熔融液相过量后流失。

上述制备方法的步骤4)中，所述自由烧结优选是在推杆式隧道炉管中进行。该步骤中，均匀气氛的通气流量通常为1.5～4.0m³/h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用特定组成的Fe基亚微米合金粉作为串珠胎体的主要材料，在均匀气氛下以渐进式自由烧结的方式制作金刚石串珠，一方面，将Fe基亚微米合金粉末应用于自由烧结金刚石串珠可使胎体外径、胎体高度的线收缩率为13％～18％，且收缩后不开裂、不变形，自由烧结后，胎体内不会产生成分偏析；而且该粉末应用于自由烧结金刚石串珠，所得串珠中胎体的相对密度≥97％，洛氏硬度≥92HRB，在提高串珠的锋利度的同时，又能满足串珠绳锯的耐磨性能要求；另一方面，一套烧结炉设备每小时能完成1200～1500粒串珠烧结，劳动强度大幅降低，还可大幅降低生产的能耗及单件金刚石串珠制品的成本，综合能耗将比热压烧结降低15％以上；

2、进一步地，采用特定结构的珠芯钢体，将胎体环套于其上后烧结所得的金刚石串珠应用于绳锯进行切割时，工作磨料胎体环不会从珠芯钢体上脱落下来，且切割效率比钴基胎体串珠绳锯高10％以上。

附图说明

图1为本发明实施例中使用的珠芯钢体的结构示意图。

图中标号为：

1：本体；2：环形凸台；D：环形凸台的外直径；d：本体的外直径；L为整个珠芯钢体的高度；h：环形凸台的高度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1)按重量比为17：1：2的比例称取组成为Fe₄₅Co₁₇Cu₃₈的Fe基亚微米合金粉(平均粒度为2μm)、CuSn合金粉(平均粒度为30μm)和W粉末(平均粒度为5.5μm)共1kg，混合均匀，得到混合粉；取WS-120造粒剂5.0g，溶解于20g的无水乙醇中配成溶液，缓慢滴入到上述混合粉中，并置于搅拌式造粒机中进行混合，使金属粉末聚集达到造粒目的，得到颗粒料；其中，组成为Fe45Co17Cu38的Fe基亚微米合金粉末按以下方法进行制备：

按物质的量比为n(Fe²⁺):n(Co²⁺):n(Cu²⁺)＝45:17:38的比例配置浓度为1.5mol/L的FeCl₂、CoCl₂、CuCl₂混合溶液50L以及浓度为1.8mol/L的草酸溶液50L(两种溶液温度为60～65℃)，然后将上述两种溶液以相同的流量并流加入到反应釜当中，搅拌反应过程中缓慢滴加氨水调节反应pH值为1.05～1.15，反应45分钟后进行固液分离，得复合金属草酸盐沉淀物，沉淀物经去离子水反复清洗过滤后置于全自动推杆式炉管中进行煅烧还原(煅烧温度450℃，还原温度525℃，煅烧、还原时间均为150分钟，还原气体为氨分解气)，还原后物料经破碎筛分即得Fe₄₅Co₁₇Cu₃₈亚微米合金粉末。

2)按每立方厘米1.54克拉的浓度，称取40.5g镀镍包衣金刚石(其中粒度40/45占60％、粒度45/50占25％，粒度50/60占15％)添加到颗粒料中，再均匀混合45min，得到胎体料；

3)将胎体料倒入容积式全自动混料机中，按每粒串珠2.5g重量、冷压压力60kgf设置进行串珠的冷压，冷压后串珠胎体环外径11.5±0.02mm，内径为7.8±0.02mm，胎体环轴向高度为6.8±0.02mm，胎体环相对密度为69±2％；

4)制作以下结构的珠芯钢体：所述的珠芯钢体包括一中空圆筒形的本体(1)，该本体(1)的一端的向外凸出形成有一环形凸台(2)，所述环形凸台(2)在径向方向上的宽度大于胎体环内腔半径与珠芯钢体本体外周半径的差的绝对值；所述的本体(1)和环形凸台(2)为一体结构；按胎环的尺寸选择以下尺寸的珠芯钢体：整个珠芯钢体的高度(L)为13.0±0.02mm，本体(1)的内直径为5.0±0.02mm，其外直径(d)为7.6±0.02mm；环形凸台(2)的外直径(D)为7.9±0.02mm，环形凸台(2)的高度(h)为2.0mm。在珠芯钢体的外表面涂覆含CuSn粉末的浆料(浆料中CuSn粉末占70wt.％、松油醇占20wt.％、丙烯酸树脂占10wt.％)，浆料的涂覆厚度0.04～0.06mm；

5)将作好的胎体环套于珠芯钢体上，此时胎体环的底部刚好卡于珠芯钢体的环形凸台(2)上，将套装好胎体环的珠芯钢体置于真空干燥箱中于50℃保温1h，以将珠芯钢体外表面的浆料烘干；再将烘干后的串珠生坯依次排放于不锈钢舟皿中，再置于推杆式隧道炉管进行自由烧结，烧结温度及时间为：600℃温度区烧结30min,700℃温度区烧结50min，800℃温度区烧结40min，875℃温度区烧结60min，700℃保温区保温100min，整个自由烧结过程中通入70％的氨分解气以及30％的99.99％氮气混合气体，通气流量为2.5m³/h。自由烧结完成后将载料不锈钢舟皿推至自然冷却区冷却20min，推出，即得到金刚石串珠。

所制得串珠的胎体相对密度为98％，洛氏硬度为95HRB。按本实施例物料配比方案所制的长方体胎体标准试样(30×12×6)的三点抗弯强度≥900MPa。按本实施例方案制备金刚石串珠，平均单粒串珠综合能耗将比热压烧结降低15％以上，从根本上解决传统热压烧结金刚石串珠绳锯在切割过程中胎体环从珠芯钢体中脱落的问题，且切割效率比钴基胎体串珠绳锯高10％以上。

实施例2

重复实施例1，不同的是：

①Fe基亚微米合金粉的组成为Fe₄₃Co₁₇Cu₄₀，其平均粒度为3μm；辅料为WC粉、Zn粉和Al粉，它们的平均粒度均为8μm，所述Fe基亚微米合金粉、WC粉、Zn粉和Al粉的重量比为87:8:3:2。

②按每立方厘米1.6克拉的浓度称取镀铜包衣金刚石(其中粒度40/45占50％、粒度45/50占40％，粒度50/60占10％)添加到颗粒料中；得到的胎体料经冷压、自由烧结后得到的胎体环相对密度为≥97％％，洛氏硬度≥90HRB，按该实例物料配比方案所制的长方体胎体标准试样(30×12×6)的三点抗弯强度≥1000MPa；

③自由烧结温度及时间为：650℃温度区烧结40min,720℃温度区烧结30min，750℃温度区烧结50min，900℃温度区烧结45min，650℃保温区保温120min，整个自由烧结过程中通入60％的氨分解气以及40％的99.99％氮气混合气体，通气流量为2.5m³/h。

实施例3

重复实施例1，不同的是：

①Fe基亚微米合金粉的组成为Fe₄₄Co₁₉Cu₃₇，(平均粒度为3μm；

②按每立方厘米1.5克拉的浓度称取镀铜包衣金刚石(其中粒度40/45占35％、粒度45/50占45％，粒度50/60占20％)添加到颗粒料中，得到的胎体料经冷压、自由烧结后得到的胎体环相对密度为≥98％，洛氏硬度≥90HRB，按该实例物料配比方案所制的长方体胎体标准试样(30×12×6)的三点抗弯强度≥1150MPa；

③自由烧结温度及时间为：550℃温度区烧结50min,650℃温度区烧结40min，750℃温度区烧结30min，850℃温度区烧结50min，750℃保温区保温110min，整个自由烧结过程中通入65％的氨分解气以及35％的99.99％氮气混合气体，通气流量为2.5m³/h。

Claims

1.一种金刚石串珠的制备方法，包括以下步骤：

3)将胎体料制成胎体环；

2.根据权利要求1所述的金刚石串珠的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的辅料为选自CuSn合金粉、W粉、Fe粉、WC粉、Zn粉、Sn粉和Al粉中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的金刚石串珠的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的金刚石磨粒为选自镀镍包衣金刚石、镀钛包衣金刚石和镀铜包衣金刚石中的一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的金刚石串珠的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述自由烧结的条件为：升温至580～620℃烧结30～50min，然后于680～720℃烧结30～50min，之后于780～820℃烧结30～50min，再于850～900℃烧结45～60min，最后于680～720℃保温100～120min。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的金刚石串珠的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述的珠芯钢体包括一中空圆筒形的本体(1)，该本体(1)的一端的向外凸出形成有一环形凸台(2)，所述环形凸台(2)在径向方向上的宽度大于胎体环内半径与珠芯钢体本体(1)外半径的差的绝对值。