CN111318710A - 一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法 - Google Patents

一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：第一步，金刚石包裹：按配比取钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末，混合均匀制成基体，采用金刚石制粒的方法，用混合好的粉料基体包裹金刚石；第二步，预烧结；第三步，制作基础胎体：按配比称取胎体金属粉料混合、制粒，再将胎体与第二步烧制后的金刚石按一定比例称取混合均匀，制粒形成基础胎体；第四步，冷压成型；第五步，烧结。本发明通过包裹层胎体能够获得优良的金刚石把持力，利用基础胎体调整自由度大，可调整获得不影响金刚石的把持力的不同物理性能胎体，最终得到高把持力的金刚石工具，工作时金刚石不易脱落，出刃高，便于提高金刚石工具的切割效率和使用寿命。

Description

一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法
技术领域
本发明涉及镶嵌金刚石工具，特别是一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法。
背景技术
镶嵌金刚石工具一般是将金刚石镶嵌或孕镶于结合剂胎体（金属、陶瓷或树脂等材料）中构成一定的结构，通过胎体固定支撑（把持）金刚石作用于（切割、磨削）加工对象，其中结合剂胎体与金刚石的结合强度对金刚石工具的性能起着关键作用。高的结合强度使得金刚石在胎体中的把持力较高，工作时金刚石不易脱落，出刃高，能够提高工具的切割效率和使用寿命。
以粉末冶金工艺为基础的烧结金属结合剂镶嵌金刚石工具在广泛应用于石材开采、加工、建筑施工等行业。烧结金属结合剂金刚石工具是将金属粉料与金刚石混合，压制烧结成一定形状的工具或工作单元块。一些胎体重要成分的金属与金刚石的浸润性差，金属热膨胀系数（一般在4×10-6～23×10-6/℃）与金刚石（1.2×10-6～4.5×10-6/℃）的差异，烧结后导致金刚石把持力差，影响工具性能。虽然通过在金刚石表面镀覆或在胎体中添加与金刚石浸润性好的元素可以一定程度改善浸润性，但是金刚石镀覆的作用效果与胎体匹配性相关，配方调整受限难以适应石材行业复杂的切割对象与工况。使用热膨胀系数与金刚石差异小的金属作为胎体可以减小热膨胀的影响，但热膨胀合适的金属大量添加要么不利于胎体性能，要么成本高，因此是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的上述不足，而提供一种便于降低热膨胀的影响，提高把持力，提高金刚石工件结构强度，出刃高，能够提高工具切割效率和使用寿命的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法。
本发明的技术方案是：一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
第一步，金刚石包裹：按配比取钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末，混合均匀制成基体，采用金刚石制粒的方法，用混合好的粉料基体包裹金刚石；
第二步，预烧结：对第一步中包裹后的金刚石进行预烧结，得到烧结后的金刚石；
第三步，制作基础胎体：按配比称取胎体金属粉料混合、制粒，再将胎体与第二步烧制后的金刚石按一定比例称取混合均匀，制粒形成基础胎体；
第四步，冷压成型：将第三步中制成的基础胎体冷压成所需形状的金刚石工具或工作单元节块；
第五步，烧结：将第四步中成型后的工具或工作单元节块进行烧结，制成半成品待用。
本方案的优点在于，采用复合式胎体结构，在金刚石周围包裹一层以钎焊料为基础的材料，然后再与胎体粉料混合均匀制粒烧结成型，包裹在金刚石周围的基体利用钎焊金刚石工具把持力好的特性，使用钎焊材料作为基础，添加部分与金刚石浸润性好的金属及Ti、Cr、W等易形成碳化物的元素，再加入部分耐磨性好且热膨胀与金刚石接近的硬质材料（WC、SiC等）；既能够与金刚石有较好的润湿性，又能够减少热膨胀差异的影响，从而获得较好的把持力。包裹基体的烧结温度高于基础胎体的烧结温度，并对包裹金刚石采用高频感应钎焊炉进行预烧结，但只将包裹层烧结接近致密，保留一定空隙。基础胎体的烧结温度低，烧结时对包裹层影响小，预烧结又使得包裹层能够保证致密度。此外，包裹层在基础胎体烧结时会受到压应力，而不完全致密的包裹层残留一定的收缩余量，既可以缓冲胎体收缩向内的压应力，又能吸收金刚石膨胀向外的应力，同时使得包裹层更致密，保证整个胎体的物理性能。
进一步，所述第一步中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料50~100%，金属粉0~30%，硬质粉0~40%。
优选地，基体中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料50~80%，金属粉10~30%，硬质粉10~40%。
更优地，基体中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料70%，金属粉15%，硬质粉15%。便于降低基体的生产成本，同时能够提高基体与金刚石之间的结合，既能够与金刚石有较好的润湿性，又能够减少热膨胀差异的影响，从而获得较好的把持力。
进一步，所述钎焊粉为温度在600~1100°C范围的焊料，包括铜基、镍基；金属粉为与金刚石浸润性好的粉料和/或易形成碳化物的元素，金刚石浸润性好的粉料包括Fe、Co和Ni中的至少一种；易形成碳化物的元素包括Cr、Ti、V和W中的至少一种；硬质材料为硬质耐磨材料，包括WC、SiC和Al2O3中的至少一种。
进一步，所述第一步中的金刚石制粒方式为滚筒制粒或喷雾制粒，将粉料包裹在金刚石的外围。便于基体与金刚石的结合，防止烧结过程中出现过大的空隙。
进一步，所述第二步中采用高频感应真空钎焊炉进行预烧结。加热效率高，节省加工时间，同时受热均匀便于金刚石与包裹层基体之间的结合。
进一步，所述预烧结后包裹层粉料烧结致密度控制在90~95%，全钎焊粉配方除外。
进一步，所述第三步中的胎体金属粉料为通用的金刚石工具胎体配方，优选地，通用的金刚石工具胎体的配方为Fe、Co、Ni、Cu、Sn、FeCu30合金粉、羰基Ni粉等常规金属粉末中的一种或多种混合形成。
进一步，所述第二步中的预烧结温度比第五步中的烧结温度高30~100°C。便于胎体金属粉料与基体之间结合，同时不影响基体与金刚石之间的结合强度，能够有效的避免基体与金刚石之间脱落。
进一步，所述第五步中的金刚石工具或工作单元节块，烧结工艺为热压烧结、无压烧结或真空烧结。便于胎体与包裹有基体的金刚石自然结合，同时能够降低热膨胀对金刚石工具的影响，便于提高金刚石工具的使用寿命。
本发明具有如下特点：本发明通过包裹层胎体能够获得优良的金刚石把持力，利用基础胎体调整自由度大，可调整获得不影响金刚石的把持力的不同物理性能胎体，最终得到高把持力的金刚石工具，工作时金刚石不易脱落，出刃高，便于提高金刚石工具的切割效率和使用寿命，同时便于金刚石工具加工生产成本的控制或降低生产成本。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1 本发明金刚石工具断口形貌及设计结构；
图2 包裹后的金刚石；
图3 预烧结的包裹金刚石。
具体实施方式
一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
第一步，金刚石包裹：按配比取钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末，混合均匀制成基体，采用金刚石制粒的方法，用混合好的粉料基体包裹金刚石；
优选地，金刚石制粒方式为滚筒制粒或喷雾制粒，将粉料包裹在金刚石的外围。便于基体与金刚石的结合，防止烧结过程中出现过大的空隙。
优选地，钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料50~100%，金属粉0~30%，硬质粉0~40%。更优地，基体中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料50~80%，金属粉10~30%，硬质粉10~40%。最佳地，基体中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料70%，金属粉15%，硬质粉15%。便于降低基体的生产成本，同时能够提高基体与金刚石之间的结合，既能够与金刚石有较好的润湿性，又能够减少热膨胀差异的影响，从而获得较好的把持力。
优选地，钎焊粉为温度在600~1100°C范围的焊料，包括铜基、镍基；金属粉为与金刚石浸润性好的粉料和/或易形成碳化物的元素，金刚石浸润性好的粉料包括Fe、Co和Ni中的至少一种；易形成碳化物的元素包括Cr、Ti、V和W中的至少一种；硬质材料为硬质耐磨材料，包括WC、SiC和Al2O3中的至少一种。
第二步，预烧结：对第一步中包裹后的金刚石进行预烧结，得到烧结后的金刚石；优选地，采用高频感应真空钎焊炉进行预烧结，加热效率高，节省加工时间，同时受热均匀便于金刚石与包裹层基体之间的结合。预烧结后包裹层粉料烧结致密度控制在90~95%，全钎焊粉配方除外。
优选地，预烧结温度比后续的第五步中的烧结温度高30~100°C。便于胎体金属粉料与基体之间结合，同时不影响基体与金刚石之间的结合强度，能够有效的避免基体与金刚石之间脱落。
第三步，制作基础胎体：按配比称取胎体金属粉料混合、制粒，再将胎体与第二步烧制后的金刚石按一定比例称取混合均匀，制粒形成基础胎体；
优选地，胎体金属粉料为通用的金刚石工具胎体配方；更优地，通用的金刚石工具胎体的配方为Fe、Co、Ni、Cu、Sn、FeCu30合金粉、羰基Ni粉等常规金属粉末中的一种或多种混合形成，根据加工的需要进行选择和调节用量。
第四步，冷压成型：将第三步中制成的基础胎体冷压成所需形状的金刚石工具或工作单元节块。
第五步，烧结：将第四步中成型后的工具或工作单元节块进行烧结，制成半成品待用。优选地，金刚石工具或工作单元节块，烧结工艺为热压烧结、无压烧结或真空烧结。便于胎体与包裹有基体的金刚石自然结合，同时能够降低热膨胀对金刚石工具的影响，便于提高金刚石工具的使用寿命。
本方案采用复合式胎体结构，如图1所述，图中的包裹胎体1即为包裹层基体，基础胎体2即为基础胎体；在金刚石周围包裹一层以钎焊料为基础的材料，然后再与胎体粉料混合均匀制粒烧结成型，包裹在金刚石周围的基体利用钎焊金刚石工具把持力好的特性，使用钎焊材料作为基础，添加部分与金刚石浸润性好的金属及Ti、Cr、W等易形成碳化物的元素，再加入部分耐磨性好且热膨胀与金刚石接近的硬质材料（WC、SiC等）；既能够与金刚石有较好的润湿性，又能够减少热膨胀差异的影响，从而获得较好的把持力。包裹基体的烧结温度高于基础胎体的烧结温度，并对包裹金刚石采用高频感应钎焊炉进行预烧结，但只将包裹层烧结接近致密，保留一定空隙。基础胎体的烧结温度低，烧结时对包裹层影响小，预烧结又使得包裹层能够保证致密度。此外，包裹层在基础胎体烧结时会受到压应力，而不完全致密的包裹层残留一定的收缩余量，既可以缓冲胎体收缩向内的压应力，又能吸收金刚石膨胀向外的应力，同时使得包裹层更致密，保证整个胎体的物理性能。
实施例1
一种高把持力镶嵌金刚石绳锯制备步骤如下
第一步，金刚石包裹：按重量比7：1：2称取NiCrP、W粉和WC粉，混合均匀，采用滚筒制粒的方法，用混合好的粉料包裹金刚石1；
第二步，用高频感应真空钎焊炉对第一步中所制得的包裹金刚石1在1000°C进行快速预烧结，得到金刚石2；
第三步，将FeCoNiCuSn预合金粉制粒，制粒完成后，将该制粒与第二步中所预烧结后的金刚石按6:4的比例混合均匀，混合均匀后制粒封装待用；优选地，根据加工的需要还可以对第三步中的制粒与预烧结后的金刚石混合比例进行调节，便于金刚石工具的成本的控制和调节；
第四步，将第三步所得的混合好金刚石2的粉料冷压成金刚石绳锯串珠；
第五步，将第四步所制得的串珠使用网带炉脱脂，然后采用无压烧结工艺使用网带炉进行烧结，高温段烧结温度950°C，时间30min；
第六步，将第五步所制得的串珠制备成金刚石绳锯。
实施例2
一种高把持力镶嵌金刚石工具刀头制备步骤如下
第一步，金刚石包裹：使用CuCr30钎焊粉，采用喷雾制粒的方法，用混合好的粉料包裹金刚石1；
第二步，用高频感应真空钎焊炉对第一步中所制得的包裹金刚石1在980°C进行快速预烧结，得到金刚石2；
第三步，将FeCu30合金粉、Cu粉、Sn粉、羰基Ni粉按比例60：15：5：20混合均匀制粒，再将该制粒与第二步中预烧结后的金刚石按6:4混合均匀，再次制粒，封装待用；
第四步，将第三步中所得的金刚石制粒冷压成金刚石刀头工作层；
第五步，将第四步所制得的金刚石刀头工作层用铁片间隔叠放，采用热压烧结，工艺温度770°C，时间3~5min，得到金刚石工具刀头。
本发明通过包裹层胎体能够获得优良的金刚石把持力，利用基础胎体调整自由度大，可调整获得不影响金刚石的把持力的不同物理性能胎体，最终得到高把持力的金刚石工具。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，金刚石包裹：按配比取钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末，混合均匀制成基体，采用金刚石制粒的方法，用混合好的粉料基体包裹金刚石；
第二步，预烧结：对第一步中包裹后的金刚石进行预烧结，得到烧结后的金刚石；
第三步，制作基础胎体：按配比称取胎体金属粉料混合、制粒，再将胎体与第二步烧制后的金刚石按一定比例称取混合均匀，制粒形成基础胎体；
第四步，冷压成型：将第三步中制成的基础胎体冷压成所需形状的金刚石工具或工作单元节块；
第五步，烧结：将第四步中成型后的工具或工作单元节块进行烧结，制成半成品待用。
2.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第一步中钎焊粉、金属粉和硬质材料粉末各粉料按体积的配比为：钎焊粉料50~100%，金属粉0~30%，硬质粉0~40%。
3.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：
所述钎焊粉为温度在600~1100°C范围的焊料，包括铜基、镍基；
金属粉为与金刚石浸润性好的粉料和/或易形成碳化物的元素，金刚石浸润性好的粉料包括Fe、Co和Ni中的至少一种；易形成碳化物的元素包括Cr、Ti、V和W中的至少一种；
硬质材料为硬质耐磨材料，包括WC、SiC和Al2O3中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第一步中的金刚石制粒方式为滚筒制粒或喷雾制粒，将粉料包裹在金刚石的外围。
5.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第二步中采用高频感应真空钎焊炉进行预烧结。
6.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述预烧结后包裹层粉料烧结致密度控制在90~95%，全钎焊粉配方除外。
7.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第三步中的胎体金属粉料为通用的金刚石工具胎体配方。
8.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第二步中的预烧结温度比第五步中的烧结温度高30~100°C。
9.根据权利要求1所述的高把持力的镶嵌金刚石工具的制备方法，其特征在于：所述第五步中的金刚石工具或工作单元节块烧结工艺为热压烧结、无压烧结或真空烧结。
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