CN113061765A - 一种多晶树脂金刚石磨料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超硬材料合成技术领域，提供一种多晶树脂金刚石磨料的制备方法，由多晶金刚石磨料、金属和合金的均匀混合粉经高温高压法合成制得，金属和合金占混合粉重量的5％‑16％；金属和合金高温高压下不与多晶金刚石磨料反应且熔点低于多晶金刚石磨料。本发明还提供了一种多晶树脂金刚石磨料。本发明的多晶树脂金刚石磨料抗冲击强度和热抗冲击强度高。

Description

一种多晶树脂金刚石磨料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超硬材料合成技术领域，特别涉及一种多晶树脂金刚石磨料及其制备方法。
背景技术
人造金刚石磨料分为单晶金刚石磨料和多晶金刚石磨料。人造金刚石磨料多应用于树脂结合剂砂轮等制品，行业内一般称呼单晶或多晶金刚石磨料为单晶或多晶树脂金刚石磨料。
现有的单晶树脂金刚石磨料，强度高，内部杂质少，热稳定好，耐磨削热冲击。适合强力磨削，工作效率高。
但是，磨削过程中，单晶树脂金刚石磨料晶体的切削刃磨损后不易自身局部破碎产生新的切削刃，自锐性低。单晶树脂金刚石磨料晶体过早脱落，使单晶树脂金刚石磨料的利用率降低。因此，单晶树脂金刚石磨料制成的砂轮等制品使用寿命较低。磨削时，单晶树脂金刚石磨料的切削刃由锋利的锐角逐步变为钝角，切削压力加大，这种不均匀的磨削力使被加工的工件表面内应力较大，易产生划痕和烧伤。
现有的多晶树脂金刚石磨料为多个亚晶体嵌式结构的的晶体，具有不规则形状和粗糙凹表面。多晶树脂金刚石磨料在磨削时有诸多优点。多晶树脂金刚石磨料具有良好的自锐性，保持持续稳定的磨削效率。多晶树脂金刚石磨料的切削刃就是一个亚晶的棱角。一个切削刃磨损后脱落，新的亚晶棱角出露形成一个新的切削刃，直至这个多晶树脂金刚石磨料晶体大部分磨损后脱落。由于多晶树脂金刚石磨料的利用率高，多晶树脂金刚石制成的砂轮等制品使用寿命长。磨削过程中，多晶树脂金刚石磨料的切削刃始终保持锋利状态。与单晶金刚石磨料比较，磨削力均匀，被加工的工件表面精度好，内应力较小，不易产生划痕和烧伤。
因此，多晶树脂金刚石磨料是现在磨具行业的一个发展趋势，但是，多晶树脂金刚石磨料在高温高压下生长而成。由于合成加热时间只有120秒或更短，生长速度极快，在合适的触媒作用下，多晶树脂金刚石磨料形成亚晶镶嵌结构。其亚晶以裂纹、孔洞和缺陷为界面。多晶树脂金刚石磨料晶体内的裂纹、孔洞和缺陷多，夹杂包裹体多。包裹体内夹杂物质为碳、触媒金属等。由于有氧触媒的存在，还夹杂有金属氧化物。因此，多晶树脂金刚石磨料的冲击强度低，热稳定性差。中、轻负荷的磨削条件下，磨削锋利，使用寿命长。高速磨削和高效超精密磨削时，容易膨胀、过早破碎。磨削效率降低，使用寿命缩短，加工质量变差。多晶树脂金刚石磨料的使用范围受到限制。
因此，还需要对多晶树脂金刚石进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多晶树脂金刚石磨料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的在于还提供一种多晶树脂金刚石磨料，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多晶树脂金刚石磨料的制备方法，由多晶金刚石磨料、金属和合金的均匀混合粉经高温高压法合成制得，金属和合金占混合粉重量的5％-16％；金属和合金高温高压下不与多晶金刚石磨料反应且熔点低于多晶金刚石磨料。本申请的多晶金刚石磨料为市售常规的高温高压法合成的多晶树脂金刚石磨料。
优选的，高温高压法为：20-60秒内升压至内部合成压力达到6000-6500MPa，之后保压10至16分钟；
升压60-80秒后开始加热，加热温度为1350-1450摄氏度，加热时间6-12分钟。
优选的，所述金属至少为铜、铝、锌的一种，所述合金至少为铜锌合金、铜铝合金的一种。
一种上述多晶树脂金刚石磨料的制备方法所制备的多晶树脂金刚石磨料。
本申请采用低熔点且不会与多晶金刚石磨料反应的金属和合金，在高温高压条件下，多晶金刚石磨料会热膨胀。这些金属和合金液化后会渗入到其晶体裂纹、孔洞和缺陷中，熔解其中的碳、触媒金属和金属氧化物。在足够的时间内，溶解的碳、触媒金属和金属氧化物逐步扩散到金属液体内，达到去除所述的多晶树脂金刚石磨料原材料晶体中大部分杂质的目的。从而使得到的多晶树脂金刚石磨料热稳定性提高，并使得到的多晶树脂金刚石磨料颜色变浅，晶体透明度增加。
在多晶金刚石磨料晶体内杂质排除后，高压将使多晶金刚石磨料的晶体裂纹、孔洞和缺陷的体积变小，增强内部亚晶间的结合强度，提高合成后的多晶树脂金刚石磨料抗冲击强度。
有益效果：本发明的多晶树脂金刚石磨料的仍为由亚晶镶嵌结构组成的晶体，保持多晶树脂金刚石磨料的自锐性。本发明的多晶树脂金刚石磨料抗冲击强度TI和热抗冲击强度TTI与现有多晶树脂金刚石的TI和TTI比较大幅度提高，接近单晶树脂金刚石磨料。由于抗冲击强度和热稳定性提高，本发明的多晶树脂金刚石磨料的耐磨性有极大提高，制成的树脂结合剂砂轮使用寿命增长25％-50％。
同样，由于抗冲击强度和热稳定性提高，本发明的多晶树脂金刚石磨料的磨削效率更高。在高速磨削和高效超精密磨削的应用中，磨削力仍然均匀稳定，保证加工工件精度，降低加工表面内应力，极大地避免工件的划痕和烧伤，从而确保磨削加工质量。
附图说明
图1为现有技术中多晶树脂金刚石磨料的电镜图。
图2为本发明多晶树脂金刚石磨料的电镜图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，对本发明作进一步详细说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
一种多晶树脂金刚石磨料的制备方法，具体为，多晶金刚石磨料、金属和合金的均匀混合粉经高温高压法合成制得，金属和合金占混合粉重量的5％-16％；所述金属至少为铜、铝、锌的一种，所述合金至少为铜锌合金、铜铝合金的一种。本申请的多晶金刚石磨料为市售常规的高温高压法合成的多晶金刚石磨料。
具体的，将已经清洁后的多晶金刚石磨料、金属和合金粉末均匀混合，装入金属杯中。金属杯采用不锈钢、锆、铌、钼或钽等材质制成。之后装入叶蜡石块在六面顶压机高温高压再合成。多晶金刚石磨料可采用混合粒度或单一粒度颗粒作为原料。
高温高压法为：20-60秒内升压至内部合成压力达到6000-6500MPa，之后保压10至16分钟；
升压60-80秒后开始加热，加热温度为1350-1450摄氏度，加热时间6-12分钟。本申请所述的加热时间指达到加热温度后的保温时间，其为超硬材料合成技术领域公知常识。
合成后压碎合成棒，酸碱处理，纯净水超声波清洗，按粒度分级，该步骤与现有多晶树脂金刚石磨料的处理方法相同，属于公知常识，本申请不进行详细描述。
实施例1
选用常规高温高压法合成的多晶金刚石磨料某一种粒度颗粒作为原材料，加入锌5.5％，铜3％，Cu85Al15 1.5％。混合均匀后装入钼杯中，之后装入合成块中放入六面顶压机进行高温高压合成。
在50秒内升压到压机液压系统高压压力100MPa。内部合成压力达到6300MPa后，保压14分钟。
升压80秒后开始加热，加热温度为1350-1450摄氏度，加热时间10分钟。
实施例2
选用常规高温高压法合成的多晶金刚石磨料60/80-400/500目混合料作为原材料，加入铝2.5％，铜1％，Cu85Al15 2.5％，Cu60Zn40 4％混合均匀后装入钼杯中。
60秒升压到压机液压系统高压压力100MPa。内部合成压力达到6300MPa后，保压12分钟。升压70秒后开始加热。加热温度到1350-1450摄氏度，加热时间8分钟。
按照实施例1的合成方法，选用不同粒度的多晶金刚石磨料作为原料所生产出来的多晶树脂金刚石磨料与市售单晶树脂金刚石磨料和市售多晶树脂金刚石磨料的TI和TTI/TI性能对比如下表1所示。
表1：本申请多晶树脂金刚石磨料与市售单晶树脂金刚石磨料、市售多晶树脂金刚石磨料的TI、TTI/TI在各粒度区间的性能
Figure BDA0002982228320000061
表1中：TI(Toughness Index)和TTI(Thermal Toughness Index)分别表示工业金刚石磨料的抗冲击强度和热抗冲击强度。
表1中：市售单晶树脂金刚石磨料以及市售多晶树脂金刚石磨料指市场公开销售的制造树脂结合剂砂轮的通用产品，其TI、TTI与表1中所述数据误差在±7％。
从表1中可知，本发明多晶树脂金刚石磨料的TI是单晶金刚石磨料TI的81％-63％，是现有多晶树脂金刚石磨料TI的251％～135％。本发明的多晶树脂金刚石磨料TTI/TI是80％到92％，比市售多晶树脂金刚石磨料TTI/TI高2％-15％。
本发明的多晶树脂金刚石磨料的仍为由亚晶镶嵌结构组成的晶体，保持多晶树脂金刚石磨料的自锐性。本发明的多晶树脂金刚石磨料抗冲击强度TI和热抗冲击强度TTI与现有多晶树脂金刚石的TI和TTI比较大幅度提高，接近单晶树脂金刚石磨料。由于抗冲击强度和热稳定性提高，本发明的多晶树脂金刚石磨料的耐磨性有极大提高，制成的树脂结合剂砂轮使用寿命增长25％-50％。
如图1和图2所示，高温高压再合成中，使本发明所采用原材料的多晶金刚石磨料晶体发生部分塑性变形。本发明的多晶树脂金刚石晶体的粗糙晶面向平整晶面过渡，部分锐角向钝角转变，该结构也使得本发明的多晶树脂金刚石磨料抗冲击强度加强。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多晶树脂金刚石磨料的制备方法，其特征在于：多晶金刚石磨料、金属和合金的均匀混合粉经高温高压法合成制得，金属和合金占混合粉重量的5％-16％；金属和合金高温高压下不与多晶金刚石磨料反应且熔点低于多晶金刚石磨料。
2.根据权利要求1所述的多晶树脂金刚石磨料的制备方法，其特征在于：高温高压法为：20-60秒内升压至内部合成压力为6000-6500MPa，之后保压10至16分钟；
升压60-80秒后开始加热，加热温度为1350-1450摄氏度，加热时间6-12分钟。
3.根据权利要求1或2所述的多晶树脂金刚石磨料的制备方法，其特征在于：所述金属至少为铜、铝、锌的一种，所述合金至少为铜锌合金、铜铝合金的一种。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的多晶树脂金刚石磨料的制备方法所制备的多晶树脂金刚石磨料。
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