CN110653373B - 一种多孔金刚石磨具用胎体材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔金刚石磨具用胎体材料及制备方法，它由一定比例的铜包铁镍铬铈合金、铜包石墨、铜锡合金、硅铁合金粉末、造孔剂蔗糖组成，制备步骤是：A、将铁、镍、铬、铈金属放置于中频炉中，氮气保护下，熔化后加入石墨粉，再使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末；B、铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在表面包覆铜。铜锡合金、硅铁合金粉末均是氮气保护下，金属单质在中频炉加热熔化后，高压水将液态金属击碎雾化形成；C、铜包石墨粉直接通过化学法包覆制备；D、所有胎体粉末材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具。该配方合理，使用效果好，降低了烧结温度，增强了对金刚石的把持力，确保了金刚石的出刃高度，提高了使用寿命。

Description

一种多孔金刚石磨具用胎体材料及制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体涉及一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，同时还涉及一种一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料的制备方法。
背景技术
金刚石行业里，通常从以下两个方面提高金刚石工具的综合性能，即1)使用高品质的金刚石；2)采用与之相匹配的胎体材料，确保金刚石磨削时的出刃高度和胎体对金刚石的强把持力以确保金刚石磨削过程中不脱落。经过多年努力，目前中国金刚石合成技术世界领先，金刚石的品质问题已得到很好的解决。同时通过多年的摸索与提高，与之匹配的胎体材料——预合金粉制备与使用技术也逐渐走向成熟，并在金刚石刀具上得到广泛应用。金刚石刀具使用寿命和性能较以往都有了大幅度的提高，广受消费者好评。
但是，作为另一类重要的金刚石工具——金刚石磨具，预合金粉的应用研究则大为落后。一般来说，影响磨具磨削性能的因素是磨料(金刚石)、结合剂(胎体材料)和气孔。一般来说，胎体组织致密，则强度高、耐磨性好、几何形状保持性好，但磨削时的冷却润滑性能差，容易产生发热烧伤和堵塞现象。反之，疏松的组织则有相反的结果。
目前，市场上常见的金属基的金刚石磨具大都采用青铜基胎体，这种胎体对金刚石的把持力欠佳、散热一般，但价格较贵。这种通过粉末冶金的方法，简单地使用磨料和各种单质铜粉、锡粉等混合后制备的铜基磨具其气孔大小、形状及分布往往很不易控制，造成使用过程中，热烧伤和堵塞的情况时有发生。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种散热性好的多孔金刚石磨具用胎体材料，配方合理，使用效果好，降低了烧结温度，增强了对金刚石的把持力，确保了金刚石的出刃高度，提高了磨具的使用寿命。
本发明的另一个目的是在于提供了一种散热性好的多孔金刚石磨具用胎体材料的制备方法，方法易行，操作简便。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
其技术构思是：在胎体材料中加入一定造孔剂—蔗糖，并通过蔗糖的粒径大小和用量来控制磨具中孔的大小及分布，以此来达到磨削过程中散热的目的。
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000021
所述的蔗糖，即食糖，双糖的一种，由一分子葡萄糖的半缩醛羟基与一分子果糖的半缩醛羟基彼此缩合脱水而成。蔗糖有甜味，无气味，易溶于水和甘油，微溶于醇。相对密度1.587(25℃)。有旋光性，但无变旋光作用。蔗糖几乎普遍存在于植物界的叶、花、茎、种子及果实中。在甘蔗、甜菜及槭树汁中含量尤为丰富。蔗糖味甜，是重要的食品和甜味调味品。分为白砂糖、赤砂糖、绵白糖、冰糖、粗糖。
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成(较好范围)：
Figure BDA0002252771330000022
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成(较好范围)：
Figure BDA0002252771330000023
Figure BDA0002252771330000031
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成(最好范围)：
Figure BDA0002252771330000032
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成(具体值)：
Figure BDA0002252771330000033
优选的，本发明中，造孔剂蔗糖的粒径范围为150μm～178μm(即颗粒目数为80目～100目之间)；
可选的，本发明中，铜包铁镍铬铈合金粉末粒度为粒径小于75μm(即颗粒目数大于200目)。
可选的，铜包铁镍铬铈合金粉末中，铜的质量含量为15-18份、铁的质量含量为56-68份、镍的质量含量为15-20份、铬的质量含量为1-3份、铈的质量含量1-3份。
进一步，优选的，铜包铁镍铬铈合金粉末中，铜的含量为18份、铁的含量为61份、镍的含量为18份、铬的含量为2份、铈的含量1份。
可选的，本发明中，铜包石墨粉末粒度为粒径小于48μm(即颗粒目数大于300目)。
可选的，本发明中，铜锡合金粉末粒度为粒径小于75μm(即颗粒目数大于300目)。
可选的，本发明中，硅铁合金粉末粒度为粒径小于48μm(即颗粒目数大于300目)。
本发明中，选择铜包铁镍铬铈合金粉末、铜包石墨粉末和蔗糖为多孔金刚石磨具胎体材料以及占原料组成的比例、粒度多少是本发明关键。
与现有技术相比，查阅相关文献，并未有使用本配方用于金刚石磨具的相关报道。相比仅存在少量微孔而无需重点考虑强度因素(这与磨具的使用寿命直接相关)的金刚石刀具(只需要考虑粉末之间相容性和烧结性)来说，多孔的金刚石磨具则需要因为大量孔的存在，而使得强度因素不得不作为关键因素来重点考虑。因此，在众多的合金粉中，在考虑成本因素的同时，选择一种强度合适的合金粉作为骨架材料则显得尤为重要。
本发明中，在胎体中占据骨架结构的为铜包铁镍铬铈合金粉末。该预合金粉末的使用，首先能够保证骨架各种成分在整个磨具中得以均匀分布，大大降低了烧结过程中金属原子的扩散所需的能量，烧结性能好，烧结温度低，能缩短烧结时间，从根本上避免了传统机械单质粉末混合带来的成分偏析，组织不均匀所带来磨削过程中局部区域耐磨程度不一而造成局部磨损过快，使得磨具使用寿命大幅减少的情况；其次，所选用的铜包铁镍铬铈合金粉末，镍的加入可以提高粉末高温下的强度，即耐磨性，而掺入了少量的铬和铈则进一步的强化了这一性能。这样就避免了因为大量孔的存在而造成磨具使用寿命无法满足的情况。磨具的强度(使用寿命)和散热性都得到了很好的保证；最后，铜包覆之后可以避免该骨架粉末与组成磨具的其他粉末因为成分不同在烧结时因不互溶而造成的最后的磨具的强度低、不耐磨的情况。
其次，本发明中通过使用的铜包石墨粉末和造孔剂蔗糖作为胎体材料，通过调整二者的添加量能保证较长的使用寿命的同时也能满足散热的需要。在不影响锋利度的前提下，由于石墨的润滑作用，金刚石磨具的耐磨性有大幅度提高，使用寿命改善明显。同时，选用蔗糖作为造孔剂，一方面成本低廉易得，另一方面蔗糖能够在加压烧结过程中缓慢逐渐熔解，生成的孔隙易保持、分布均匀，且可方便进行调节。所制造出来的多孔金属磨块中的大量孔能充分起到散热的作用，从而大幅度的减少磨具使用过程中热烧伤和堵塞现象的发生。
一种耐磨性好的金刚石磨具用胎体材料的制备方法，其步骤是：
A、将按配比称量好的各种铁、镍、铬、铈金属单质放置于中频炉中，并使用氮气成气幕，隔绝空气，待混合金属完全融化为液态状时，将准备好的石墨粉添加进去，数分钟(1-3分钟)后，在水压为约69-71MPa条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末。
B、将步骤A所制备出来的铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在其表面包覆一层铜，形成铜包铁镍铬铈合金粉末。而铜锡合金粉末和硅铁合金粉末均是氮气成气幕下，组成该粉末的金属单质先中频炉加热(功率200w)成液态后，再在水压为约69-71MPa条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化形成。
C、铜包石墨粉的制备方法是将铜通过化学方法包覆在石墨粉上形成，具体过程可参考相关文献(黄兴华，电镀铜包球形石墨粉工艺研究，湖南大学硕士论文，2011年)。
D、将所有的胎体粉末和金刚石磨料制备成金刚石磨具，具体过程如下：
1)称量混料：称量满足质量要求一定配比的各种胎体材料，即铜包铁镍铬铈合金粉末、铜包石墨粉末、铜锡合金粉末、硅铁合金粉末、蔗糖到三维混料锅内，并且按照胎体材料与金刚石磨料的质量份数比为10份:0.5份加入金刚石磨料，混料时间8-12h；
2)冷压成型：将混合好的胎体和金刚石粉末用自动冷压机于7-8MPa下冷压成型。
3)装模热压烧结：将压制好的冷压片装入石墨模具内，并用自动热压机烧结，烧结温度为825℃、1.5-2分钟，压力为75-80KN。
4)拆模溶解干燥：热压完毕后，拆开磨具将压制好的磨具取出后将毛刺用磨轮磨掉。接着，将无毛刺的磨块放入清水中，浸泡2h，将其中的蔗糖充分溶解后取出放置于烘箱内，110℃下2h，充分干燥。
5)开刃：将干燥完毕后的磨具用自动开刃机处理即得到多孔金刚石磨具。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中按照该配方所制备出来的金属磨具，其使用寿命长的同时，也能保证散热，大幅度的降低了磨具使用过程中热烧伤和堵塞现象的发生。
本发明中，在上述胎体材料中添加磨料级金刚石，通过后续工艺即可制成金刚石磨具。因为胎体为全预合金粉末，所以该胎体材料烧结性能好，组织均匀，胎体对金刚石的把持效果好，能形成较高的金刚石出刃高度，通过合理控制普通磨料的粒度和浓度，能显著提高加工效率。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000061
一种耐磨性好的金刚石磨具用胎体材料的制备方法，其步骤是：
1)铜包铁镍铬铈合金粉末的制备方法：称量好76份的铁、20份镍、3份铬、1份铈金属单质放置于中频炉中，并使用氮气成气幕，隔绝空气，待混合金属完全融化为液态状时，将准备好的石墨粉(每炉20g，用于除氧)添加进去，1分钟后，在70MPa水压条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末。然后，所制备出来的铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在其表面包覆一层铜，形成铜包铁镍铬铈合金粉末。铜包铁镍铬铈合金粉末中铜含量为17.5份，铁含量59.5份，镍含量20份，铬3份、铈1份。
2)铜锡合金粉末和硅铁合金粉末的制备方法：氮气成气幕下，组成该粉末的金属单质先中频炉加热成液态后，再在水压为约70MPa条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化形成。铜锡合金粉末中，铜含量30份，锡含量70份。硅铁合金粉末中，硅含量75份，铁25份，市场均有相关产品售卖。
3)铜包石墨粉：直接通过化学法包覆上去的，市场有相关产品售卖。
4)蔗糖：将蔗糖粉碎后过筛，即要求粒度能通过80目筛，但不能通过100目筛。
将所有的胎体粉末材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具，具体过程如下：
1)称量混料：称量满足质量要求胎体材料，即铜包铁镍铬铈合金粉末5.5公斤、铜包石墨粉末1.5公斤、铜锡合金粉末1公斤、硅铁合金粉末0.5公斤、蔗糖1.5公斤以及80目金刚石磨料0.5公斤到三维混料锅内，混料时间12h；
2)冷压成型：将混合好的胎体和金刚石粉末用自动冷压机于7MPa下冷压成型。
3)装模热压烧结：将压制好的冷压片装入石墨模具内，并用自动热压机烧结，烧结温度为825℃、1.5分钟，压力为75KN。
4)拆模溶解干燥：热压完毕后，拆开磨具将压制好的磨具取出后将毛刺用磨轮磨掉。接着，将无毛刺的磨块放入清水中，浸泡2h，将其中的蔗糖充分溶解后取出放置于烘箱内，110℃下2h，充分干燥。
5)开刃：将干燥完毕后的磨具用自动开刃机处理即得到多孔金刚石磨具。
该金刚石磨具可用于瓷砖的打磨，寿命是市售的普通菱苦土磨块、碳化硅磨块的100倍以上，使用过程中未出现热烧伤情况。
实施例2：
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000071
一种耐磨性好的金刚石磨具用胎体材料的制备方法，与实施例1相同。
将所有的胎体粉末材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具，具体过程如下：
1)称量混料：称量满足质量要求胎体材料，即铜包铁镍铬铈合金粉末7.2公斤、铜包石墨粉末1公斤、铜锡合金粉末0.5公斤、硅铁合金粉末0.3公斤、蔗糖1公斤以及100目金刚石磨料0.5公斤到三维混料锅内，混料时间8h；
2)冷压成型：将混合好的胎体和金刚石粉末用自动冷压机于8MPa下冷压成型。
3)装模热压烧结：将压制好的冷压片装入石墨模具内，并用自动热压机烧结，烧结温度为825℃、2分钟，压力为80KN。
拆模溶解干燥与开刃步骤与实施例1相同。
该金刚石磨具可用于水磨石的打磨，寿命是市售的普通菱苦土磨块、碳化硅磨块的100倍以上，使用过程中未出现热烧伤情况。
实施例3：
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000081
一种耐磨性好的金刚石磨具用胎体材料的制备方法，其步骤是：
1)铜包铁镍铬铈合金粉末的制备方法：称量好83份的铁、15份镍、1份铬、1份铈金属单质放置于中频炉中，并使用氮气成气幕，隔绝空气，待混合金属完全融化为液态状时，将准备好的石墨粉(每炉20g，用于除氧)添加进去，1分钟后，在71MPa水压条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末。然后，所制备出来的铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在其表面包覆一层铜，形成铜包铁镍铬铈合金粉末。铜包铁镍铬铈合金粉末中铜含量为15份，铁含量68份，镍含量15份，铬1份、铈1份。
铜锡合金粉末、硅铁合金粉末、铜包石墨粉和蔗糖的制备方法与实施例1相同。
将所有的胎体粉末材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具，具体过程如下：
1)称量混料：称量满足质量要求胎体材料，即铜包铁镍铬铈合金粉末6公斤、铜包石墨粉末1.5公斤、铜锡合金粉末1公斤、硅铁合金粉末0.5公斤、蔗糖1公斤以及80目金刚石磨料0.5公斤到三维混料锅内，混料时间10h；
冷压成型、装模热压烧结、拆模溶解干燥和开刃步骤同实施例2。
该金刚石磨具可用于大理石的打磨，寿命是市售的普通菱苦土磨块、碳化硅磨块的100倍以上，使用过程中未出现热烧伤情况。
实施例4：
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000091
一种耐磨性好的金刚石磨具用胎体材料的制备方法，其步骤是：
1)铜包铁镍铬铈合金粉末的制备方法：称量好79份的铁、18份镍、2份铬、1份铈金属单质放置于中频炉中，并使用氮气成气幕，隔绝空气，待混合金属完全融化为液态状时，将准备好的石墨粉(每炉20g，用于除氧)添加进去，1分钟后，在71MPa水压条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末。然后，所制备出来的铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在其表面包覆一层铜，形成铜包铁镍铬铈合金粉末。铜包铁镍铬铈合金粉末中铜含量为18份，铁含量61份，镍含量18份，铬2份、铈1份。
铜锡合金粉末、硅铁合金粉末、铜包石墨粉和蔗糖的制备方法与实施例1相同。
将所有的胎体粉末材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具，具体过程如下：
1)称量混料：称量满足质量要求胎体材料，即铜包铁镍铬铈合金粉末6.3公斤、铜包石墨粉末1.3公斤、铜锡合金粉末0.7公斤、硅铁合金粉末0.4公斤、蔗糖1.3公斤以及200目金刚石磨料0.5公斤到三维混料锅内，混料时间12h；
2)冷压成型：将混合好的胎体和金刚石粉末用自动冷压机于8MPa下冷压成型。
3)装模热压烧结：将压制好的冷压片装入石墨模具内，并用自动热压机烧结，烧结温度为825℃、1.5分钟，压力为80KN。
拆模溶解干燥和开刃步骤同实施例1。
该金刚石磨具可用于金属结合剂金刚石布拉磨块，寿命是市售的普通菱苦土磨块、碳化硅磨块的100倍以上，使用过程中未出现热烧伤情况。
实施例5：
一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
Figure BDA0002252771330000101
其制备步骤和用于金刚石磨具与实施例4相同。
该金刚石磨具可用于金属结合剂金刚石布拉磨块，寿命是市售的普通菱苦土磨块、碳化硅磨块的100倍以上，使用过程中未出现热烧伤情况。
上述各实施例中的金刚石工具，可采用性能较好的较高品级金刚石，其表面可进行适当的处理，如泡沫化处理或镀覆一层金属过渡层等以增加其与金属胎体粉末的相容性，以提高本胎体材料对金刚石的把持力。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (5)

1.一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，由以下重量份的原料组成：
原料 重量份
铜包铁镍铬铈合金粉末 55-72份
铜包石墨粉末 10-15份
铜锡合金粉末 5-10份
硅铁合金粉末 3-5份
造孔剂蔗糖 10-15份；
所述的造孔剂蔗糖的粒径范围为150μm～178μm；
所述的铜包铁镍铬铈合金粉末粒度为粒径小于75μm；
所述的铜包铁镍铬铈合金粉末中，铜的含量为18份、铁的含量为61份、镍的含量为18份、铬的含量为2份、铈的含量1份；
所述的铜包石墨粉末粒度为粒径小于48μm；
铜锡合金粉末粒度为粒径小于75μm；
所述的硅铁合金粉末粒度为粒径小于48μm；
所述一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料的制备方法，其步骤是：
A、将按配比称量各种铁、镍、铬、铈金属单质放置于中频炉中，使用氮气成气幕，隔绝空气，待混合金属完全融化为液态状，将石墨粉添加进去，1-3分钟后，在水压为69-71MPa条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化成合金粉末；
B、将步骤A所制备出来的铁镍铬铈粉末再用化学置换法，在其表面包覆一层铜，形成铜包铁镍铬铈合金粉末，铜锡合金粉末和硅铁合金粉末均是氮气成气幕下，组成铜锡合金粉末或硅铁合金粉末的金属单质先中频炉加热成液态后，再在水压为69-71MPa条件下，使用高压水将液态金属击碎雾化形成；
C、铜包石墨粉的制备方法是将铜通过化学方法包覆在石墨粉上形成；
D、将所有的胎体材料和金刚石磨料制备成金刚石磨具，过程如下：
1)称量混料：称取一定配比的各种胎体材料，铜包铁镍铬铈合金粉末、铜包石墨粉末、铜锡合金粉末、硅铁合金粉末、蔗糖到三维混料锅内，按照胎体材料与金刚石磨料的质量份数比为10份:0.5份加入金刚石磨料，混料时间8-12h；
2)冷压成型：将混合的胎体和金刚石粉末用自动冷压机于7-8MPa下冷压成型；
3)装模热压烧结：将压制的冷压片装入石墨模具内，并用自动热压机烧结，烧结温度为825℃、1.5-2分钟，压力为75-80KN；
4)拆模溶解干燥：热压完毕后，拆开磨具将压制的磨具取出后将毛刺用磨轮磨掉，接着，将无毛刺的磨块放入清水中，浸泡2h，将其中的蔗糖充分溶解后取出放置于烘箱内，110℃下2h，干燥；
5)开刃：将干燥完毕后的磨具用自动开刃机处理得到多孔金刚石磨具。
2.根据权利要求1所述的一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，其特征在于：
原料 重量份
铜包铁镍铬铈合金粉末 58-70份
铜包石墨粉末 11-14份
铜锡合金粉末 6-9份
硅铁合金粉末 3.4-4.6份
造孔剂蔗糖 11-14份。
3.根据权利要求1所述的一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，其特征在于：
原料 重量份
铜包铁镍铬铈合金粉末 60-68份
铜包石墨粉末 11.5-13.5份
铜锡合金粉末 6.5-8.5份
硅铁合金粉末 3.6-4.4份
造孔剂蔗糖 11.5-13.5份。
4.根据权利要求1所述的一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，其特征在于：
原料 重量份
铜包铁镍铬铈合金粉末 63-66份
铜包石墨粉末 12-13份
铜锡合金粉末 7-8份
硅铁合金粉末 3.8-4.2份
造孔剂蔗糖 12-13份。
5.根据权利要求1所述的一种散热性好寿命长的多孔金刚石磨具用胎体材料，其特征在于：
原料 重量份
铜包铁镍铬铈合金粉末 64份
铜包石墨粉末 13份
铜锡合金粉末 7份
硅铁合金粉末 4份
造孔剂蔗糖 12份。
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Pledgee: Bank of China Limited Ezhou branch

Pledgor: Believe diamond new material limited liability company in Hubei Province

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