CN109702188B - 一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂及其制备方法，铜基预合金粉添加剂包括以下重量份数的原料：85~95份合金粉、2~5份玻璃纤维，所述合金粉的化学组成及其质量份数为：6~9份磷、2~5份锡、20~35份铜，还可以包括1~4份的镍、0~1份的硅、0~0.1份的铪，且玻璃纤维为改性玻璃纤维粉末，通过气水雾化法制得的合金粉与改性玻璃纤维粉末球磨后，制得最终的铜基预合金粉添加剂，本发明制得的预合金粉添加剂具有更低的熔点，确保金刚石高的出刃高度和胎体对金刚石的强把持力。

Description

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石工具制造技术领域，具体涉及一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂及其制备方法。

背景技术

金刚石工具的应用领域非常广泛，主要用于石材加工、陶瓷改型、地质钻探、石油钻井和矿业开采行业，在建筑、建材、机械加工、光学玻璃和珠宝加工及电子电器行业也有重要地位，金刚石工具一般由烧结金刚石节块和高强度钢基体焊接而成，作为工作层的金刚石节块性能决定了工具的优劣，金刚石节块是把金刚石颗粒和胎体材料混合后经压制和烧结工艺制成，胎体具有包镶金刚石和匹配被加工材料性能的作用，金刚石颗粒作为切削元件能否有效发挥其作用，取决于胎体的性能。

金刚石刀头工作时，金属粉末基体磨损使金刚石出刃从而实现切割或磨削，在切割和磨削过程中，金刚石本身也不断磨损；与此同时，基体也不断进行磨损，以保证金刚石具有充分的出刃；当金刚石磨损脱落后，基体中又露出新的金刚石继续工作。在切割、钻削和粗磨过程中刀头的锋利度决定了金刚石工具的工作效率。金刚石刀头的锋利度取决于金刚石的晶型、颗粒度、金刚石在基体中的分布密度和基体的性能等因素。金刚石的晶型、颗粒度及其在基体中的密度等均有行业标准可供选择，而基体的性能存在着不确定、不稳定和不可控，其性能主要取决于骨架材料、粘结剂和制造工艺。骨架材料在基体中起硬质点的作用，防止金刚石在工作中位移，同时应具有较好的冲击韧性、良好的导热性和成形性；其成分一般为难熔金属的碳化物，具有熔点高、硬度大的特点，且具有金属特性，如WC。粘结剂的作用是使骨架成分与金刚石粘结起来，要求具有较低的熔点，能很好的润湿碳化物和金刚石并使两相界面形成牢固结合；适合于作基体粘结成分的金属主要有Co、Fe、Ni、Sn、Zn、Ti、Cr、Mn、Sb、Ag、Au、Ge、W等。

根据金刚石工具基体中主要成分的不同，一般可将胎体划分为Co基、Cu基、Fe基等几大类。钴基是目前高品质金刚石制品中应用最多的体系。钴在所有金属元素中，是对金刚石润湿性相对较好的元素，而且钴具有其他金属所没有的低温粘结特性，在比其熔点低得多的温度下，高钴基体就可获得很好合金化程度，使其对金刚石形成很高的机械镶嵌力，同时钴对金刚石的侵蚀作用小，能够有效的保护金刚石。在钴基胎体中，钴的质量分数低于35%后，胎体性能急剧下降。由于钴的价格昂贵且资源匮乏，严重妨碍其大量推广应用，目前主要限于高档金刚石制品中使用。铜基基体具有良好的韧性、耐蚀性、导电导热性以及优异的成形性，烧结温度低，金刚石不易产生热损伤，铜基胎体的价格低廉，应用较广。铁与钴同处Ⅷ副族，许多性能和钴相近，其硬度和强度与钴基结合剂类似，韧性和自锐性比钴稍差，且铁资源丰富且价格便宜，是十分经济的胎体体系，因此应用非常广泛。

金刚石工具胎体烧结过程中粘结剂与骨架材料互为溶解-扩散，且扩散过程不确定导致刀头的锋利度难以控制，行业中采用弱化骨架和粘结材料的性能提高锋利度，但引发基体材料的强度下降，导致金刚石颗粒脱落，因此制造出金刚石刀具使用锋利、且把持效果好、能形成较高的金刚石出刃高度成为必要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂及其制备方法，该预合金粉添加剂具有更低的熔点，确保金刚石高的出刃高度和胎体对金刚石的强把持力。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂，包括以下重量份数的原料：85~95份合金粉、2~5份玻璃纤维。

进一步的，所述合金粉的化学组成及其质量份数为：6~9份磷、2~5份锡、20~35份铜。

进一步的，所述合金粉还包括1~4份的镍。

进一步的，所述合金粉还包括0~1份的硅。

进一步的，所述合金粉还包括0~0.1份的铪。

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、制备合金粉；

步骤二、将玻璃纤维进行改性，制得改性玻璃纤维粉末；

步骤三、将步骤一制得的合金粉与步骤二制得的改性玻璃纤维粉末放入球磨机中球磨2~4h，得到预合金粉添加剂，所述球磨机的转速为400~500r/min；

进一步的，步骤一中，合金粉的制备步骤如下：

S1、将原料配比后，置于熔炼炉中，在惰性氛围下将其熔融成合金液体；

S2、将S1得到的合金液体倒入底部设置有洞的中间包，通过气水雾化法制得雾化粉末；

S3、将S2制得的雾化粉末烘干，得到合金粉，所述干燥温度为：90~110℃，干燥时间为5~8h。

进一步的，步骤二中所述玻璃纤维进行改性的方法包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维置于马弗炉中煅烧，制得玻璃纤维粉末，备用；

（2）将玻璃纤维粉末置于质量浓度为40~50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡1~2h，搅拌均匀后，干燥，得到粗处理的玻璃纤维粉末；

（3）将粗处理的玻璃纤维粉末置于盛有沼液的发酵罐中发酵5~7h，待发酵结束后，将其取出干燥，得到二次处理的玻璃纤维粉末，备用，所述发酵的条件为：温度为30~34℃，转速为300~500r/min；

（4）将二次处理的玻璃纤维粉末置于炭化炉中进行炭化，得到最终的改性玻璃纤维粉末。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过向金刚石工具基体中添加预合金粉添加剂，使胎体合金的烧结温度降低，并拓宽了热压工艺范围，改善了该基体的显微结构和力学性能，提高胎体对金刚石的镶嵌能力，减少金刚石的热损伤，从而提高金刚石制品的使用寿命和切削效率；

（2）铜锡粉具有较低的熔点，其作为金刚石工具添加剂，在烧结过程中熔化生成液相，可有效连接胎体基体粉末，但锡的价格昂贵，成本较高，本发明采用磷代替部分锡制成预合金粉，减少成本，使得铜磷锡预合金粉具有更低的熔点，可进一步降低胎体烧结温度，其烧结过程中形成的液相与铜基粉末可发生良好的化学反应，提高基体强度，且铜基预合金粉中可添加Ni元素来改善金刚石工具胎体耐磨性或变形性，硅元素可细化晶粒，降低烧结时的扩散激活能，改善铜基预合金粉末的扩散性能；铪元素可提高基体材料的高温性能，微量的铪加入即可大幅提高材料的高温强度，使金刚石工具在较差的散热条件下仍能保持良好的性能；

（3）本发明的预合金粉添加剂还包括改性玻璃纤维粉末，将玻璃纤维先至于马弗炉中煅烧，去除纤维表面的浸润剂，再置于硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡，提高基体的润湿，将其放置在沼液中发酵使得有机质能够在玻璃纤维表面附着进入其孔隙结构中，在炭化过程中，玻璃纤维表面的有机质炭化，玻璃纤维表面的二氧化硅与其表面的炭质反应，生成碳化物过渡层，有助于提高玻璃纤维粉末与胎体的相容性，改性玻璃纤维粉末使胎体具有一定的脆性和提高胎体硬度，使体系的力学性能得到提升的同时可保证金刚石有较高的出刃高度，利用玻璃纤维粉末良好的导热性及润滑性，可降低工具工作过程中产生的热量且具有良好的散热性，保证工具的加工效率。

具体实施方式

下面结合实施例中的技术方案对本发明进行清楚、完整地描述。

实施例1：

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂，包括以下重量份数的原料：85份合金粉、2份玻璃纤维，所述合金粉的化学组成及其质量份数为：6份磷、2份锡、20份铜，还可以包括1份的镍。

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备合金粉；

步骤二、将玻璃纤维进行改性，制得改性玻璃纤维粉末；

步骤三、将步骤一制得的合金粉与步骤二制得的改性玻璃纤维粉末放入球磨机中球磨2~4h，得到预合金粉添加剂，所述球磨机的转速为500r/min；

进一步的，步骤一中，合金粉的制备步骤如下：

S1、将磷、锡、铜、镍配比后，置于熔炼炉中，在惰性氛围下将其熔融成合金液体，为降低胎体的烧结温度，使铜基预合金粉烧结过程中生成的液相与铜基基体粉末充分反应，其熔化温度区间应控制在700℃以下；

S2、将S1得到的合金液体倒入底部设置有洞的中间包，通过气水雾化法制得雾化粉末；

S3、将S2制得的雾化粉末烘干，得到合金粉，所述干燥温度为：90~110℃，干燥时间为5~8h。

其中步骤二中所述玻璃纤维进行改性的方法包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维置于马弗炉中煅烧，制得玻璃纤维粉末，备用；

（2）将玻璃纤维粉末置于质量浓度为40~50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡1~2h，搅拌均匀后，干燥，得到粗处理的玻璃纤维粉末；

（3）将粗处理的玻璃纤维粉末置于盛有沼液的发酵罐中发酵5~7h，待发酵结束后，将其取出干燥，得到二次处理的玻璃纤维粉末，备用，所述发酵的条件为：温度为30~34℃，转速为300~500r/min；

（4）将二次处理的玻璃纤维粉末置于炭化炉中进行炭化，得到最终的改性玻璃纤维粉末。

实施例2：

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂，包括以下重量份数的原料：90份合金粉、4份玻璃纤维，所述合金粉的化学组成及其质量份数为：7份磷、3份锡、30份铜，还包括2份的镍、0.5份的硅、0.05份的铪。

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备合金粉；

步骤二、将玻璃纤维进行改性，制得改性玻璃纤维粉末；

步骤三、将步骤一制得的合金粉与步骤二制得的改性玻璃纤维粉末置于放入球磨机中球磨2~4h，得到预合金粉添加剂，所述球磨机的转速为500r/min，所述球磨机可以盛有液氮；

进一步的，步骤一中，合金粉的制备步骤如下：

S1、将磷、锡、铜、镍、硅、铪配比后，置于熔炼炉中，在惰性氛围下将其熔融成合金液体；

S2、将S1得到的合金液体倒入底部设置有洞的中间包，通过气水雾化法制得雾化粉末；

S3、将S2制得的雾化粉末烘干，得到合金粉，所述干燥温度为：90~110℃，干燥时间为5~8h。

其中步骤二中所述玻璃纤维进行改性的方法包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维置于马弗炉中煅烧，制得玻璃纤维粉末，备用；

（2）将玻璃纤维粉末置于质量浓度为40~50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡1~2h，搅拌均匀后，干燥，得到粗处理的玻璃纤维粉末；

（3）将粗处理的玻璃纤维粉末置于盛有沼液的发酵罐中发酵5~7h，待发酵结束后，将其取出干燥，得到二次处理的玻璃纤维粉末，备用，所述发酵的条件为：温度为30~34℃，转速为300~500r/min；

（4）将二次处理的玻璃纤维粉末置于炭化炉中进行炭化，得到最终的改性玻璃纤维粉末。

实施例3：

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂，包括以下重量份数的原料：95份合金粉、5份玻璃纤维，所述合金粉的化学组成及其质量份数为：9份磷、5份锡、35份铜，还包括4份的镍、1份的硅、0.1份的铪。

一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备合金粉；

步骤二、将玻璃纤维进行改性，制得改性玻璃纤维粉末；

步骤三、将步骤一制得的合金粉与步骤二制得的改性玻璃纤维粉末放入球磨机中球磨2~4h，得到预合金粉添加剂，所述球磨机的转速为500r/min；

进一步的，步骤一中，合金粉的制备步骤如下：

S1、将磷、锡、铜、镍、硅、铪配比后，置于熔炼炉中，在惰性氛围下将其熔融成合金液体；

S2、将S1得到的合金液体倒入底部设置有洞的中间包，通过气水雾化法制得雾化粉末；

S3、将S2制得的雾化粉末烘干，得到合金粉，所述干燥温度为：90~110℃，干燥时间为5~8h。

其中步骤二中所述玻璃纤维进行改性的方法包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维置于马弗炉中煅烧，制得玻璃纤维粉末，备用；

（2）将玻璃纤维粉末置于质量浓度为40~50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡1~2h，搅拌均匀后，干燥，得到粗处理的玻璃纤维粉末；

（3）将粗处理的玻璃纤维粉末置于盛有沼液的发酵罐中发酵5~7h，待发酵结束后，将其取出干燥，得到二次处理的玻璃纤维粉末，备用，所述发酵的条件为：温度为30~34℃，转速为300~500r/min；

（4）将二次处理的玻璃纤维粉末置于炭化炉中进行炭化，得到最终的改性玻璃纤维粉末。

试验例：

通过雾化法分别制得Cu、Fe、Sn、Zn、Ni纯金属粉，将制得的Cu、Fe、Sn、Zn、Ni纯金属粉以及Cu、Fe、Sn、Zn、Ni纯金属粉与本发明制得的铜基预合金粉添加剂分别按表1、表2的质量份数混合后得到混合粉，将两种混合粉以及金刚石颗粒磨料装入石墨模具，然后在温度为680℃、压力为22MPa下进行热压烧结，烧结成尺寸为3.5mm×8mm×40mm的刀头。表1、表2表示混合粉原料的组成，如下表所示：

表1不含铜基预合金粉添加剂的刀头A混合粉原料组成

表2含铜基预合金粉添加剂的刀头B混合粉原料组成

对刀头A、刀头B进行了洛氏硬度、三点抗弯强度等性能的检测和对比。

[洛氏硬度]

将热压烧结得到的刀头表面经砂纸打磨去除氧化皮后，根据GB/T 230.1-2009标准进行洛氏硬度试验，刀头A、B的洛氏硬度分别为61.4HRB、67.8HRB，加入预合金粉添加剂后刀头硬度提升10.4%。

[抗弯强度]

根据GB/T 232-2010标准进行抗弯强度试验，刀头A、B的抗弯强度分别为898.9MPa、963.7MPa，加入预合金粉添加剂后刀头抗弯强度提升7.2%。

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 (3)

1.一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂，其特征在于：包括以下重量份数的原料：85~95份合金粉、2~5份玻璃纤维；

所述合金粉的化学组成及其质量份数为：6~9份磷、2~5份锡、20~35份铜、1~4份的镍、0~1份的硅、0~0.1份的铪；

所述玻璃纤维为改性玻璃纤维粉末，所述玻璃纤维进行改性的方法包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维置于马弗炉中煅烧，制得玻璃纤维粉末，备用；

（2）将玻璃纤维粉末置于质量浓度为40~50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液中浸泡1~2h，搅拌均匀后，干燥，得到粗处理的玻璃纤维粉末；

（3）将粗处理的玻璃纤维粉末置于盛有沼液的发酵罐中发酵5~7h，待发酵结束后，将其取出干燥，得到二次处理的玻璃纤维粉末，备用，所述发酵的条件为：温度为30~34℃，转速为300~500r/min；

（4）将二次处理的玻璃纤维粉末置于炭化炉中进行炭化，得到最终的改性玻璃纤维粉末。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、制备合金粉；

步骤二、将玻璃纤维进行改性，制得改性玻璃纤维粉末；

步骤三、将步骤一制得的合金粉与步骤二制得的改性玻璃纤维粉末放入球磨机中球磨2~4h，得到预合金粉添加剂，所述球磨机的转速为400~500r/min。

3.根据权利要求2所述的一种金刚石工具用铜基预合金粉添加剂的制备方法，其特征在于：步骤一中，合金粉的制备步骤如下：

S1、将原料配比后，置于熔炼炉中，在惰性氛围下将其熔融成合金液体；

S2、将S1得到的合金液体倒入底部设置有洞的中间包，通过气水雾化法制得雾化粉末；

S3、将S2制得的雾化粉末烘干，得到合金粉，所述烘干温度为：90~110℃，烘干时间为5~8h。