CN105817842A - 一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法 - Google Patents

一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法。该金刚石工具具有多层结构，从外层到内层的各层之间按金刚石浓度或粒度梯度递增或梯度递减。该金刚石工具的制备方法包括以下步骤：1）结合剂各组分的预混合；2）磨料制备材料的制备；3）将磨料制备材料分层冷压成型，得到工具坯体；4）工具坯体的自蔓延反应‑钎焊复合反应，工具坯体致密化。本发明的金刚石工具可针对不同被加工材料进行金刚石的浓度和粒度的梯度设计，并对金刚石工具的微观结构及力学性进行调整，提高了金刚石的利用率，可针对不同硬脆材料制备相对应的高性能金刚石工具。本发明的金刚石工具的制备方法具有工艺简单、无污染、能耗低、成本低等优点。

Description

一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法。
背景技术
传统的多层金刚石工具主要通过烧结的方法制造，金刚石在工具中处于随机分布状态，此外金刚石与结合剂之间属于机械镶嵌作用，因而金刚石的把持力低，导致使用过程中金刚石的脱落比例较高，实际利用率不足30%，且没有人根据被加工材料的不同而针对性的对金刚石磨料的浓度和粒度进行有效的优化设计。
自蔓延高温合成技术，能够在外部能量诱发局部的化学反应（点燃）后，利用化学反应自身放出的热量，使反应持续进行，同时合成出新材料。该技术消耗能源少，产物纯度高。如果把自蔓延和钎焊结合起来，利用反应热融化合金钎料，在节约能源的同时亦能够快速完成钎焊过程，实现金刚石工具的快速制造，同时降低了金刚石工具的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度多层结构金刚石工具及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种梯度多层结构金刚石工具由结合剂和金刚石组成，该金刚石工具具有多层结构，从外层到内层的各层之间按金刚石浓度或粒度梯度递增或梯度递减。
所述结合剂由20～60质量份的Ni粉和Al粉、10～55质量份的Cu粉、10～25质量份的Ni-Cr合金粉末、1～5质量份的B粉组成，总质量份数为100份。
所述Ni粉、Al粉的摩尔比为3：1或1：1。
所述金刚石的粒度为30/40～325/400目，所述金刚石与结合剂混合后金刚石的浓度为55%～90%。
上述梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉混合，进行球磨，得到结合剂；
2)将结合剂分别与相同浓度不同粒度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同粒度金刚石的磨料制备材料，或者，将结合剂分别与同一粒度不同浓度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同浓度金刚石的磨料制备材料；
3)将含不同粒度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石粒度梯度递增或梯度递减的工具坯体，或者，将含不同浓度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石浓度梯度递增或梯度递减的工具坯体；
4)对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束后加压使工具坯体致密化，得到梯度多层结构金刚石工具。
步骤1）和2）中进行球磨时球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～6h，球料比为（5～10）：1。
步骤4）中工具坯体的压坯密度为40%～60%理论密度。
步骤4）中通过热压炉、激光、加热钨丝或电火花加热引燃结合剂来引发自蔓延反应。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的梯度多层结构金刚石工具可以针对不同被加工材料进行金刚石的浓度和粒度的梯度设计，提高了金刚石的利用率，例如在梯度多层结构金刚石工具最内层采用高浓度或者粗粒度金刚石结构，内层往外层金刚石的浓度或者粒度梯度递减时，工具在加工过程中易形成∨型结构，提高了工具的锋利度，大大地提高了切断效率，而在梯度多层结构金刚石工具最内层采用低浓度或者细粒度金刚石结构，内层往外层金刚石的浓度或者粒度梯度递增时，工具在加工过程中易形成∧型结构，在切割时刀片只能按照先切出的轨迹前进，从而提高了切割的平稳度、平整度；
（2）本发明的梯度多层结构金刚石工具的微观结构及力学性能可根据被加工材料进行调整，适应性强，可针对不同硬脆材料制备高性能的金刚石工具；
（3）本发明的梯度多层结构金刚石工具的制备方法具有工艺简单、无污染、能耗低、快速及低成本等优点。
附图说明
图1为实施例1的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图。
图2为实施例2的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图。
图3为实施例3的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图。
图4为实施例4的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图。
图5为本发明的梯度多层结构金刚石工具自蔓延反应设备原理示意图。
图6为实施例3的梯度多层结构金刚石工具第3层的SEM图谱。
图7为实施例3的梯度多层结构金刚石工具第3层的XRD图谱。
具体实施方式
一种梯度多层结构金刚石工具由结合剂和金刚石组成，该金刚石工具具有多层结构，从外层到内层的各层之间按金刚石浓度或粒度梯度递增或梯度递减。
优选的，本发明的多层结构金刚石工具可以为3层及3层以上结构，具体层数和每一层的厚度依据实际需求而定。
优选的，所述结合剂由20～60质量份的Ni粉和Al粉、10～55质量份的Cu粉、10～25质量份的Ni-Cr合金粉末、1～5质量份的B粉组成，总质量份数为100份。
进一步优选的，所述结合剂由32～50质量份的Ni粉和Al粉、27～50质量份的Cu粉、16～20质量份的Ni-Cr合金粉末、1～3质量份的B粉组成，总质量份数为100份。
优选的，所述Ni粉、Al粉的摩尔比为3：1或1：1。
优选的，所述金刚石的粒度为30/40～325/400目。
进一步优选的，所述金刚石的粒度为30/40～80/90目。
优选的，所述金刚石与结合剂混合后金刚石浓度为55%～90%。
上述梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉混合，进行球磨，得到结合剂；
2)将结合剂分别与相同浓度不同粒度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同粒度金刚石的磨料制备材料，或者，将结合剂分别与同一粒度不同浓度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同浓度金刚石的磨料制备材料；
3)将含不同粒度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石粒度梯度递增或梯度递减的工具坯体，或者，将含不同浓度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石浓度梯度递增或梯度递减的工具坯体；
4)对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束后加压使工具坯体致密化，得到梯度多层结构金刚石工具。
优选的，步骤1）和2）中进行球磨时球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～6h，球料比为（5～10）：1。
优选的，步骤4）中工具坯体的压坯密度为40%～60%理论密度。
优选的，步骤4）中通过热压炉、激光、加热钨丝或电火花加热引燃结合剂来引发自蔓延反应。
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的解释和说明。
图5为本发明的梯度多层结构金刚石工具自蔓延反应设备原理示意图。其中：1-压力系统；2-钨丝；3-粉末样品；4-模具；5-真空泵。
实施例1：
一种梯度多层结构金刚石工具的原料包括结合剂和金刚石，所述结合剂包括：Ni粉和Al粉共50质量份（其中Ni粉、Al粉的摩尔比3：1）、Cu粉30质量份、Ni-Cr合金粉末18质量份、B粉2质量份。磨料为金刚石。图1为本实施例的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图，第1层和第4层中金刚石的浓度为90%，第2层和第3层中金刚石的浓度为70%，所有层中金刚石的粒度均为40/50目。
一种梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
1）将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉加入球磨机充分混合，得到结合剂，所述球磨机转速为200r/min，球磨时间为4h，球料比为5：1；
2）将结合剂与同一粒度不同浓度的金刚石磨料进行球磨，使其混合均匀，得到磨料制备材料，所述球磨机转速为200r/min，球磨时间为4h，球料比为5：1；
3）将含有同一粒度不同浓度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到工具坯体，模具的压坯密度为50%理论密度；
4）对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束时加压完成模具坯体的致密化，得到梯度多层结构的金刚石工具。
实施例2：
一种梯度多层结构金刚石工具的原料包括结合剂和金刚石，所述结合剂包括：Ni粉和Al粉共40质量份（其中Ni粉、Al粉的摩尔比3：1）、Cu粉39质量份、Ni-Cr合金粉末20质量份、B粉1质量份。磨料为金刚石。图2为本实施例的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图，第1层和第6层中金刚石的浓度为55%，第2层和第5层中金刚石的浓度为70%，第3层和第4层中金刚石的金刚石浓度为90%，所有层中金刚石的粒度均为40/50目。
一种梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
1）将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉加入球磨机充分混合，得到结合剂，所述球磨机转速为150r/min，球磨时间为6h，球料比为5：1；
2）将结合剂与同一粒度不同浓度的金刚石磨料进行球磨，使其混合均匀，得到磨料制备材料，所述球磨机转速为150r/min，球磨时间为6h，球料比为7：1；
3）将含有同一粒度不同浓度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到工具坯体，模具的压坯密度为60%理论密度；
4）对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束时加压完成模具坯体的致密化，得到梯度多层结构的金刚石工具。
实施例3：
一种梯度多层结构金刚石工具的原料包括结合剂和金刚石，所述结合剂包括：Ni粉和Al粉共50质量份（其中Ni粉、Al粉的摩尔比1：1）、Cu粉27质量份、Ni-Cr合金粉末20质量份、B粉3质量份。磨料为金刚石。图3为本实施例的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图，第1层和第8层中金刚石的目数为80/90，第2层和第7层中金刚石的目数为65/70，第3层和第6层中金刚石的目数为50/60，第4层和第5层中金刚石的目数为35/40，所有层中金刚石的浓度均为80%。
一种梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
1）将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉加入球磨机充分混合，得到结合剂，所述球磨机转速为250r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1；
2）将结合剂与相同浓度不同粒度的金刚石磨料进行球磨，使其混合均匀，得到磨料制备材料，所述球磨机转速为250r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1；
3）将含有相同浓度不同粒度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到工具坯体，模具的压坯密度为40%理论密度；
4）对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束时加压完成模具坯体的致密化，得到梯度多层结构金刚石工具。
本实施例的梯度多层结构金刚石工具第3层的SEM图谱和XRD图谱如图6和图7所示。
由图6和图7可知：结合剂对金刚石的润湿作用较好，结合剂牢固地粘结金刚石，结合剂与金刚石边界出现了Cr3C2、Cr7C3、Cr3Ni2化合物，产生了化学结合。
实施例4：
一种梯度多层结构金刚石工具的原料包括结合剂和金刚石，所述结合剂包括：Ni粉和Al粉共32质量份（其中Ni粉、Al粉的摩尔比1：1）、Cu粉50质量份、Ni-Cr合金粉末16质量份、B粉2质量份。磨料为金刚石。图4为本实施例的梯度多层结构金刚石工具的结构示意图，第1层和第4层中金刚石的目数为50/60，第2层和第3层中金刚石的目数为65/70，所有层中金刚石的浓度均为90%。
一种梯度多层结构金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
1）将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉加入球磨机充分混合，得到结合剂，所述球磨机转速为250r/min，球磨时间为3h，球料比为5：1；
2）将结合剂与相同浓度不同粒度的金刚石磨料进行球磨，使其混合均匀，得到磨料制备材料，所述球磨机转速为250r/min，球磨时间为3h，球料比为10：1；
3）将含有相同浓度不同粒度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到工具坯体，模具的压坯密度为50%理论密度；
4）对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束时加压完成模具坯体的致密化，得到梯度多层结构的金刚石工具。
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。

Claims (8)

1.一种梯度多层结构金刚石工具由结合剂和金刚石组成，其特征在于：该金刚石工具具有多层结构，从外层到内层的各层之间按金刚石浓度或粒度梯度递增或梯度递减。
2.根据权利要求1所述的梯度多层结构金刚石工具，其特征在于：所述结合剂由20～60质量份的Ni粉和Al粉、10～55质量份的Cu粉、10～25质量份的Ni-Cr合金粉末、1～5质量份的B粉组成，总质量份数为100份。
3.根据权利要求2所述的梯度多层结构金刚石工具，其特征在于：所述的Ni粉、Al粉的摩尔比为3：1或1：1。
4.根据权利要求1所述的梯度多层结构金刚石工具，其特征在于：所述金刚石的粒度为30/40～325/400目，所述金刚石与结合剂混合后金刚石的浓度为55%～90%。
5.权利要求1～4中任意一项所述的梯度多层结构金刚石工具的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将Ni粉、Al粉、Cu粉、Ni-Cr合金粉末、B粉混合，进行球磨，得到结合剂；
2）将结合剂分别与相同浓度不同粒度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同粒度金刚石的磨料制备材料，或者，将结合剂分别与同一粒度不同浓度的金刚石混合，进行球磨，分别得到含不同浓度金刚石的磨料制备材料；
3）将含不同粒度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石粒度梯度递增或梯度递减的工具坯体，或者，将含不同浓度金刚石的磨料制备材料分层冷压成型，得到从外层到内层的各层之间按金刚石浓度梯度递增或梯度递减的工具坯体；
4）对工具坯体进行自蔓延反应-钎焊复合反应，反应结束后加压使工具坯体致密化，得到梯度多层结构金刚石工具。
6.根据权利5所述的制备方法，其特征在于：步骤1）和2）中进行球磨时球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为3～6h，球料比为（5～10）：1。
7.根据权利5所述的制备方法，其特征在于：步骤4）中工具坯体的压坯密度为40%～60%理论密度。
8.根据权利5所述的制备方法，其特征在于：步骤4）中通过热压炉、激光、加热钨丝或电火花加热引燃结合剂来引发自蔓延反应。
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