CN109482863A - 用于金刚石锯片的混合粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于金刚石锯片的混合粉末，包括以下质量百分比的组分：铜75%‑96%、铁1.5%‑19%、钴0.5%‑5%、铬0.4%‑1.5%、锆0.1%‑1%，氧化石墨烯0.01%‑0.1%，制得的混合粉末粒度在300目以下，其制备方法为：将一定比例的铜、铬、锆用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，将铜合金采用气水联合雾化的方法得到预合金粉，将预合金粉与钴包覆铁粉和氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合粉末，将其干燥处理，得到最终的混合粉末，与钴粉相比，本发明的混合粉末制备的金刚石锯片在具有较好力学性能的同时，成本低，便于大规模应用；与传统铜基合金粉制备的金刚石锯片相比，具有成本低，力学强度高，红硬性好，耐磨性好，寿命长的优势。

Description

用于金刚石锯片的混合粉末
技术领域
本发明涉及金刚石锯片制备技术领域，具体的说是用于金刚石锯片的混合粉末。
背景技术
由金刚石制作的锯片被广泛应用于各类金属材料和石材的磨削加工，金刚石锯片的工作条件比较恶劣，高速、振动、高温对金刚石刀头的焊接提出了苛刻的要求, 随着锯片切削速度和进刀量的不断提高, 对金刚石锯片强度、寿命、成本的要求也越来越高。目前制约金刚石锯片最突出的问题，是胎体对金刚石磨料把持强度低，金刚石磨料出刃难、易脱落失效，工具寿命和加工效率大大降低。金刚石磨粒与胎体之间的界面结合状态，以及胎体微观组织及其力学性能是决定金刚石工具性能和使用寿命的主要因素；
目前用于金刚石锯片的胎体材料主要有树脂基材料、陶瓷基材料、金属基材料，其中金属基材料热成型性能好、结合强度高、散热快，因而应用最广。烧结类金属基胎体材料按基体主要成分可分为：钴基、钨基、铁基、铜基。铜基胎体材料具有良好的韧性，耐蚀性，较好的低温烧结性能，价格低廉，出刃高，但润湿性差，硬度强度较低。目前常用的铜基胎体材料主要包括以下几种：
（1）青铜基金属：主要以铜、锡为基础配方的合金，应用较窄，大部分是磨具的应用方面，抗弯强度不高，使用过程中通过加入其他微量元素来改变其力学性能；
（2）白铜基金属：锌白铜和锰白铜用的比较多一些，锌白铜是指以铜、镍为主要组成的合金，锰白铜是指以铜、镍、锰三种元素为主要组成的合金，大部分用在石油钻探、地质钻探的钻头方面。在使用过程中，可在白铜系列基础上加入适量的钴、铬、锡、钨等来改变基础合金的性能；
（3）黄铜基金属：黄铜基胎体材料指的是铜锌基合金，脆性大，在使用过程中适量加入铁、镍、锡等元素，提高强度，降低烧结温度；
钴基胎体材料低温黏结特性良好、耐高温，对金刚石润湿性能好，热侵蚀低，结合强度高，在高温使用环境下仍可保持良好的机械性能，同时具有良好的耐磨损性能，但我国钴资源匮乏，价格昂贵，应用中受到了限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供用于金刚石锯片的混合粉末，解决现有铜基金刚石锯片强度低，高温使用性能下降和钴粉价格昂贵的问题。
本发明通过以下技术方案来实现：
用于金刚石锯片的混合粉末，包括以下质量百分比的组分：铜75%-96%、铁1.5%-19%、钴0.5%-5%、铬0.4%-1.5%、锆0.1%-1%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
进一步的，用于金刚石锯片的混合粉末，包括以下质量百分比的组分：铜80%-96%、铁1.5%-14.5%、钴0.5%-3.5%、铬0.4%-1.5%、锆0.1%-0.7%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
进一步的，用于金刚石锯片的混合粉末，包括以下质量百分比的组分：铜81%-93%、铁4.8%-14.5%、钴1.2%-3.5%、铬0.4%-1.1%、锆0.1%-0.5%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按上述质量称取铜、铬、锆，将其用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，备用；
步骤二、将铜合金采用气水联合雾化的方法制备得到预合金粉，备用；
步骤三、制备钴包覆铁粉，备用；
步骤四、制备氧化石墨烯分散液，备用；
步骤五、将步骤二制得的预合金粉、步骤三制得的钴包覆铁粉与步骤四制得的氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合物料，备用，所述球磨机的转速为600r/min；
步骤六、将步骤五得到的混合物料放于真空干燥箱进行干燥处理，得到最终的混合粉末，所述烘干温度为60-120℃，烘干时间为6-24h，真空度不低于5×10-3Pa。
进一步的，步骤二中气水联合雾化的雾化气体为氮气。
进一步的，将步骤二雾化后制得的预合金粉过300目筛。
进一步的，步骤二雾化后制得的预合金粉氧含量控制在1000ppm以下。
进一步的，步骤三中钴包覆铁粉的制备方法包括以下步骤：
S1、将六水合氯化钴、柠檬酸、联氨和分散剂PEG加入去离子水充分溶解，加入NaOH调节pH值为13，配制成镀液，镀液中六水合氯化钴的质量浓度为25g/L，柠檬酸浓度为25g/L，联氨浓度为0.8mol/L；
S2、将500目铁粉加入镀液中，在80℃下水浴加热1h，得到反应后的渡液，加热过程中不断搅拌，所述铁粉与镀液的质量与体积比为：15g：1L；
S3、将反应后的镀液过滤、清洗后，放于真空干燥箱进行干燥处理得到钴包覆铁粉，所述烘干温度为90℃，烘干时间为2h，真空度不低于5×10-3Pa。
进一步的，步骤三中氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯放入无水乙酸中，用磁力搅拌器搅拌10min，搅拌后在80℃加热条件下超声振动1h，得到混合均匀的混合液，备用，所述氧化石墨烯与无水乙酸的质量与体积比为：1g：500m L；
S2、再将S1得到的混合液与丙酮混合，在80℃加热下超声振动1h，得到氧化石墨烯分散液，所述混合液与丙酮的体积比为1:1。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明的混合粉末，主要含有铜、钴、铁、铬、锆、氧化石墨烯，在铜粉基础上添加钴包覆铁粉，铁粉外层的钴可以使胎体与金刚石形成牢固的冶金结合，提高胎体与金刚石的结合强度；内层的铁有利于降低成本，且铁的物理性质与钴相似；添加铬，与铜形成铜合金，提高胎体对金刚石的润湿性；添加锆，固溶于铜合金，提高胎体强度；添加氧化石墨烯，其均匀分布于烧结后的胎体，在金刚石锯片使用氧化石墨烯具有良好的润滑作用，提高切削效率，降低摩擦发热，提高金刚石锯片使用寿命，同时氧化石墨烯中含有含氧官能团，在烧结时与金属形成弥散分布的金属氧化物，提高胎体强度；
（2）与钴粉相比，本发明的混合粉末使金刚石与胎体形成牢固冶金结合，结合强度高，对金刚石把持力高；制备金刚石锯片刀头温度低，对金刚石热损伤小，在较高使用温度时仍可以保持良好的机械性能，使用过程中发热小，对金刚石损伤小；钴金属含量低且成本低，以2018年11月14日为例，电解铜均价4.9万元/吨，电解钴43.2万元/吨，可以大大降低成本，便于大规模应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
首先制备用于金刚石锯片的混合粉末，其成分包括以下质量百分比的组分：铜93%、铁4.8%、钴1.2%、铬0.6%、锆0.38%，氧化石墨烯0.02%，未发生团聚现象。其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按上述质量称取铜、铬、锆，将其用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，备用；
步骤二、将铜合金采用气水联合雾化的方法制备得到预合金粉，备用，气水联合雾化所用的雾化气体为氮气，将雾化后制得的预合金粉过300目筛，使得雾化后制得的预合金粉氧含量控制在1000ppm以下；
步骤三、制备钴包覆铁粉，钴包覆铁粉的制备方法包括以下步骤：
S1、将六水合氯化钴、柠檬酸、联氨和分散剂PEG加入去离子水充分溶解，加入NaOH调节pH值为13，配制成镀液，镀液中六水合氯化钴的质量浓度为25g/L，柠檬酸浓度为25g/L，联氨浓度为0.8mol/L；
S2、将500目铁粉加入镀液中，在80℃下水浴加热1h，得到反应后的渡液，加热过程中不断搅拌，所述铁粉与镀液的质量与体积比为：15g：1L；
S3、将反应后的镀液过滤、清洗，清洗的时候先用去离子水清洗两遍，再用丙酮清洗一遍，清洗后放于真空干燥箱进行干燥处理得到钴包覆铁粉，所述烘干温度为90℃，烘干时间为2h，真空度不低于5×10-3Pa。
步骤四、制备氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯放入无水乙酸中，用磁力搅拌器搅拌10min，搅拌后在80℃加热条件下超声振动1h，得到混合均匀的混合液，备用，所述氧化石墨烯与无水乙酸的质量与体积比为：1g：500mL，无水乙酸的羧基可以与氧化石墨烯中的活性官能团反应，提高氧化石墨烯的极性，降低团聚作用；
S2、再将S1得到的混合液与丙酮混合，在80℃加热下超声振动1h，得到氧化石墨烯分散液，所述混合液与丙酮的体积比为1:1，为了使氧化石墨烯与预合金粉末充分混合，缩短混粉时间，氧化石墨烯分散液在制备出1h以内使用；
步骤五、将步骤二制得的预合金粉、步骤三制得的钴包覆铁粉与步骤四制得的氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合物料，备用，所述球磨机的转速为600r/min；
步骤六、将步骤五得到的混合物料放于真空干燥箱进行干燥处理，得到最终的混合粉末，所述烘干温度为60-120℃，烘干时间为6-24h，真空度不低于5×10-3Pa。
制备的混合粉末即铜基胎体粉，应用在制备金刚石复合块中，金刚石复合块的制备步骤为：
（1）混料：按照体积比7:3将铜基胎体粉与金刚石颗粒放入混料机中混合均匀，得到混合物；
（2）热压烧结：将混合物采用真空热压烧结机在温度850℃下烧结2min，得到金刚石复合块；
将上述金刚石复合块钎焊到低档花岗岩锯片上，与目前主流的钴基胎体粉制备的金刚石复合块相比，花岗岩锯片的使用寿命达到其寿命的80％。
实施例2：
首先制备用于金刚石锯片的混合粉末，其成分包括以下质量百分比的组分：铜87%、铁9.6%、钴2.4%、铬0.6%、锆0.35%，氧化石墨烯0.05%，未发生团聚现象。其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、称取铜、铬、锆，将其用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，备用；
步骤二、将铜合金采用气水联合雾化的方法制备得到预合金粉，备用，气水联合雾化所用的雾化气体为氮气，将雾化后制得的预合金粉过300目筛，使得雾化后制得的预合金粉氧含量控制在1000ppm以下；
步骤三、制备钴包覆铁粉，钴包覆铁粉的制备方法包括以下步骤：
S1、将六水合氯化钴、柠檬酸、联氨和分散剂PEG加入去离子水充分溶解，加入NaOH调节pH值为13，配制成镀液，镀液中六水合氯化钴的质量浓度为25g/L，柠檬酸浓度为25g/L，联氨浓度为0.8mol/L；
S2、将500目铁粉加入镀液中，在80℃下水浴加热1h，得到反应后的渡液，加热过程中不断搅拌，所述铁粉与镀液的质量与体积比为：15g：1L；
S3、将反应后的镀液过滤、清洗，清洗的时候先用去离子水清洗两遍，再用丙酮清洗一遍，清洗后，放于真空干燥箱进行干燥处理得到钴包覆铁粉，所述烘干温度为90℃，烘干时间为2h，真空度不低于5×10-3Pa。
步骤四、制备氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯放入无水乙酸中，用磁力搅拌器搅拌10min，搅拌后在80℃加热条件下超声振动1h，得到混合均匀的混合液，备用，所述氧化石墨烯与无水乙酸的质量与体积比为：1g:500ml，无水乙酸的羧基可以与氧化石墨烯中的活性官能团反应，提高氧化石墨烯的极性，降低团聚作用；
S2、再将S1得到的混合液与丙酮混合，在80℃加热下超声振动1h，得到氧化石墨烯分散液，所述混合液与丙酮的体积比为1:1，为了使氧化石墨烯与预合金粉末充分混合，缩短混粉时间，氧化石墨烯分散液在制备出1h以内使用；
步骤五、将步骤二制得的预合金粉、步骤三制得的钴包覆铁粉与步骤四制得的氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合物料，备用，所述球磨机的转速为600r/min；
步骤六、将步骤五得到的混合物料放于真空干燥箱进行干燥处理，得到最终的混合粉末，所述烘干温度为60-120℃，烘干时间为6-24h，真空度不低于5×10-3Pa。
制备的混合粉末即铜基胎体粉，应用在制备金刚石复合块中，金刚石复合块的制备步骤为：
（1）混料：按照体积比7:3将铜基胎体粉与金刚石颗粒放入混料机中混合均匀，得到混合物；
（2）热压烧结：将混合物采用真空热压烧结机在温度850℃下烧结2min，得到金刚石复合块；
将上述金刚石复合块钎焊到低档花岗岩锯片上，与目前主流的钴基胎体粉制备的金刚石复合块相比，花岗岩锯片的使用寿命达到其寿命的84％。
实施例3：
首先制备用于金刚石锯片的混合粉末，其成分包括以下质量百分比的组分：铜81%、铁14.5%、钴3.5%、铬0.6%、锆0.3%，氧化石墨烯0.1%，未发生团聚现象。其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、称取铜、铬、锆，将其用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，备用；
步骤二、将铜合金采用气水联合雾化的方法制备得到预合金粉，备用，气水联合雾化所用的雾化气体为氮气，将雾化后制得的预合金粉过300目筛，使得雾化后制得的预合金粉氧含量控制在1000ppm以下；
步骤三、制备钴包覆铁粉，钴包覆铁粉的制备方法包括以下步骤：
S1、将六水合氯化钴、柠檬酸、联氨和分散剂PEG加入去离子水充分溶解，加入NaOH调节pH值为13，配制成镀液，镀液中六水合氯化钴的质量浓度为25g/L，柠檬酸浓度为25g/L，联氨浓度为0.8mol/L；
S2、将500目铁粉加入镀液中，在80℃下水浴加热1h，得到反应后的渡液，加热过程中不断搅拌，所述铁粉与镀液的质量与体积比为：15g：1L；
S3、将反应后的镀液过滤、清洗，清洗的时候先用去离子水清洗两遍，再用丙酮清洗一遍，清洗后放于真空干燥箱进行干燥处理得到钴包覆铁粉，所述烘干温度为90℃，烘干时间为2h，真空度不低于5×10-3Pa。
步骤四、制备氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯放入无水乙酸中，用磁力搅拌器搅拌10min，搅拌后在80℃加热条件下超声振动1h，得到混合均匀的混合液，备用，所述氧化石墨烯与无水乙酸的质量与体积比为：1g:500ml，无水乙酸的羧基可以与氧化石墨烯中的活性官能团反应，提高氧化石墨烯的极性，降低团聚作用；
S2、再将S1得到的混合液与丙酮混合，在80℃加热下超声振动1h，得到氧化石墨烯分散液，所述混合液与丙酮的体积比为1:1，为了使氧化石墨烯与预合金粉末充分混合，缩短混粉时间，氧化石墨烯分散液在制备出1h以内使用；
步骤五、将步骤二制得的预合金粉、步骤三制得的钴包覆铁粉与步骤四制得的氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合物料，备用，所述球磨机的转速为600r/min；
步骤六、将步骤五得到的混合物料放于真空干燥箱进行干燥处理，得到最终的混合粉末，所述烘干温度为60-120℃，烘干时间为6-24h，真空度不低于5×10-3Pa。
制备的混合粉末即铜基胎体粉，应用在制备金刚石复合块中，金刚石复合块的制备步骤为：
（1）混料：按照体积比7:3将铜基胎体粉与金刚石颗粒放入混料机中混合均匀，得到混合物；
（2）热压烧结：将混合物采用真空热压烧结机在温度850℃下烧结2min，得到金刚石复合块；
将上述金刚石复合块钎焊到低档花岗岩锯片上，与目前主流的钴基胎体粉制备的金刚石复合块相比，花岗岩锯片的使用寿命达到其寿命的90％。
试验例
取实施例1～3制备的金刚石复合块以及对比用钴基胎体粉制得的金刚石复合块，测定其硬度和耐磨性指标。硬度测定采用布氏硬度计，试样大小40×8×3.2mm。耐磨性采用耐磨试验机，试样大小12×12×20mm，转速500r/min，载荷200N，时间8min，测试结果见下表1：
表1各种金刚石复合块的性能测试结果
由表1可知，实施例1～3中用铜基胎体粉制备的金刚石复合块的硬度及耐磨性均接近于对比用钴基胎体粉制备的金刚石复合块。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.用于金刚石锯片的混合粉末，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：铜75%-96%、铁1.5%-19%、钴0.5%-5%、铬0.4%-1.5%、锆0.1%-1%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
2.根据权利要求1所述的用于金刚石锯片的混合粉末，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：铜80%-96%、铁1.5%-14.5%、钴0.5%-3.5%、铬0.4%-1.5%、锆0.1%-0.7%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
3.根据权利要求2所述的用于金刚石锯片的混合粉末，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：铜81%-93%、铁4.8%-14.5%、钴1.2%-3.5%、铬0.4%-1.1%、锆0.1%-0.5%，氧化石墨烯0.01%-0.1%。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、称取铜、铬、锆，将其用真空冶炼炉进行真空冶炼，得到铜合金，备用；
步骤二、将铜合金采用气水联合雾化的方法制备得到预合金粉，备用；
步骤三、制备钴包覆铁粉，备用；
步骤四、制备氧化石墨烯分散液，备用；
步骤五、将步骤二制得的预合金粉、步骤三制得的钴包覆铁粉与步骤四制得的氧化石墨烯分散液放入球磨机中在氮气保护下混粉6h，得到混合物料，备用，所述球磨机的转速为600r/min；
步骤六、将步骤五得到的混合物料放于真空干燥箱进行干燥处理，得到最终的混合粉末，所述烘干温度为60-120℃，烘干时间为6-24h，真空度不低于5×10-3Pa。
5.根据权利要求4所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：步骤二中气水联合雾化的雾化气体为氮气。
6.根据权利要求4所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：将步骤二雾化后制得的预合金粉过300目筛。
7.根据权利要求4所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：步骤二雾化后制得的预合金粉氧含量控制在1000ppm以下。
8.根据权利要求4所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：步骤三中钴包覆铁粉的制备方法包括以下步骤：
S1、将六水合氯化钴、柠檬酸、联氨和分散剂PEG加入去离子水充分溶解，加入NaOH调节pH值为13，配制成镀液，镀液中六水合氯化钴的质量浓度为25g/L，柠檬酸浓度为25g/L，联氨浓度为0.8mol/L；
S2、将500目铁粉加入镀液中，在80℃下水浴加热1h，得到反应后的渡液，加热过程中不断搅拌，所述铁粉与镀液的质量与体积比为：15g：1L；
S3、将反应后的镀液过滤、清洗后，放于真空干燥箱进行干燥处理得到钴包覆铁粉，所述烘干温度为90℃，烘干时间为2h，真空度不低于5×10-3Pa。
9.根据权利要求4所述的用于金刚石锯片的混合粉末的制备方法，其特征在于：步骤四中氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯放入无水乙酸中，用磁力搅拌器搅拌10min，搅拌后在80℃加热条件下超声振动1h，得到混合均匀的混合液，备用，所述氧化石墨烯与无水乙酸的质量与体积比为：1g：500m L；
S2、再将S1得到的混合液与丙酮混合，在80℃加热下超声振动1h，得到氧化石墨烯分散液，所述混合液与丙酮的体积比为1:1。
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