CN107900920A

CN107900920A - 一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料及其制备方法

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Publication number: CN107900920A
Application number: CN201711291943.4A
Authority: CN
Inventors: 范波; 徐帅; 郭兴星
Original assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-04-13

Abstract

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料及其制备方法，属于超硬材料制备技术领域，所述表面多孔金刚石磨料采用高温高压法合成后再进行表面氧化处理和酸处理得到，金刚石磨料为单晶体，晶体尺寸50‑500 μm，晶体表面积的10‑70 %为尺寸1‑20 μm的孔洞，晶体体积的5‑40 %为尺寸1‑10 μm的异质颗粒，异质颗粒的成分为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si这些元素的碳化物、氮化物和氧化物中的至少一种。所述金刚石磨料的表面孔洞，增加砂轮结合剂与金刚石磨料之间的结合力，提高砂轮锋利性与磨削效率；所述金刚石磨料内的异质颗粒，提高砂轮锋利性与磨削效率。

Description

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料制备技术领域，特别涉及一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料及其制备方法。

背景技术

金刚石砂轮可广泛应用于硬质合金等非铁系金属材料与半导体、玻璃等非金属材料的磨削、切割加工，以满足高效的加工需求。金刚石砂轮通常选用具有自锐性特点的金刚石磨料，在磨削过程中形成磨料的持续破碎与切削微刃，金刚石砂轮结合剂与磨粒之间主要通过机械啮合与化学键合实现结合，当结合剂与金刚石的机械啮合力或化学键合力较差时，外力的冲击下金刚石磨料在完成切削前就整颗脱落，导致砂轮钝化与频繁修整，降低了砂轮的磨削效率与寿命。

因此金刚石砂轮的实际制造过程中，通常采用金刚石磨料表面金属镀层的方法提高结合剂与金刚石磨料之间的结合力，以稳定磨削过程并延长砂轮寿命，但同时带来砂轮锋利度和磨削效率下降的负面效果，这种不利影响在砂轮锋利性要求较高的磨削过程中表现的尤为明显。提高结合剂与金刚石磨料之间结合力的另外一种有效方式是采用非表面镀覆的方法增加金刚石磨料的表面粗糙度，增加结合剂与金刚石磨料之间的接触面积，提高机械啮合强度的同时，避免砂轮锋利度的下降。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料及其制备方法。通过形成金刚石磨料晶体内的异质颗粒，增加金刚石磨料晶体的内应力与微破碎性，通过形成金刚石磨料表面的多孔结构，增加金刚石磨料的表面粗糙度，进而增加结合剂与金刚石磨料之间的接触面积，提高结合剂与金刚石磨料之间结合力，并形成金刚石磨料表面的切削微刃，提高砂轮锋利性与磨削效率。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料，所述表面多孔金刚石磨料采用高温高压法合成后再进行表面氧化处理和酸处理得到，金刚石磨料为单晶体，晶体尺寸50-500 μm，晶体表面积的10-70 %为尺寸1-20 μm的孔洞，晶体体积的5-40 %为尺寸1-10 μm的异质颗粒，异质颗粒的成分为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si这些元素的碳化物、氮化物和氧化物中的至少一种。

上述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，由石墨粉、金属触媒粉和异质颗粒原料按比例混匀后采用高温高压法合成后再进行表面氧化处理和酸处理制成，其中，金属触媒粉占原料总重的20-40 %，异质颗粒原料占原料总重的1-20 %，其余为纯度99.9 %以上的高纯石墨粉，金属触媒粉通过下述方法获得：按重量取比例为70 %Fe粉、29 %Ni粉和1 %Co粉，混匀即得，异质颗粒原料为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si中的一种或两种以上单质粉体的混合物。

较好地，上述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，包括如下步骤：将石墨粉、金属触媒粉和异质颗粒原料按比例混匀并冷压成型，把冷压成型后的块体装入叶蜡石模具中，利用六面顶高温高压设备将叶蜡石模具加压至4-6 GPa，升温至1400-1600 ℃后保温1-10 min合成金刚石磨料。

进一步地，将高温高压合成的金刚石磨料再进行表面氧化处理和酸处理，得到表面多孔结构的金刚石磨料。

进一步地，所述氧化处理是指将合成的金刚石磨料在空气中加热至700-1000 ℃并恒温保持1 h，所述酸处理是指将表面氧化处理后的金刚石磨料在氢氟酸、盐酸和硫酸中的一种或两种以上腐蚀1-5h。

本发明制得的金刚石磨料为单晶体，晶体尺寸50-500 μm，晶体表面积的10-70 %为尺寸1-20 μm的孔洞，晶体体积的5-40 %为尺寸1-10 μm的异质颗粒，异质颗粒的成分为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si元素经过高温高压发生化学反应后，形成的所述元素的碳化物、氮化物、氧化物等化学性质稳定、硬度较高的共价键化合物。

本发明制得的用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料，所述金刚石磨料的表面孔洞，增加砂轮结合剂与金刚石磨料之间的结合力，形成金刚石磨料表面的切削微刃，提高砂轮锋利性与磨削效率；所述金刚石磨料内的异质颗粒，增加金刚石磨料的内应力与微破碎性，提高砂轮锋利性与磨削效率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1. 本发明金刚石磨料表面的多孔结构形成了更多的切削微刃，提高了砂轮的锋利性与磨削效率。

2. 本发明金刚石磨料内部的异质颗粒增加了金刚石磨料的内应力与微破碎性，使钝化后的金刚石磨料更容易出刃，提高了砂轮的锋利性与磨削效率。

3. 本发明金刚石磨料表面的多孔结构提高了结合剂与金刚石磨料之间的结合力，避免了金刚石磨料在磨削力作用下过早脱落，使金刚石磨料可充分发挥磨削作用，提高了砂轮的磨削效率和使用寿命。

4. 本发明金刚石磨料表面的多孔结构提高了结合剂与金刚石磨料之间的结合力并形成了切削微刃，更高的结合力避免了金刚石磨料整颗脱落形成对工件表面的损伤，切削微刃可使工件获得更高的表面质量。

5. 本发明工艺流程简单，对多种超硬材料工具具有普遍适用性。

附图说明

图1实施例1表面处理前的金刚石磨料扫描电镜图；

图2实施例2表面处理前的金刚石磨料剖面的扫描电镜图；

图3实施例1表面处理后的金刚石磨料扫描电镜图；

图4实施例3表面处理后的金刚石磨料扫描电镜图。

通过在合成金刚石磨料的原料中添加特殊的异质颗粒原料，高温高压合成后金刚石磨料晶体表面与内部形成异质颗粒，分别如图1与图2所示。金刚石磨料经过氧化处理与酸处理后，金刚石磨料表面的异质颗粒被去除，并在对应位置形成孔洞，得到表面多孔结构的金刚石磨料，如图3与图4所示。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，原料组成为：金属触媒粉30wt%，Ti粉10 wt%，其余为纯度99.9 %的石墨粉，金属触媒粉由70 wt%Fe+29 wt%Ni+1 wt%Co按比例混匀而成，将上述粉体均匀混合后在模具中30MPa下冷压成型，把成型后的块体装入叶蜡石模具中，利用六面顶压机将叶蜡石模具加压至5.5 GPa，升温至1500 ℃后保温1.5min合成金刚石磨料，如图1所示，高温高压合成后的金刚石磨料晶体尺寸100 μm，晶体表面积的10 %为尺寸约1 μm的Ti的碳化物、氧化物。将上述方法合成的金刚石磨料在空气中加热至900 ℃并恒温保持1 h，然后将金刚石在硫酸溶液中（由市售的75wt%的浓硫酸和常温水按照3︰7的体积比混匀而成）对金刚石磨料表面腐蚀1h，如图1所示，得到表面多孔结构的金刚石磨料，如图3所示，晶体表面面积的20 %为尺寸约5 μm的孔洞。

实施例2

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，原料组成为：金属触媒粉30wt%，Zr粉10 wt%，Ti粉1 wt%，其余为纯度99.9 %的石墨粉，金属触媒粉由70 wt%Fe+29 wt%Ni+1 wt%Co按比例混匀而成，将上述粉体均匀混合后在30MPa压力下冷压成型，把成型后的块体装入叶蜡石模具中，利用六面顶压机将叶蜡石模具加压至5.5 GPa，升温至1500 ℃后保温3 min合成金刚石磨料，如图2所示，高温高压合成后的金刚石磨料晶体尺寸500 μm，晶体体积的10 %为尺寸1-10 μm的Zr与Ti的碳化物、氧化物。将上述方法合成的金刚石磨料在空气中加热至1000 ℃并恒温保持1 h，然后将金刚石磨料在氢氟酸和硫酸的混酸溶液中（将市售的30wt%氢氟酸与75wt%浓硫酸按照1.5︰1.5︰7的体积比溶于常温水中即得）对金刚石磨料表面腐蚀2h，得到表面多孔结构的金刚石磨料，晶体表面面积的40 %为尺寸约1-20μm的孔洞。

实施例3

一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，原料组成为：金属触媒粉30wt%，Al粉10 wt%，Si粉10 wt%，其余为纯度99.9 %的石墨粉，金属触媒粉由70 wt%Fe+29wt%Ni+1 wt%Co按比例混匀而成，将上述粉体均匀混合后在30MPa压力下冷压成型，把成型后的块体装入叶蜡石模具中，利用六面顶压机将叶蜡石模具加压至5.5 GPa，升温至1500℃后保温2 min合成金刚石磨料，高温高压合成后的金刚石磨料晶体体积的20 %为尺寸1-5μm的Al与Si的碳化物、氮化物、氧化物。将上述方法合成的金刚石磨料在空气中加热至700℃并恒温保持1 h，然后将金刚石磨料在氢氟酸和盐酸的混合溶液中（将市售的30wt%氢氟酸与35wt%浓盐酸按照1.5︰1.5︰7的体积比溶于常温水中即得）对磨料表面腐蚀2h，得到表面多孔结构的金刚石磨料，如图4所示，金刚石磨料晶体尺寸150 μm，晶体表面面积的60 %为尺寸1-20 μm的孔洞。

Claims

1.一种用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料，其特征是，所述表面多孔金刚石磨料采用高温高压法合成后再进行表面氧化处理和酸处理得到，金刚石磨料为单晶体，晶体尺寸50-500 μm，晶体表面积的10-70 %为尺寸1-20 μm的孔洞，晶体体积的5-40 %为尺寸1-10 μm的异质颗粒，异质颗粒的成分为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si这些元素的碳化物、氮化物和氧化物中的至少一种。

2.权利要求1所述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，其特征是，由石墨粉、金属触媒粉和异质颗粒原料按比例混匀后采用高温高压法合成后再进行表面氧化处理和酸处理制成，其中，金属触媒粉占原料总重的20-40 %，异质颗粒原料占原料总重的1-20%，其余为纯度99.9 %以上的高纯石墨粉，金属触媒粉通过下述方法获得：按重量取比例为70 %Fe粉、29 %Ni粉和1 %Co粉，混匀即得，异质颗粒原料为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si中的一种或两种以上单质粉体的混合物。

3.根据权利要求2所述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：将石墨粉、金属触媒粉和异质颗粒原料按比例混匀并冷压成型，把冷压成型后的块体装入叶蜡石模具中，利用六面顶高温高压设备将叶蜡石模具加压至4-6 GPa，升温至1400-1600 ℃后保温1-10 min合成金刚石磨料。

4.根据权利要求3所述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，其特征是，将高温高压合成的金刚石磨料再进行表面氧化处理和酸处理，得到表面多孔结构的金刚石磨料。

5.根据权利要求4所述用于高效磨削的表面多孔金刚石磨料的制备方法，其特征是，所述氧化处理是指将合成的金刚石磨料在空气中加热至700-1000 ℃并恒温保持1 h，所述酸处理是指将表面氧化处理后的金刚石磨料在氢氟酸、盐酸和硫酸中的一种或两种以上腐蚀1-5h。