CN110586926B - 一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，步骤A，将金属钎焊料、金刚石颗粒和水基粘结剂进行加热捏合，然后造粒制成胎体注塑喂料；步骤B，通过注塑机将所述胎体注塑喂料和金属基体设在同一模具中注塑成一体；步骤C，对所述串珠毛坯进行水脱脂处理；步骤D，对所述串珠毛坯先进行真空热脱脂，然后升温至钎焊温度加压烧结，制成金刚石绳锯串珠。大大节省了能耗，简化了工艺，减少了合金胎体的贵金属用量，提高了金属基体与金属钎焊料的粘接强度以及金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力，避免现有金刚石钎焊工艺中钎焊料对金刚石颗粒的把持力低和金属钎焊料的厚度、均匀程度不可精准控制的问题。

Description

一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石绳锯串珠领域，尤其涉及一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法。
背景技术
金刚石绳锯是由圆筒状的金刚石绳锯串珠串到钢丝绳上，再通过橡塑间隔套将每个金刚石绳锯串珠固定起来，形成完整的金刚石绳锯，其中圆筒状的金刚石绳锯串珠是由圆筒状基体和基体外围的含金刚石颗粒的金刚石合金胎体构成。金刚石合金胎体可通过钎焊工艺制成，现有技术为先用钎焊剂将钎焊料调成糊状，然后用一个薄金属片或小刷子将钎焊料涂抹在基体上，基体表面必须进行除油、除锈，特别是钎焊处，钎焊处也可做喷砂处理，然后将金刚石撒在钎料上，最后经过高温烧结使钎料自由熔融在金刚石颗粒表面与金属基体上。
现有的钎焊工艺中钎焊料在基体上的包覆厚度、均匀程度全凭技工经验控制，无法实现精准化，烧结前要保证钎焊料保持湿润，若钎焊料干了则无法粘上金刚石颗粒。现有的钎焊工艺中钎焊料需使用大量贵金属才能包裹把持住金刚石颗粒，并且由于钎焊料在基体上不能均匀分布使得对金刚石颗粒的把持力下降，制得的金刚石绳锯串珠的切割效率低和使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，减少了合金胎体的贵金属用量，提高了金属基体与金属钎焊料的粘接强度以及金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力，避免现有金刚石钎焊工艺中钎焊料对金刚石颗粒的把持力低和金属钎焊料的厚度、均匀程度不可精准控制的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，包括以下步骤：
步骤A，将金属钎焊料、金刚石颗粒和水基粘结剂进行加热捏合，然后造粒制成胎体注塑喂料；其中，按照质量百分数计算，水基粘结剂的原料包括聚乙二醇45％～60％、改性PP粉14％～30％、乙烯基醋酸乙烯酯10％～20％、无规聚丙烯10％～15％和硬脂酸0.5％～2％；
步骤B，通过注塑机将所述胎体注塑喂料和金属基体设在同一模具中注塑成一体，所述胎体注塑喂料包覆于金属基体表面，注塑成型为金刚石合金胎体包覆于金属基体表面的串珠毛坯；
步骤C，对所述串珠毛坯进行水脱脂处理；
步骤D，对所述串珠毛坯先进行真空热脱脂，然后升温至钎焊温度加压烧结，制成金刚石绳锯串珠。
所述基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，通过水基粘结剂将金属钎焊料和金刚石颗粒混炼制成胎体注塑喂料，并将注塑成型技术应用到金属和金刚石的钎焊上，通过烧结制得金刚石绳锯串珠。钎焊胎体合金对金刚石颗粒的表面具有比热压烧结胎体合金更大的润湿角度，所以具有对金刚石更大的把持包裹能力，这样金刚石浓度可以得到很大的提高，可以使金刚石颗粒暴露出1/2以上，这样就极大地提高了金刚石绳锯串珠的锋利度，同时也提高了金刚石绳锯串珠的切割效率和使用寿命，采用所述水基粘结剂分散金刚石颗粒与金属钎焊料的密度，与现有热压工艺必须使用大量胎体金属才能包裹把持住金刚石颗粒相比，本发明的金属钎焊料使用量也减少很多，减少了合金胎体的贵金属用量。
所述基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法大大节省了能耗，简化了工艺，减少了合金胎体的贵金属用量，提高了金属基体与金属钎焊料的粘接强度以及金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力，避免现有金刚石钎焊工艺中钎焊料对金刚石颗粒的把持力低和金属钎焊料的厚度、均匀程度不可精准控制的问题，特别是在制造小尺寸与异形的金刚石绳锯串珠方面极具优势。
采用的水基粘结剂中成分可溶于水，从而对所述串珠毛坯脱脂时用水作为溶剂脱脂介质即可，避免使用油性溶剂介质(如汽油、三氯乙烷、正庚烷等易爆易燃、挥发性不环保的有机溶剂)，更为环保安全，降低脱脂成本。聚乙二醇(PEG)起到填料作用，聚乙二醇(PEG)为水溶性化合物可以通过水不同的温度调整溶解度，也可以通过化合物的不同聚合度调整在水中的饱和溶解度，从而实现串珠毛坯的水脱脂处理；改性PP粉(改性聚丙烯粉)引入部分极性高分子使聚丙烯与聚乙二醇容易相容；乙烯基醋酸乙烯酯(EVA)可提高金属钎焊料和金刚石颗粒的粘结力；无规聚丙烯(APP)在脱脂过程中起到骨架作用，防止脱脂时芯体毛坯发生塌陷；硬脂酸(SA)可促进注射，避免胎体注塑喂料的粘度太大而难以注射。
优选地，按照质量百分数计算，金属钎焊料的原料包括预合金粉Cu80Sn2080％～90％、超细Mo粉0.5％～2％、超细Cr粉1％～3％、TiAl粉1％～5％和超细Ni粉5％～10％；
其中，超细Mo粉的颗粒粒度≤2μm，超细Cr粉的颗粒粒度≤2μm，超细Ni粉的颗粒粒度≤3μm。
金属钎焊料由上述金属粉末混合而成。超细Mo粉和超细Cr粉对金刚石颗粒表面具有碳化活性，TiAl粉可增强对金刚石颗粒的把持力。所述金属钎焊料硬度高、抗冲击强度高，烧结出来的金刚石绳锯串珠的抗压强度和抗弯强度高。所述金属钎焊料中的各种粉料均从现有市场购买所得。
优选地，所述步骤A具体包括：
步骤A1，按照质量百分数计算，称取85～90％金属钎焊料和10～15％金刚石颗粒并装入混料机混合3～4小时，制得钎焊混合料；
步骤A2，按照质量百分数计算，称取80～90％所述钎焊混合料和10～20％水基粘结剂；
步骤A3，将步骤A2称取的水基粘结剂加入捏合机并加热至180℃～200℃；
步骤A4，待所述水基粘结剂熔融后，将步骤A2称取的钎焊混合料分多次加入步骤A3的捏合机中，并且每次须要待捏合机内原有的钎焊混合料熔融后才能往捏合机加入新的钎焊混合料，直至所有钎焊混合料加完后捏合机继续加热捏合1～2小时，制得捏合料；
步骤A5，将步骤A4制得的捏合料从捏合机取出，自然冷却后通过破碎机破碎成颗粒状的所述胎体注塑喂料。
先将金属钎焊料和金刚石颗粒混合均匀，以保证制得的金刚石合金胎体上金刚石颗粒分布均匀。金刚石浓度在金刚石工具中是按体积浓度计算：V金刚石/(V金刚石+V金属胎体)，金刚石浓度为100％时金刚石的体积分数比为25％，即本发明中金刚石的体积和金属钎焊料的体积之比要设置为1：4，而金刚石颗粒的密度3.52g/cm3，金属钎焊料的密度为8.23g/cm3，因此设置85～90％金属钎焊料和10～15％金刚石颗粒，则金刚石浓度可达到100％。现有的金刚石绳锯串珠中金刚石的体积和金属钎焊料的体积之比为1：10～1：12，金刚石浓度为30～40％，由于本发明添加了水基粘结剂来提高金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力度，可将金刚石浓度提高至100％，大大地提高了金刚石绳锯串珠对被切削的对象(如石材)的切割效率。
待所述水基粘结剂熔融后，为避免一次全加入所述钎焊混合料造成熔融、捏合时间过长，高温促使所述金属钎焊料氧化，因此分多次加入所述钎焊混合料，每次加入时钎焊混合料颗粒的表面可快速包裹一层水基粘结剂膜，从而与空气隔绝，避免钎焊混合料颗粒发生氧化。例如，可分四次加入所述钎焊混合料：第一次加入钎焊混合料总量的1/2，待料完全熔融后，第二次再加入余量的1/2，第三次再加入余量的1/2,最后将余料全部加完，继续加热捏合1小时，关闭加热电源，自然冷却成块状用破碎机破碎成颗粒状的所述胎体注塑喂料。
优选地，金刚石颗粒的颗粒粒度为30～45目，聚乙二醇的聚合度为400～2000，金刚石颗粒的密度3.52g/cm3，金属钎焊料的密度为8.23g/cm3。
30～45目的金刚石颗粒在确保金属钎焊料对金刚石颗粒有足够的把持力的情况下，大大地提高对被切削的对象的切削效率。聚乙二醇的聚合度为400～2000时，在水中的饱和溶解度较好。
优选地，所述步骤B中，先在注塑机的模具中放入金属基体，然后往模具注射所述胎体注塑喂料，胎体注塑喂料包覆于金属基体表面，注射的胎体注塑喂料的厚度为2～3mm；所述注塑机的工作温度为200℃。通过注塑机使得胎体注塑喂料的厚度可控。
优选地，所述步骤C具体包括：
步骤C1，将步骤B制得的所述串珠毛坯放入纯净水中浸泡4～6小时，然后将所述串珠毛坯取出并清洗干净，
步骤C2，将经过步骤C1处理的所述串珠毛坯放入新的纯净水中浸泡2～3小时，然后将所述串珠毛坯取出、清洗和干燥；其中，步骤C1和步骤C2中的纯净水的重量均为所述串珠毛坯的重量的20倍。
水脱脂是将毛坯中的粘结剂在烧结前使用纯净水可以溶解粘结剂中某些成分，经过浸泡将其溶解出毛坯。采用两次浸汲溶剂脱脂萃取，即步骤C1和步骤C2，可除去水基粘结剂90％左右的成分，从而经过步骤C后串珠毛坯中水基粘结剂的残余量很少，可提高后续真空热脱脂的效率。
优选地，所述步骤D具体包括：
步骤D1，将经过步骤C处理后的所述串珠毛坯放入真空加压烧结炉，所述真空加压烧结炉的真空度<10Pa，所述真空加压烧结炉先以100℃/h的升温速率从室温升至200℃，保温1.5小时后以50℃/h的升温速率升至300℃，然后以100℃/h的速率加热到650℃；
步骤D2，所述真空加压烧结炉在650℃保温1小时，同时通入氢气，控制炉内压力为0.1MPa，完成真空热脱脂；
步骤D3，所述真空加压烧结炉以150℃/h的升温速率从650℃升至900℃，保温0.5小时，进行真空烧结；
步骤D4，所述真空加压烧结炉在900℃继续保温15min，同时通入氩气，控制炉内压力提高至6MPa，进行加压烧结；
步骤D5，停止所述真空加压烧结炉运行，降温至室温，制得金刚石绳锯串珠。
真空热脱脂利用真空作用提高了高分子蒸气压，促进分解，减少脱脂残留物，加快脱脂速度和效率。水脱脂后串珠毛坯中还残留少量水基粘结剂成分，必须通过真空热脱脂的热分解才能排除。
现有的金刚石绳锯串珠制备方法为首先采用冷压成型制取毛坯后，第一步先无压预烧结串珠毛坯，第二步再进行热等静压烧结，两次高温烧结周期时间长，功耗大，工序多，质量不稳定，所需压力大(一般压力：100MPa～200MP)，高纯度Ar氩气用量大，成本高。
步骤D将串珠毛坯放入真空加压烧结炉中一次性完成热脱脂、氢气还原、真空烧结、加压烧结这四步工艺的全过程，二次加压烧结产生的串珠毛坯与空气接触情况对串珠毛坯造成氧化和污染，采用金属粉末注射成型技术与真空加压烧结可以克服传统钎焊工艺的许多缺点，经过加压烧结的毛坯串珠密度接近理论密度，使金属钎焊的胎体强度极大提高，金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力度也极大的改善，提高了金刚石绳锯串珠的使用寿命。
步骤D1中所述真空加压烧结炉的真空度<10Pa，真空度越高粘结剂中的树脂和残留物越容易分解挥发，减少串珠毛坯的积碳效应。
在混料、注塑和水脱脂过程中金属钎焊料不可避免地受到水雾、空气等污染，使得金属钎焊料表面产生氧化层。步骤D2在真空热脱脂尾段过程通入氢气，以还原金属钎焊料颗粒表面在混料、注塑和水脱脂过程中的发生氧化和污染，增强了金属钎焊料对金刚石颗粒表面的碳化作用和对金刚石颗粒的把持力，由于金属钎焊料表面被还原而增强了颗粒烧结的反应活性，降低了烧结温度，提高了金刚石合金胎体的烧结致密度，接近100％理论密度。
步骤D4加氩气进行加压烧结，提高金刚石绳锯串珠的密度和强度，减少金刚石绳锯串珠中的气孔和裂纹缺陷；由现有的所需压力100MPa～200MPa降低至6MPa,大大减少了高纯度氩气的用量，且能达到同样的技术要求。
优选地，所述注塑机为立式注塑机，所述破碎机为颚式破碎机。
所述基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法大大节省了能耗，简化了工艺，减少了合金胎体的贵金属用量，提高了金属基体与金属钎焊料的粘接强度以及金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力，避免现有金刚石钎焊工艺中钎焊料对金刚石颗粒的把持力低和金属钎焊料的厚度、均匀程度不可精准控制的问题，特别是在制造小尺寸与异形的金刚石绳锯串珠方面极具优势。采用的水基粘结剂中成分可溶于水，从而对所述串珠毛坯脱脂时用水作为溶剂脱脂介质即可，避免使用油性溶剂介质(如汽油、三氯乙烷、正庚烷等易爆易燃、挥发性不环保的有机溶剂)，更为环保安全，降低脱脂成本。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1～5
实施例1～5根据表1称取各原料，其中，金属钎焊料中超细Mo粉的颗粒粒度≤2μm，超细Cr粉的颗粒粒度≤2μm，超细Ni粉的颗粒粒度≤3μm；金刚石颗粒的颗粒粒度为30～45目，聚乙二醇的聚合度为1000，金刚石颗粒的密度3.52g/cm3，金属钎焊料的密度为8.23g/cm3。
并且实施例1～5根据以下步骤制备基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法：
Figure BDA0002201039560000081
表1
步骤A、制备胎体注塑喂料
步骤A1，根据表1称取金属钎焊料和金刚石颗粒并装入混料机混合3小时，制得钎焊混合料；
步骤A2，根据表1称取所述钎焊混合料和水基粘结剂；
步骤A3，将步骤A2称取的水基粘结剂加入捏合机并加热至200℃；
步骤A4，待所述水基粘结剂熔融后，将步骤A2称取的钎焊混合料分4次加入步骤A3的捏合机中，并且每次须要待捏合机内原有的钎焊混合料熔融后才能往捏合机加入新的钎焊混合料，直至所有钎焊混合料加完后捏合机继续加热捏合2小时，制得捏合料；
步骤A5，将步骤A4制得的捏合料从捏合机取出，自然冷却后通过破碎机破碎成颗粒状的所述胎体注塑喂料；
步骤B，先在注塑机的模具中放入金属基体，然后往模具注射所述胎体注塑喂料，所述胎体注塑喂料包覆于金属基体表面，注塑成型为金刚石合金胎体包覆于金属基体表面的串珠毛坯，注射的胎体注塑喂料的厚度为2～3mm，注塑机的工作温度为200℃；
步骤C、对对所述串珠毛坯进行水脱脂处理
步骤C1，将步骤B制得的所述串珠毛坯放入纯净水中浸泡5小时，然后将所述串珠毛坯取出并清洗干净，
步骤C2，将经过步骤C1处理的所述串珠毛坯放入新的纯净水中浸泡2小时，然后将所述串珠毛坯取出、清洗和干燥；
其中，步骤C1和步骤C2中的纯净水的重量均为所述串珠毛坯的重量的20倍；
步骤D、真空热脱脂和真空加压烧结
步骤D1，将经过步骤C处理后的所述串珠毛坯放入真空加压烧结炉，所述真空加压烧结炉的真空度<10Pa，所述真空加压烧结炉先以100℃/h的升温速率从室温升至200℃，保温1.5小时后以50℃/h的升温速率升至300℃，然后以100℃/h的速率加热到650℃；
步骤D2，所述真空加压烧结炉在650℃保温1小时，同时通入氢气，控制炉内压力为0.1MPa，完成真空热脱脂；
步骤D3，所述真空加压烧结炉以150℃/h的升温速率从650℃升至900℃，保温0.5小时，进行真空烧结；
步骤D3，所述真空加压烧结炉在900℃继续保温15min，同时通入氩气，控制炉内压力提高至6MPa，进行加压烧结；
步骤D4，停止所述真空加压烧结炉运行，降温至室温，制得金刚石绳锯串珠。
所述基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，通过水基粘结剂将金属钎焊料和金刚石颗粒混炼制成胎体注塑喂料，并将注塑成型技术应用到金属和金刚石的钎焊上，通过烧结制得金刚石绳锯串珠。钎焊胎体合金对金刚石颗粒的表面具有比热压烧结胎体合金更大的润湿角度，所以具有对金刚石更大的把持包裹能力，这样金刚石浓度可以得到很大的提高，可以使金刚石颗粒暴露出1/2以上，这样就极大地提高了金刚石绳锯串珠的锋利度，同时也提高了金刚石绳锯串珠的切割效率和使用寿命，采用所述水基粘结剂分散金刚石颗粒与金属钎焊料的密度，与现有热压工艺必须使用大量胎体金属才能包裹把持住金刚石颗粒相比，本发明的金属钎焊料使用量也减少很多，减少了合金胎体的贵金属用量。
所述基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法大大节省了能耗，简化了工艺，减少了合金胎体的贵金属用量，提高了金属基体与金属钎焊料的粘接强度以及金属钎焊料对金刚石颗粒的把持力，避免现有金刚石钎焊工艺中钎焊料对金刚石颗粒的把持力低和金属钎焊料的厚度、均匀程度不可精准控制的问题，特别是在制造小尺寸与异形的金刚石绳锯串珠方面极具优势。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，将金属钎焊料、金刚石颗粒和水基粘结剂进行加热捏合，然后造粒制成胎体注塑喂料；其中，按照质量百分数计算，水基粘结剂的原料包括聚乙二醇45％～60％、改性PP粉14％～30％、乙烯基醋酸乙烯酯10％～20％、无规聚丙烯10％～15％和硬脂酸0.5％～2％；
步骤B，通过注塑机将所述胎体注塑喂料和金属基体设在同一模具中注塑成一体，所述胎体注塑喂料包覆于金属基体表面，注塑成型为金刚石合金胎体包覆于金属基体表面的串珠毛坯；
步骤C，对所述串珠毛坯进行水脱脂处理；
步骤D，对所述串珠毛坯先进行真空热脱脂，然后升温至钎焊温度加压烧结，制成金刚石绳锯串珠。
2.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于：按照质量百分数计算，金属钎焊料的原料包括预合金粉Cu80Sn20 80％～90％、超细Mo粉0.5％～2％、超细Cr粉1％～3％、TiAl粉1％～5％和超细Ni粉5％～10％；
其中，超细Mo粉的颗粒粒度≤2μm，超细Cr粉的颗粒粒度≤2μm，超细Ni粉的颗粒粒度≤3μm。
3.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
步骤A1，按照质量百分数计算，称取85～90％金属钎焊料和10～15％金刚石颗粒并装入混料机混合3～4小时，制得钎焊混合料；
步骤A2，按照质量百分数计算，称取80～90％所述钎焊混合料和10～20％水基粘结剂；
步骤A3，将步骤A2称取的水基粘结剂加入捏合机并加热至180℃～200℃；
步骤A4，待所述水基粘结剂熔融后，将步骤A2称取的钎焊混合料分多次加入步骤A3的捏合机中，并且每次须要待捏合机内原有的钎焊混合料熔融后才能往捏合机加入新的钎焊混合料，直至所有钎焊混合料加完后捏合机继续加热捏合1～2小时，制得捏合料；
步骤A5，将步骤A4制得的捏合料从捏合机取出，自然冷却后通过破碎机破碎成颗粒状的所述胎体注塑喂料。
4.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于：金刚石颗粒的颗粒粒度为30～45目，聚乙二醇的聚合度为400～2000，金刚石颗粒的密度3.52g/cm3，金属钎焊料的密度为8.23g/cm3。
5.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于：所述步骤B中，先在注塑机的模具中放入金属基体，然后往模具注射所述胎体注塑喂料，胎体注塑喂料包覆于金属基体表面，注射的胎体注塑喂料的厚度为2～3mm；
所述注塑机的工作温度为200℃。
6.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
步骤C1，将步骤B制得的所述串珠毛坯放入纯净水中浸泡4～6小时，然后将所述串珠毛坯取出并清洗干净，
步骤C2，将经过步骤C1处理的所述串珠毛坯放入新的纯净水中浸泡2～3小时，然后将所述串珠毛坯取出、清洗和干燥；
其中，步骤C1和步骤C2中的纯净水的重量均为所述串珠毛坯的重量的20倍。
7.根据权利要求1所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
步骤D1，将经过步骤C处理后的所述串珠毛坯放入真空加压烧结炉，所述真空加压烧结炉的真空度<10Pa，所述真空加压烧结炉先以100℃/h的升温速率从室温升至200℃，保温1.5小时后以50℃/h的升温速率升至300℃，然后以100℃/h的速率加热到650℃；
步骤D2，所述真空加压烧结炉在650℃保温1小时，同时通入氢气，控制炉内压力为0.1MPa，完成真空热脱脂；
步骤D3，所述真空加压烧结炉以150℃/h的升温速率从650℃升至900℃，保温0.5小时，进行真空烧结；
步骤D4，所述真空加压烧结炉在900℃继续保温15min，同时通入氩气，控制炉内压力提高至6MPa，进行加压烧结；
步骤D5，停止所述真空加压烧结炉运行，降温至室温，制得金刚石绳锯串珠。
8.根据权利要求3所述的基于钎焊的金刚石绳锯串珠制备方法，其特征在于：所述注塑机为立式注塑机，所述破碎机为颚式破碎机。
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