CN112622057A - 一种金刚石复合材料、其制备方法、绳锯串珠及绳锯机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金刚石复合材料，包括：表面金属化处理的金刚石；FeCoCrNiMo合金粉末；所述表面金属化处理的金刚石占复合材料的质量百分比为4‑20wt.％。本申请还提供一种上述复合材料的制备方法、制备的绳锯串珠及绳锯机。本申请提供的制备方法，提高了金刚石/基体界面结合强度，提高了基体对增强相颗粒的把持力，进而提高所制备的金刚石复合材料、绳锯串珠、绳锯机的使用寿命。

Description

一种金刚石复合材料、其制备方法、绳锯串珠及绳锯机

技术领域

本申请涉及材料制备技术领域，特别是涉及一种金刚石复合材料、其制备方法、绳锯串珠及绳锯机。

背景技术

金刚石绳锯是石材矿山开采所使用的主要加工工具。金刚石绳锯的核心部件是金刚石串珠材料。目前，金刚石绳锯串珠的主要制备技术是传统的粉末冶金方法，采用冷压+热等静压工艺，将金刚石与选定的胎体材料均匀混合或制粒后，再与基体组合进行烧结，然后在800～900℃进行等静压处理，得到较高性能金刚石绳锯。但该技术压头损耗大、成本较高，串珠间有空隙、不易达到高致密度，而且制备的金刚石串珠最小外径只能达到6.7mm。

缩小金刚石串珠直径，使其可以应用于严格要求切缝大小的领域，特别是珍贵石材的领域，具有重要意义。小直径金刚石串珠绳锯在石材加工上的应用，在节省石材资源、降低成本的同时，还能减少生产能耗，提高生产效率，使得加工手段更加环保。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的为提供一种金刚石复合材料；本发明的第二个目的为提供一种制备上述金刚石复合材料的方法；本发明的第三个目的为提供一种绳锯串珠；本发明的第四个目的为提供一种绳锯机；本申请金属基体选用FeCoCrNiMo体系高熵合金粉末，并将金刚石颗粒表面金属化，选取激光熔化(SLM)3D打印快速成型制备复合材料，提高了金刚石/基体界面结合强度，提高了基体对增强相颗粒的把持力，进而提高所制备的金刚石复合材料、尤其是绳锯串珠的使用寿命。

本发明提供的技术方案如下：

一种金刚石复合材料，包括：

表面金属化处理的金刚石；

FeCoCrNiMo合金粉末；

所述表面金属化处理的金刚石占复合材料的质量百分比为4-20wt.％。

优选地，所述FeCoCrNiMo合金粉末中，Fe、Co、Cr、Ni、Mo的原子比具体为(20-30):(20-30):(20-30):(1-8)。

优选地，所述FeCoCrNiMo合金粉末中，Fe、Co、Cr、Ni、Mo的原子比具体为(24-25):(24-25):(24-25):(3-5)。

优选地，所述FeCoCrNiMo合金粉末的粒径为45-90μm。

优选地，所述表面金属化处理的金刚石具体为：表面从内到外依次镀有Ti镀层和Ni镀层的金刚石。

优选地，所述Ti镀层厚度为0.1-3μm；所述Ni镀层的厚度为5-50μm；未经表面金属化处理前的金刚石粒径为50-200μm。

一种制备上述任一项所述的金刚石复合材料的方法，包括以下步骤：

对金刚石进行表面金属化处理；

将表面金属化处理的金刚石与FeCoCrNiMo合金粉末混匀，制成混合粉末，烘干；

根据复合材料的模型切片分层，得到各截面的数据，导入3D打印设备；

将3D打印设备的成型腔抽真空，通入保护气体，然后使用混合粉末进行3D打印成型；其中，3D打印的成形参数为：激光功率100-400W，扫描速度200-1000mm/s，铺粉厚度0.05-0.07mm，激光线能量密度0.1-0.6J/mm。

优选地，使用磁控溅射的方法对金刚石进行表面金属化处理；和/或，

所述保护气体具体为氩气。

一种绳锯串珠，由上述任一项所述的金刚石复合材料制备，或由上述任一项所述的方法制备。

一种绳锯机，包括绳锯，以及驱动绳锯转动的动力机构，所述绳锯由多个绳锯串珠串在串珠绳上构成，所述绳锯串珠为上述绳锯串珠。

本申请提供的金刚石复合材料，金属基体选用FeCoCrNiMo体系合金粉末，并将金刚石颗粒表面金属化，然后将合金粉末与表面金属化的金刚石颗粒按照一定比例均匀混合后，选取激光熔化(SLM)3D打印快速成型制备复合材料，较传统的压力烧结制备方法大幅降低了材料及加工成本，同时合金粉末与金刚石颗粒表面发生较好的冶金结合，从而提高了金刚石/基体界面结合强度，提高了基体对增强相颗粒的把持力，进而提高所制备的金刚石复合材料、尤其是绳锯串珠的使用寿命。FeCoCrNiMo体系优选使用高熵合金粉末。更优选使用气雾化FeCoCrNiMo高熵合金粉末，气雾化粉末粒度细、主要为球形、流动性好，用于增材制造效果更好。金刚石颗粒优选使用D级金刚石，是品级较高的金刚石单晶，以保证成品质量。

并且，由于本申请提供的方法，采用3D打印技术制备绳锯串珠，流程短、成本低、能耗低，能制备高性能和小尺寸规格产品，制成的金刚石绳锯串珠直径小于6.5mm，壁厚为0.5-1mm，能够满足绳锯领域对金刚石绳锯串珠的性能和尺寸要求，可用于大面积(4m²以上)和厚度薄(5mm左右)的珍贵石材或板材的锯切，切割力和能量消耗比传统外径9mm的绳锯大约减少30％以上，每平方米的切割时间缩短大约30％-40％，锯切效率提高5倍以上，加工出来的板材尺寸偏差明显低于传统绳锯。相较于传统粉末冶金压制烧结工艺受限于压模和串珠本身结构的复杂性(如薄壁等)因素因而制备小直径串珠技术难度大，本申请提供的方法，利用3D打印技术，制备的绳锯串珠尺寸和质量都能更好满足市场需求。

本申请提供的方法，根据模型和切片规则的不同设置，能够一次打印多个绳锯串珠，后续经切割打磨即可成型符合要求的单颗绳锯串珠。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中镀Ti层和Ni层后的金刚石颗粒形貌图；

图2为本发明实施例1中Fe_24.1Co_24.1Cr_24.1Ni_24.1Mo_3.6(at.％)高熵合金粉末和镀Ti层和Ni层后的金刚石颗粒混合后，制得的混合粉末形貌图；

图3为本发明实施例1中所制备的绳锯串珠的照片；

图4为本发明实施例1中所制备的绳锯串珠的另一角度照片；

图5为本发明实施例1中所制备的绳锯串珠的放大照片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本申请实施例采用递进的方式撰写。

实施例1

1、材料准备：

准备FeCoCrNiMo合金粉末：选取粒径45-90μm的气雾化FeCoCrNiMo高熵合金粉末，其成分为Fe_24.1Co_24.1Cr_24.1Ni_24.1Mo_3.6(at.％)。

准备表面金属化处理的金刚石：选取50-200μm D级金刚石，使用磁控溅射的方法，在金刚石表面先镀Ti层后镀Ni层，Ti层厚度为0.1-3μm，Ni层厚度为5-50μm，镀Ti/Ni金刚石形貌如附图1所示；

将上述FeCoCrNiMo合金粉末，与表面金属化处理的金刚石进行机械混合，混匀后得到混合粉末，形貌如附图2所示；其中，表面金属化处理的金刚石占复合材料的质量百分比为10wt.％。

2、金刚石绳锯串珠3D打印成形：

(1)建立待制备的金刚石绳锯串珠的三维模型，对三维模型进行切片分层，得到各个截面的数据并将数据导入SLM快速成形设备；

(2)在SLM快速成形设备上设置每个成形件的工艺参数；激光功率200W，扫描速度400mm/s，光斑直径0.1mm，激光线能量密度0.6J/mm，铺粉厚度0.05mm；

(3)将混合粉末送入SLM快速成型设备的粉缸，将SLM快速成形设备的成型腔抽真空，通入高纯氩气作为流动气氛保护，红光指引确定打印件轮廓范围，利用混合粉末进行打印，逐层铺粉叠加，最终成形在基板上成型串珠打印件。绳锯串珠的照片如图3-5所示。

实施例2

与实施例1相同，只是FeCoCrNiMo高熵合金粉末，其成分为Fe₂₅Co₂₅Cr₂₅Ni₂₅Mo₅(at.％)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种金刚石复合材料，其特征在于，包括：

表面金属化处理的金刚石；

FeCoCrNiMo合金粉末；

所述表面金属化处理的金刚石占复合材料的质量百分比为4-20wt.％。

2.根据权利要求1所述的金刚石复合材料，其特征在于，所述FeCoCrNiMo合金粉末中，Fe、Co、Cr、Ni、Mo的原子比具体为(20-30):(20-30):(20-30):(1-8)。

3.根据权利要求2所述的金刚石复合材料，其特征在于，所述FeCoCrNiMo合金粉末中，Fe、Co、Cr、Ni、Mo的原子比具体为(24-25):(24-25):(24-25):(3-5)。

4.根据权利要求1所述的金刚石复合材料，其特征在于，所述FeCoCrNiMo合金粉末的粒径为45-90μm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的金刚石复合材料，其特征在于，所述表面金属化处理的金刚石具体为：表面从内到外依次镀有Ti镀层和Ni镀层的金刚石。

6.根据权利要求5所述的金刚石复合材料，其特征在于，所述Ti镀层厚度为0.1-3μm；所述Ni镀层的厚度为5-50μm；未经表面金属化处理前的金刚石粒径为50-200μm。

7.一种制备权利要求1-6中任一项所述的金刚石复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对金刚石进行表面金属化处理；

将表面金属化处理的金刚石与FeCoCrNiMo合金粉末混匀，制成混合粉末，烘干；

根据复合材料的模型切片分层，得到各截面的数据，导入3D打印设备；

将3D打印设备的成型腔抽真空，通入保护气体，然后使用混合粉末进行3D打印成型；其中，3D打印的成形参数为：激光功率100-400W，扫描速度200-1000mm/s，铺粉厚度0.05-0.07mm，激光线能量密度0.1-0.6J/mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用磁控溅射的方法对金刚石进行表面金属化处理；和/或，

所述保护气体具体为氩气。

9.一种绳锯串珠，其特征在于，由权利要求1-6中任一项所述的金刚石复合材料制备，或由权利要求7-8中任一项所述的方法制备。

10.一种绳锯机，包括绳锯，以及驱动绳锯转动的动力机构，所述绳锯由多个绳锯串珠串在串珠绳上构成，其特征在于，所述绳锯串珠为权利要求9所述的绳锯串珠。

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