CN115138850B - 金刚石工具及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石工具及其制备方法、应用，涉及粉末冶金技术领域。该金刚石工具的材质包括金刚石颗粒和不锈钢基胎体粉；不锈钢基胎体粉包括Cu‑Zn粉、Al‑Mg粉、Sn粉和不锈钢回收料。通过将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒按比例混合后制备成生坯进行烧结制备的金刚石工具，其中不锈钢基胎体粉中的金属粉末能够提高不锈钢回收料的烧结性能，再将其与金刚石颗粒混合制备金刚石工具，提高了不锈钢回收料的附加值，有利于不锈钢回收料的回收利用。

Description

金刚石工具及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体而言，涉及一种金刚石工具及其制备方法、应用。
背景技术
不锈钢具有耐蚀、耐热及良好的强度等优异性能，应用广泛。二十一世纪以来，世界不锈钢产量每年以6％的速度增长。2021年我国不锈钢产量约为3000万吨，是世界上最大的不锈钢消费国与生产国。相当一部分不锈钢制品在生产过程中需要经历打磨工序，伴生大量的废弃物。例如，刀剪制品就主要由不锈钢打磨加工而成。广东省阳江市是我国及世界刀剪制品的主产地。据统计，大约全国90％和全球80％的刀剪制品产自阳江。阳江刀剪企业在打磨工序产生的不锈钢泥料约为2.5-3万吨/年。泥料中的Fe、Cr和Ni等有价金属含量约为80％。目前，这些工业废弃物的回收和处理以填埋为主，其中的有价金属未得到有效回收和再利用。而且填埋处理对环境有潜在危害。在一定条件下，土壤中的氧化物可以将Cr3+离子氧化成Cr6+离子。Cr6+离子有剧毒，可通过消化道、呼吸道、皮肤及黏膜侵入人体，造成遗传性基因缺陷并致癌，对环境有持久危害性。2019年7月23日，Cr6+离子化合物被列入有毒有害水污染物名录。因此，有必要进一步提高不锈钢固废的回收和再利用水平。
目前主要采用磁选法从不锈钢废弃物中分选出有价金属成分，然后采用重熔法再利用回收粉料。张兴等人(张兴，翟秋亚，徐锦锋等.不锈钢磨屑的微观结构及分离工艺的研究[J].铸造技术，2006(09)：899-901)采用磁选-碱洗的方式处理砂轮打磨汽轮机叶片产生的不锈钢泥料，发现处理后的粉料中除了主相Ni-Cr-Fe和Fe-Ni固溶体之外，还含有SiC、Al2O3等杂质，因而需要通过电炉重熔和精炼才可达到高价值金属回收再利用的目的。夏敏等人(夏敏，燕青芝，葛昌纯等.不锈钢磨屑中钢的回收及其性能研究[J].铸造技术，2010，31(02)：172-175)采用浸泡、磁选、熔炼相结合的工艺处理不锈钢磨屑，得到了纯净的不锈钢铸锭；回收的不锈钢铸锭经过适当的热处理工艺，其硬度、冲击韧度、抗拉强度等性能均达到原不锈钢的性能要求。简而言之，这种方法主要将不锈钢回收料作为冶炼的原料，然后通过高能耗的重熔工艺，实现不锈钢回收料中有价金属材料的再利用，其节能减碳效果和经济性均难以令人满意，因此一直未获得推广。
Fe是金刚石工具的主要胎体材料之一。Cr作为一种强碳化元素和固溶强化元素，可提高Fe基胎体与金刚石之间的化学结合强度及胎体力学性能，在金刚石工具中广泛使用。以不锈钢回收料替代常规Fe粉和Cr粉制备金刚石工具，不仅可以有效降低金刚石工具生产成本，也可以提升不锈钢回收料的经济附加值。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石工具及其制备方法、应用，可以有效回收利用不锈钢回收料，获得性能优良的不锈钢回收料制备金刚石工具，在提升不锈钢回收料使用价值的同时，降低金刚石工具生产成本。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种金刚石工具，其材质包括金刚石颗粒和不锈钢基胎体粉。
不锈钢基胎体粉包括Cu-Zn粉、Al-Mg粉、Sn粉和不锈钢回收料。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的金刚石工具的制备方法，包括将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒按比例混合后制备成生坯进行烧结。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的金刚石工具或如前述实施方式任一项的制备方法制得的金刚石工具在机械制造领域中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种金刚石工具及其制备方法、应用，通过加入Cu-Zn粉、Al-Mg粉、Sn粉和不锈钢回收料与不锈钢回收料混合，上述金属粉末能够改善不锈钢回收料颗粒之间的冶金结合程度，其中，Zn与Cr元素具有较强的化学亲和力，添加Cu-Zn粉末，可以破坏不锈钢回收料表面的氧化铬膜的完整性，改善不锈钢回收料颗粒之间的冶金结合程度，进而提高工具强度。Al和Mg均具有很强的还原作用。在球磨的不锈钢回收料中添加Al-Mg粉，可以进一步破坏不锈钢回收料表面残留的氧化膜，提高颗粒之间的冶金结合程度。与Zn相比，Sn在熔融状态下具有更好的流动性。在不锈钢回收料中添加少量Sn粉，可以提高烧结致密度。同时，Zn和Sn均属于低熔点金属，可以降低金刚石工具的热压烧结温度。将包含上述组分的不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒混合制备金刚石工具，不仅可以获得高附加值的不锈钢回收料产品，有利于不锈钢回收料的回收利用，提升不锈钢回收料的使用价值，同时还可以降低金刚石工具生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的不锈钢回收料的扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1球磨后的不锈钢回收料的扫描电子显微镜图；
图3为本发明实施例1提供的金刚石刀头断口低倍扫描电子显微镜图；
图4为本发明实施例1提供的金刚石刀头断口高倍扫描电子显微镜图；
图5为本发明对比例1提供的金刚石刀头断口高倍扫描电子显微镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
第一方面，本发明提供一种金刚石工具，其材质包括金刚石颗粒和不锈钢基胎体粉。
不锈钢基胎体粉包括Cu-Zn粉、Al-Mg粉、Sn粉和不锈钢回收料。
其中，Zn与Cr元素具有较强的化学亲和力。添加Cu-Zn粉末，可以破坏不锈钢粉回收料表面的氧化铬膜的完整性，改善不锈钢回收料之间的冶金结合程度，提高金刚石工具的强度。
Al和Mg均具有很强的还原作用，在不锈钢回收料中添加Al-Mg粉，可以进一步破坏不锈钢回收料表面残留的氧化膜，提高粉末颗粒之间的冶金结合程度。
Zn和Sn均为低熔点金属，主要用于降低金刚石工具的热压烧结温度。与Zn相比，Sn在熔融状态下具有更好的流动性，在不锈钢回收料中添加少量Sn粉，可以提高烧结致密度。
本发明通过将不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉混合制备不锈钢基胎体粉，提高了不锈钢回收料的烧结性能，从而使其与金刚石颗粒混合制备的金刚石工具的性能能够满足服役要求，提高了不锈钢回收料的经济附加值，有利于不锈钢回收料的回收利用。
在可选的实施方式中，金刚石工具的材质包括体积分数为5～30％的金刚石颗粒和体积分数为70～95％的不锈钢基胎体粉。
在可选的实施方式中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选所得的回收粉料。
优选地，不锈钢回收料中氧的质量含量≤1.0％，Al的质量含量≤0.5％，Mg的质量含量≤0.5％。
在可选的实施方式中，不锈钢基胎体粉按质量百分比计包括：Cu-Zn粉10～60％、Al-Mg粉1～5％、Sn粉1～5％和余量的不锈钢回收料。
优选地，不锈钢基胎体粉按质量百分比计包括：Cu-Zn粉30％、Al-Mg粉3％、Sn粉2％和余量的不锈钢回收料。
优选地，Cu-Zn粉包括Cu单质和Zn单质的混合粉体或Cu-Zn合金粉；更优选地，Zn占Cu-Zn粉的质量百分比为10～60％。
优选地，Al-Mg粉包括Al单质和Mg单质的混合粉体或Al-Mg合金粉；更优选地，Mg占Al-Mg粉的质量百分比为10～90％。
在可选的实施方式中，不锈钢回收料的粒径为≤100目，Cu-Zn粉的粒径为≤300目，Al-Mg粉的粒径为≤300目，Sn粉的粒径为≤300目。
优选地，金刚石工具可以作为手持式工具或机械设备中的某一元件。例如，当金刚石工具作为手持式工具使用时，金刚石工具与固定端固定后形成手持式金刚石工具。再例如，当金刚石工具作为设备中的某一元件使用时，可以直接将金刚石工具固定在设备上。
在可选的实施方式中，金刚石工具包括锯片、钻头、磨轮的任一种。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的金刚石工具的制备方法，包括将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒按比例混合后制备成生坯进行烧结。
在可选的实施方式中，制备不锈钢基胎体粉包括将球磨后的不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉按比例混合。
优选地，球磨包括向不锈钢回收料中加入3-5％质量比的石蜡粉再进行球磨。
优选地，球磨转速为40～80rpm，球料比为1：1～5，球磨时间为10～30h。
通过球磨并控制球磨参数在上述范围内，不仅可以破坏不锈钢回收料表面致密的氧化膜，提高粉末的烧结活性；而且使不锈钢回收料中的大尺寸颗粒和长纤维得到细化和球化，提高粉末的流动性；还能进一步粉碎不锈钢回收料中残留的Al2O3、SiC等陶瓷颗粒，并使其分散更均匀，从而消除或降低不锈钢回收料中杂质对粉末烧结性能和金刚石工具力学性能的不利影响。
优选地，将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为80～120目。
优选地，不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉的混合时间为1～2h，混合可以采用普通混料机混合，例如V型混合器。
在可选的实施方式中，制备生坯包括将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物冷压成型。冷压成型是采用自动冷压成型机进行冷压。
优选地，不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合时间为20～30min。
优选地，冷压成型的压强为20～30MPa。
在可选的实施方式中，烧结采用热压烧结，包括将生坯装入模具后将模具放入热压烧结机中烧结。
优选地，模具为石墨模具。
优选地，烧结的温度为700～900℃，压强≥30MPa，保压时间3～5min。本发明采用不锈钢回收料制备金刚石工具，通过球磨，并控制球磨参数，再将不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉混合，降低了不锈钢回收料的热压烧结温度，但制得的金刚石工具的强度、硬度和焊接强度(与低碳钢)可以满足锯片、钻头、磨轮等工具的使用要求。
在可选的实施方式中，金刚石工具与固定端的连接方式包括焊接或卡接，优选为焊接。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的金刚石工具或如前述实施方式任一项的制备方法制得的金刚石工具在机械制造领域中的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种形状金刚石刀头的金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入3％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：1，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为100目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为0.8％，Al的质量含量为0.2％，Mg的质量含量为0.2％。
球磨前的不锈钢回收料的扫描电子显微镜图如图1所示，其粉体多为长条状，形状不规则；经球磨后，不锈钢回收料的扫描电子显微镜图如图2所示，由图2可知，不锈钢回收料中的长条状粉体均变为形状较为均匀的球形颗粒，流动性显著提高。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混料机中，按质量百分比计，将30％的Cu-30％Zn粉、3％的Al-50％Mg粉、2％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为700℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
采用扫描电子显微镜观察实施例1制得的金刚石刀头断口，得到如图3和图4所示结果，由图3可知，断口平直、致密，金属基体与金刚石之间包镶紧密。由图4可知，金属基体中的颗粒之间冶金结合状态良好。
实施例2
本实施例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入3％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：1，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为100目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为1.0％，Al的质量含量为0.2％，Mg的质量含量为0.2％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混料机中，按质量百分比计，将30％的Cu-30％Zn粉、3％的Al-50％Mg粉、2％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为700℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
实施例3
本实施例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入5％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：5，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为200目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为1.0％，Al的质量含量为0.5％，Mg的质量含量为0.5％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将10％的Cu-60％Zn粉、5％的Al-10％Mg粉、1％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为20MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为900℃，压强为35MPa，保压时间5min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
实施例4
本实施例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入4％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为40rpm，球料比为1：1，球磨时间为10h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为325目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为0.5％，Al的质量含量为0.15％，Mg的质量含量为0.1％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将60％的Cu-10％Zn粉、1％的Al-90％Mg粉、5％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为20MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为800℃，压强为30MPa，保压时间3min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
对比例1
本对比例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入5％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：5，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为325目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为2.0％，Al的质量含量为0.2％，Mg的质量含量为0.2％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将30％的Cu-30％Zn粉、3％的Al-50％Mg粉、2％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为750℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
采用扫描电子显微镜观察对比例1制得的金刚石刀头断口，得到如图5所示结果，由图5可知，金属胎体与金刚石之间有明显间隙；金属基体中的颗粒之间的结合比较疏松，冶金结合程度低。
对比例2
本对比例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入5％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：5，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为325目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为0.8％，Al的质量含量为1.0％，Mg的质量含量为0.5％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将30％的Cu-30％Zn粉、3％的Al-50％Mg粉、2％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为750℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
对比例3
本对比例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将3％质量比的石蜡粉、30％的Cu-30％Zn粉、3％的Al-50％Mg粉、2％的Sn粉与磁选所得的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为0.8％，Al的质量含量为0.2％，Mg的质量含量为0.2％。不锈钢回收料的粒径为100目，Cu-Zn粉的粒径为325目，Al-Mg粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S2、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S3、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为700℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S4、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
对比例4
本对比例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、球磨
向不锈钢回收料中加入3％质量比的石蜡粉进行球磨，球磨转速为80rpm，球料比为1：1，球磨时间为30h。将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为325目。
其中，不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料。不锈钢回收料中氧的质量含量为0.8％，Al的质量含量为0.2％，Mg的质量含量为0.2％。
S2、制备不锈钢基胎体粉
在V型混合器中，按质量百分比计，将30％的Cu粉、2％的Sn粉与余量为S1步骤得到的不锈钢回收料按比例混合，混合时间为2h，得到不锈钢基胎体粉。
其中，Cu粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S3、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％不锈钢基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S4、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为900℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S5、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
对比例5
本对比例提供了一种金刚石工具，其制备方法如下：
S1、制备铁基胎体粉
以粒径为325目的还原铁粉料为原料，在V型混合器中，按质量百分比计，将30％的Cu-30％Zn粉、2％的Sn粉与余量的还原铁粉料按比例混合，混合时间为2h，得到铁基胎体粉。
其中，Cu-Zn粉的粒径为325目，Sn粉的粒径为325目。
S2、冷压成型和装模
在三维混料机中加入体积分数为95％铁基胎体粉和5％的金刚石颗粒混合均匀，混合时间为30min，金刚石颗粒的粒径为30/40目。
将铁基胎体粉与金刚石颗粒的混合物置于自动冷压成型机中冷压成型，冷压成型的压强为30MPa，保压2秒，制得生坯，将制得的生坯装入石墨模具中备用。
S3、热压烧结
将石墨模具和生坯放入热压烧结机中烧结，烧结的温度为820℃，压强为35MPa，保压时间4min，将烧结结束后的石墨模具空冷至室温，出模，得到金刚石刀头。
S4、焊接
采用Cu-Ag(Ag25CuZnSn)焊片将金刚石刀头焊接到低碳钢体上，得到金刚石工具。
试验例1
对实施例1～4和对比例1～5制得的金刚石刀头进行抗弯强度(MPa)、硬度(HRB)及焊接强度(N·m)性能检测，检测结果如表1所示。
表1金刚石刀头的性能
Figure BDA0003745503670000161
Figure BDA0003745503670000171
由实施例1～4的数据可知，通过本发明制备得到的金刚石工具的抗弯强度、硬度和焊接强度，均可以达到和常规还原铁粉制备的金刚石工具，即对比例5同等性能。
同时，从对比例1和2可以看出，当不锈钢回收料中的氧含量或者陶瓷相杂质，如氧化铝和氧化镁的含量过高时，即使采用本发明实施例相同的制备方法，也难以获得拥有足够抗弯强度的金刚石工具。从对比例3和4可以看出，如果单独采用本发明实施例中的球磨法或添加金属粉末冶金的方法中的任意一种来处理不锈钢回收料，也不能有效提高金刚石工具的抗弯强度。
综上所述，本发明实施例提供的一种金刚石工具及其制备方法、应用，其至少具有以下优点：
本发明实施例通过采用物理法和冶金法结合，提高了不锈钢回收料的烧结活性和流动性。
其中物理法采用球磨的方法对不锈钢回收料进行预处理，能够破坏不锈钢回收料表面致密的氧化膜，提高粉末的烧结活性；此外，球磨还能够使不锈钢回收料中的大尺寸颗粒和长纤维得到细化和球化，提高粉末的流动性；球磨还能够进一步粉碎不锈钢回收料中残留的Al2O3、MgO、SiC等陶瓷颗粒，并使其分散更均匀，从而消除或降低回收料中杂质对粉末烧结性能和工具力学性能的不利影响。
冶金法选择将不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉混合，Zn与Cr元素具有较强的化学亲和力。添加Cu-Zn粉末，可以破坏不锈钢粉回收料表面的氧化铬膜的完整性，改善不锈钢回收料之间的冶金结合程度，提高金刚石工具的强度。Al和Mg均具有很强的还原作用，在不锈钢回收料中添加Al-Mg粉，可以进一步破坏球磨后的不锈钢回收料表面残留的氧化膜，提高粉末颗粒之间的冶金结合程度。Zn和Sn均为低熔点金属，主要用于降低金刚石工具的热压烧结温度。与Zn相比，Sn在熔融状态下具有更好的流动性，在不锈钢回收料中添加少量Sn粉，可以提高烧结致密度。通过加入Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉并控制其比例，不仅可以提升不锈钢回收料的使用价值，同时可以降低金刚石工具生产成本。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种金刚石工具，其特征在于，其材质包括金刚石颗粒和不锈钢基胎体粉；
所述不锈钢基胎体粉包括Cu-Zn粉、Al-Mg粉、Sn粉和不锈钢回收料；
所述不锈钢回收料为不锈钢制品在打磨过程中产生的废料经磁选后得到的回收粉料；
所述不锈钢回收料中氧的质量含量≤1.0%，Al的质量含量≤0.5%，Mg的质量含量≤0.5%；
所述不锈钢基胎体粉按质量百分比计包括：Cu-Zn粉10~60%、Al-Mg粉1~5%、Sn粉1~5%和余量的不锈钢回收料；
所述Cu-Zn粉包括Cu单质和Zn单质的混合粉体或Cu-Zn合金粉；Zn占所述Cu-Zn粉的质量百分比为10~60%；
所述Al-Mg粉包括Al单质和Mg单质的混合粉体或Al-Mg合金粉；Mg占所述Al-Mg粉的质量百分比为10~90%。
2.根据权利要求1所述的金刚石工具，其特征在于，所述不锈钢基胎体粉按质量百分比计包括：Cu-Zn粉30%、Al-Mg粉3%、Sn粉2%和余量的不锈钢回收料。
3.一种如权利要求1或2所述的金刚石工具的制备方法，其特征在于，包括将所述不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒按比例混合后制备成生坯进行烧结。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备所述不锈钢基胎体粉包括将球磨后的所述不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉按比例混合。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨包括向所述不锈钢回收料中加入3-5%质量比的石蜡粉再进行球磨。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，球磨转速为40~80rpm，球料比为1：1~5，球磨时间为10~30h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将球磨后的不锈钢回收料过筛，筛网目数为100~325目。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，不锈钢回收料与Cu-Zn粉、Al-Mg粉和Sn粉的混合时间为1~2h。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备生坯包括将不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合物冷压成型。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢基胎体粉与金刚石颗粒的混合时间为20~30min。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的压强为20~30MPa。
12.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烧结采用热压烧结，包括将所述生坯装入模具后将模具放入热压烧结机中烧结；
所述模具为石墨模具。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为700~900℃，压强≥30MPa，保压时间3~5min。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石工具的固定方式包括焊接或卡接。
15.一种如权利要求1或2任一项所述的金刚石工具或如权利要求3~14任一项所述的制备方法制得的金刚石工具在机械制造领域中的应用。
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