CN109986082B - 一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：S1、将铁粉和结合剂微粒，置于高能球磨机中球磨，得强化后的机械合金化微粒；S2、用机械合金化微粒冷压成铁剂基体；S3、取机械合金化微粒加造孔材料，得胎体粉末，冷压成薄坯，打孔，布置金刚石，将薄坯组合制成刀头形状，烧结即得金刚石刀头；S4、使用焊接材料将金刚石刀头焊接在铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品装模、热压烧结、拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。本发明提出的制备方法，环境友好，制备成本低，基体和金刚石的结合力强，刀头的硬度和强度高，锋利度好，耐磨性好。

Description

一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石工具的制备技术领域，尤其涉及一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法。
背景技术
金刚石锯片是一种切割工具，广泛应用于混凝土、耐火材料、石材，陶瓷等硬脆材料的加工。金刚石锯片主要由基体与刀头两部分组成，其中，基体是主要支撑部分，而刀头主要起的是切割作用。而刀头中使用的胎体多数为钴基胎体或是铁基胎体，相对钴基胎体而言铁基胎体的变形性要远大于钴基胎体，且工具锋利度较差，但耐磨性能要明显高于钴基胎体。而且金刚石锯片上的刀头通常会使用胎体结合剂，金属结合剂是胎体结合剂中使用最广泛的一种，其是20世纪50年代开始使用的，发达国家使用钴结合剂制造了金刚石工具；直到80年代捷克一家公司才研究了铁铝铜结合剂用于制造金刚石工具，90年代中国华侨大学陈先教授成功选用含铁50％左右的配方制备了用于切割石材的金刚石刀头，增大了铁在金属结合剂中的用量，减少了铜、钴、铬等元素对环境的污染。基于现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法。
一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取电解铁粉、还原铁粉、铸铁粉、活化超细铁粉或磷铁粉中任意两种，置于高能球磨机中，同时加入结合剂微粒，进行混合，其中，结合剂微粒为板状Al2O3、SiC、CeO2、Y2O3、Zr02、C或金刚石中的任意一种，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中结合剂微粒植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入造孔材料，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于410～420℃烧结20～30min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
优选的，所述造孔材料为碳酸铵、石墨粒或陶瓷球中的任意一种。
优选的，所述薄坯的层数比金刚石的层数少一层。
优选的，所述焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜20％～30％，锡2％～6％，锌0.5％～1.5％，余量为铁粉。
优选的，所述焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜25％，锡4％，锌1％，铁粉70％。
优选的，所述焊接材料中的铁粉为普通铁粉和超细铁粉的混合物，且超细铁粉占焊接材料总质量的1％～3％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的制备方法，铁族元素为粘结相，通过粉末冶金的方法制备多相复合材料，经活化处理过铁粉具有粒度细而均匀、纯度高、流动性好、易成形和烧结的特点，且经活化的铁粉耐磨性能显著提高，还可以大幅降低对环境的污染，符合绿色制造的理念；
2、经活化处理过的铁粉对金刚石具有较好的润湿性和较大的附着功，铁的膨胀系数比Cu、Co、Ni都低，在加热冷却过程中体积效应较小，能有效减小裂纹发生倾向；
3、铁与C、Si的相容性好，可形成化合物Fe3C、Fe2Si、FeSi，降低金刚石和结合剂间的内界面张力，提高其对金刚石的粘结性，改善结合剂对金刚石的润湿，减少结合剂金刚石的非正常脱落；
4、在制备机械合金化微粒过程中将结合剂微粒植入矩阵,可以改善机械合金化微粒制成的刀头的强度和硬度，增加金刚石工具的工作寿命；
5、为提高刀头的锋利度，采用造孔剂技术对刀头进行处理，可以避免大量的人工操作，降低处理成本，提高处理效率；
6、采用合理比例铁粉、铜、锡和锌复配而成的焊接材料将基体和金刚石刀头结合在一起，以提高金刚石工具的安全性，增加金刚石刀头和基体的结合强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
本发明提出的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取还原铁粉、活化超细铁粉，置于高能球磨机中，同时加入Y2O3，两种铁粉颗粒进行混合，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中Y2O3植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入碳酸铵，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于415℃烧结25min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
本发明中，焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜25％，锡4％，锌1％，超细铁粉2％，普通铁粉68％。
实施例二
本发明提出的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取电解铁粉、还原铁粉，置于高能球磨机中，同时加入板状Al2O3，两种铁粉颗粒进行混合，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中板状Al2O3植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入碳酸铵，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于420℃烧结20min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
本发明中，焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜28％，锡2％，锌0.5％，超细铁粉1.5％，普通铁粉68％。
实施例三
本发明提出的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取铸铁粉、活化超细铁粉，置于高能球磨机中，同时加入SiC，两种铁粉颗粒进行混合，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中SiC植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入碳酸铵，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于410℃烧结25min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
本发明中，焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜30％，锡6％，锌0.5％，超细铁粉2.5％，普通铁粉61％。
实施例四
本发明提出的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取活化超细铁粉、磷铁粉，置于高能球磨机中，同时加入Zr02，两种铁粉颗粒进行混合，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中Zr02植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入碳酸铵，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于415℃烧结30min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
本发明中，焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜25％，锡6％，锌1.5％，超细铁粉1.5％，普通铁粉66％。
上述实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中，薄坯的层数比金刚石的层数少一层。
对实施例一制备的铁剂基体和结合剂的金刚石工具进行基本尺寸和性能的检测，结果如下：
Figure GDA0002760643100000081
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、机械合金化微粒的制备：选取电解铁粉、还原铁粉、铸铁粉、活化超细铁粉或磷铁粉中任意两种，置于高能球磨机中，同时加入结合剂微粒，进行混合，其中，结合剂微粒为板状Al2O3、SiC、CeO2、Y2O3、Zr02、C或金刚石中的任意一种，随着球磨碾压和高动能撞击，铁粉颗粒变形，形成层状结构，在高能球磨过程中结合剂微粒植入矩阵，继续高能球磨即得到强化后的机械合金化微粒；
S2、基体的制备：用步骤S1制备的机械合金化微粒冷压成铁剂基体，备用；
S3、刀头的制备：取步骤S1制备的机械合金化微粒，加入造孔材料，混合均匀得胎体粉末，然后将胎体粉末冷压成片状的薄坯，再按照金刚石的排布方式在薄坯上打孔，然后将金刚石定向有序的布置在薄坯上，然后将若干个薄坯组合在一起置于冷压机中制成刀头形状，然后转移至真空烧结炉中，于410～420℃烧结20～30min，即得金刚石刀头；
S4、基体和金刚石刀头的结合：使用焊接材料将步骤S3制备的金刚石刀头牢固的焊接在步骤S2制备的铁剂基体上，得金刚石工具半成品，将金刚石工具半成品竖向装模，进行热压烧结，并对模具施加横向压力，烧结结束后进行拆模、磨弧、开刃和修整即得铁剂基体和结合剂的金刚石工具。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述造孔材料为碳酸铵、石墨粒或陶瓷球中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述薄坯的层数比金刚石的层数少一层。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜 20%～30%，锡2%～6%，锌 0.5%～1.5%，余量为铁粉。
5.根据权利要求4所述的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述焊接材料包括以下重量百分比的原料：铜 25%，锡4%，锌 1%，铁粉 70%。
6.根据权利要求5所述的一种基于铁剂基体和结合剂的金刚石工具的制备方法，其特征在于，所述焊接材料中的铁粉为普通铁粉和超细铁粉的混合物，且超细铁粉占焊接材料总质量的1%～3%。
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