一種自蔓延制備金剛石節(jié)塊工具的方法
【專利摘要】一種自蔓延制備金剛石節(jié)塊工具的方法，選用經(jīng)球磨充分混勻的金屬粉末，各組分摩爾比例含量為：Ni：40-70%；Al：10-30%；Cr：5-20%；Ti：5-25%；Co：0-5%；稀土Ce合金：05-1%，將金屬粉末與濃度為20-100%的金剛石均勻混合，再用模具壓制成型，得到節(jié)塊壓塊，經(jīng)恒溫處理后，利用激光誘導(dǎo)節(jié)塊壓塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)制備得金剛石節(jié)塊，將節(jié)塊修磨、加工、裝配組合得到各種類型的金剛石工具。本發(fā)明選區(qū)加熱、反應(yīng)速度快，制備的金剛石節(jié)塊，胎體機(jī)械性能優(yōu)異，金剛石表面形成具有優(yōu)良的化學(xué)冶金結(jié)合性的碳化物過(guò)渡層，對(duì)磨料的把持力高，節(jié)塊的使用壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)效率高。
【專利說(shuō)明】一種自蔓延制備金剛石節(jié)塊工具的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金剛石工具的制備方法，尤其涉及一種激光誘導(dǎo)自蔓延真空制備金剛石節(jié)塊工具的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石節(jié)塊，廣泛運(yùn)用于制備諸如金剛石鋸片、磨輪、刀頭等金剛石工具。金剛石節(jié)塊工具通常由工具基體、金剛石節(jié)塊等組成，其中金剛石節(jié)塊是其制備的核心。金剛石節(jié)塊工具按其制備的結(jié)合劑種類可以分為三種:金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑。其中，金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊工具具有良好的磨粒把持力、較高的切削效率和優(yōu)良的使用壽命，廣泛運(yùn)用于石材、混凝土、耐火磚、陶瓷、玻璃等硬脆性材料加工領(lǐng)域。
[0003]制備金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊工具通常采用粉末冶金燒結(jié)法。粉末冶金法制備主要有冷壓-浸潰法、預(yù)壓-煅燒-熱壓燒結(jié)法和預(yù)壓-熱壓燒結(jié)法。
[0004]冷壓-浸潰法是利用冷壓機(jī)將金剛石與結(jié)合劑混合在鋼模具中施加一定壓力壓制出毛坯，卸模后再將熔化的結(jié)合劑粘結(jié)金屬熔滲進(jìn)金剛石與高熔點(diǎn)粗顆粒的結(jié)合骨架相中。
[0005]預(yù)壓-煅燒-熱壓燒結(jié)法是將混合料冷壓成型后，在一定的溫度下煅燒之后，送入熱壓機(jī)預(yù)壓，通電加熱至工藝溫度，保溫保壓一定時(shí)間后卸壓冷卻，最后卸下熱壓模具。
[0006]預(yù)壓-熱壓燒結(jié)法是將金剛石混合料預(yù)壓具有一定密度的壓坯后，再用熱壓燒結(jié)機(jī)燒結(jié)制備金剛石節(jié)塊。目前國(guó)內(nèi)普遍采用此方法制造金剛石節(jié)塊。
[0007]目前，上述幾種傳統(tǒng)粉末冶金燒結(jié)法制備金剛石節(jié)塊，所需的熱量均是由外部熱量提供，燒結(jié)體系自身并不能自發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，磨粒與胎體之間不能產(chǎn)生化學(xué)冶金結(jié)合；生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能耗高，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有制備金剛石節(jié)塊工具的缺點(diǎn)，提出一種利用激光誘導(dǎo)的自蔓延真空制備金剛石節(jié)塊工具，以實(shí)現(xiàn)制備高性能金剛石節(jié)塊工具，提高工具的使用壽命和加工效率。
[0009]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0010](I)選用平均粒徑≤38微米的N1-Al-Cr-T1-Co-Ce金屬粉末，各組分摩爾比例分別為:N1:40-70% ；A1:10-30% ；Cr:5-20% ；T1:5-25% ；Co:0-5% ;稀土 Ce 合金:0.05-1%,磨料為金剛石，金剛石濃度為20-100% (即單位體積所含金剛石磨料的重量，參見(jiàn)GB/T6409.1-94)，將金屬粉末按一定比例在球磨機(jī)中均勻混合6-36小時(shí)，得到混合均勻的金屬粉末混合料；
[0011](2)將步驟(1)得到的金屬粉末混合料與一定濃度的金剛石磨料在混料機(jī)中混勻4-24小時(shí)，得到節(jié)塊混合料；
[0012](3)將步驟(2)得到的節(jié)塊混合料根據(jù)金剛石工具形狀，在模具中壓制成型(例如扇形、矩形或圓柱形等形狀)，壓制過(guò)程保壓5-30分鐘，得到節(jié)塊壓塊；
[0013](4)將步驟(3)得到的節(jié)塊壓塊放置于80_120°C恒溫箱中，保溫1_3小時(shí)，去除節(jié)塊壓塊中的水分和相關(guān)氣體成分，將恒溫處理后的節(jié)塊壓塊置于真空自蔓延反應(yīng)容器的工作臺(tái)上，調(diào)整節(jié)塊壓塊的位置使激光光斑能夠加熱覆蓋到整個(gè)節(jié)塊，封閉反應(yīng)容器，抽真空直至真空度達(dá)到< 10_2Pa，用激光覆蓋加熱節(jié)塊壓塊，調(diào)整激光引燃功率，節(jié)塊壓塊引燃自蔓延反應(yīng)后，停止激光加熱，節(jié)塊壓塊依靠自身反應(yīng)放出的熱量來(lái)維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直至合成金剛石節(jié)塊；
[0014](5)將步驟(4)得到的金剛石節(jié)塊經(jīng)過(guò)修磨、加工，通過(guò)諸如釬焊等相關(guān)的連接技術(shù)裝配組合成相應(yīng)金剛石工具。
[0015]本發(fā)明采用激光誘導(dǎo)自蔓延真空制備金剛石節(jié)塊工具，該方法利用激光誘導(dǎo)加熱方法，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)塊的快速選區(qū)加熱，并且對(duì)金剛石和胎體的熱影響較小。金剛石磨料和胎體材料通過(guò)化學(xué)冶金結(jié)合，提高了節(jié)塊的機(jī)械性能，進(jìn)而提高了節(jié)塊使用壽命和加工效率。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016](I)采用N1-Al-Cr-T1-Co-Ce體系，通過(guò)Ni基胎體體系,體系可以通過(guò)自身的自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的瞬間高溫合成 TiN1、TiNi2 ;CrC、Cr7C3> Cr23C6 ;NiAl、Ni3Al' Ni2Al3 以及 TiAl3等有利于提高胎體物理、機(jī)械性能的碳化物過(guò)渡層。其中，Ti元素能夠降低胎體與金剛石的接觸角，提高胎體材料與金剛石的潤(rùn)濕性，改善胎體材料與金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度；A1的加入可以為Ni和Ti整個(gè)自蔓延反應(yīng)提供更多的熱量；Ni元素對(duì)胎體材料具有彌散強(qiáng)化的作用，提高結(jié)合劑強(qiáng)度，提高工具的機(jī)械性能。Co元素的加入更好提高了胎體強(qiáng)度以滿足不同工件的加工需要。元素Cr和Ti可以在金剛石表面形成Cr-C、T1-C等化學(xué)冶金結(jié)合，極大地提高了胎體對(duì)金剛石的把持力。
[0017](2)加入了稀土元素Ce，Ce可以增強(qiáng)胎體材料和金剛石之間的化學(xué)冶金結(jié)合性，細(xì)化胎體晶粒，改善金屬和金剛石之間的化學(xué)結(jié)合狀況，提高金屬胎體對(duì)金剛石的把持力，并可以減少自蔓延產(chǎn)生的高溫對(duì)金剛石表面的熱蝕。
[0018](3)采用激光加熱方式，具有無(wú)接觸、無(wú)污染、易于控制、加熱及冷卻速率高等特點(diǎn)，反應(yīng)過(guò)程快速高效，沒(méi)有其他加熱設(shè)備，生產(chǎn)效率較高，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的快速選區(qū)加熱，對(duì)金剛石的熱影響較小，能夠有效防止金剛石在反應(yīng)產(chǎn)生的高溫過(guò)程中發(fā)生石墨化，不影響金剛石的物理性能。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]實(shí)施例1:
[0021]一種激光誘導(dǎo)自蔓延真空制備節(jié)塊型金剛石開(kāi)槽式鋸片，規(guī)格尺寸為:直徑150mm,基體厚度1.5mm,內(nèi)孔直徑22.23mm,節(jié)塊齒厚2mm,節(jié)塊齒高8mm:
[0022](I)按摩爾比例取平均粒徑約為38微米的Ni粉50%，Al粉20%，Ce合金粉0.5%，Cr粉7%，Ti粉20%，Co粉2.5%，在球磨機(jī)上進(jìn)行充分球磨混勻16小時(shí)，得到混合均勻的金屬粉料；
[0023](2)將步驟(I)得到的混勻金屬粉料與粒度為200/230的金剛石，按金剛石濃度為100%的比例(即每立方厘米粉料中金剛石含量約為4.4克拉)配置成混料，將金剛石與金屬粉料在混料機(jī)上充分混勻10小時(shí)，得到節(jié)塊混合料；
[0024](3)將步驟(2)得到的節(jié)塊混合料置于金屬模具上壓制成型齒厚2mm，齒高8mm的節(jié)塊壓塊，保壓10分鐘；
[0025](4)將步驟(3)得到的節(jié)塊壓塊放入100°C恒溫箱保溫2小時(shí)，將恒溫處理后的節(jié)塊壓塊置于真空激光自蔓延反應(yīng)爐中，封閉反應(yīng)爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調(diào)整反應(yīng)爐的激光光斑和節(jié)塊壓塊位置，加熱節(jié)塊壓塊，節(jié)塊溫度迅速上升，發(fā)生自蔓延反應(yīng)后停止激光加熱，憑其自身反應(yīng)放熱合成節(jié)塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節(jié)塊；
[0026](5)將步驟(4)得到的金剛石節(jié)塊修磨、加工，再將金剛石節(jié)塊釬焊在鋸片的工具基體上，根據(jù)工具基體的形狀尺寸即可組裝成相應(yīng)尺寸的金剛石開(kāi)槽式鋸片。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]一種激光誘導(dǎo)自蔓延真空制備節(jié)塊型金剛石單圈磨輪，規(guī)格尺寸為:外徑100mm，內(nèi)徑20mm;節(jié)塊的尺寸:厚度5mm,寬度8mm,數(shù)量8個(gè):
[0029](I)按摩爾比例取平均粒徑約為20微米的Ni粉50%，Al粉20%，Ce合金粉0.5%，Cr粉7%，Ti粉17%，Co粉5.5%，在球磨機(jī)上進(jìn)行充分球磨混勻20小時(shí)，得到混合均勻的金屬粉料；
[0030](2)將步驟(I)得到的混勻金屬粉料與粒度為270/325的金剛石，按金剛石濃度為75%的比例(即每立方厘米粉料中金剛石含量約為3.3克拉)配置成混合料，將金剛石與金屬粉料在混料機(jī)上充分混勻8小時(shí)，得到節(jié)塊混合料；
[0031](3)將步驟(2)得到的節(jié)塊混合料用模具壓制成規(guī)格尺寸為厚度5_，寬度8_的節(jié)塊壓塊，保壓20分鐘；
[0032](4)將步驟(3)得到的節(jié)塊壓塊放置于100°C恒溫箱保溫2小時(shí)，將恒溫處理后的節(jié)塊壓塊置于真空激光自蔓延反應(yīng)爐中，封閉反應(yīng)爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調(diào)整反應(yīng)爐的激光光斑和節(jié)塊壓塊位置，加熱節(jié)塊壓塊，節(jié)塊溫度迅速上升，發(fā)生自蔓延反應(yīng)后停止激光加熱，憑其自身反應(yīng)放熱合成節(jié)塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節(jié)塊；
[0033](5)將步驟(4)得到的金剛石節(jié)塊修磨、加工，再將8個(gè)金剛石節(jié)塊釬焊在單圈磨輪的工具基體上，即可得節(jié)塊型金剛石單圈磨輪。
[0034]實(shí)施例3:
[0035]一種激光誘導(dǎo)自蔓延真空制備節(jié)塊型金剛石波紋磨輪，規(guī)格尺寸為:外徑100mm，內(nèi)徑20mm;節(jié)塊的尺寸:厚度5mm,寬度Ilmm,數(shù)量16個(gè):
[0036](I)按摩爾比例取平均粒徑約為20微米的Ni粉45%，Al粉20%，Ce合金粉0.3%，Cr粉8%，Ti粉20%，Co粉6.7%，在球磨機(jī)上進(jìn)行充分球磨混勻20小時(shí)，得到混合均勻的金屬粉料；
[0037](2)將步驟(I)得到的混勻金屬粉料與粒度為200/230的金剛石，按金剛石濃度為50%的比例(即每立方厘米粉料中金剛石含量約為2.2克拉)配置成混料，將金剛石與金屬粉料在混料機(jī)上充分混勻8小時(shí)，得到節(jié)塊混合料；
[0038](3)將步驟(2 )得到的節(jié)塊混合料用模具壓制成規(guī)格尺寸為厚度5mm，寬度I Imm的節(jié)塊壓塊，保壓20分鐘；
[0039](4)將步驟(3)得到的節(jié)塊壓塊放置于100°C恒溫箱保溫2小時(shí)，將恒溫處理后的節(jié)塊壓塊置于真空激光自蔓延反應(yīng)爐中，封閉反應(yīng)爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調(diào)整反應(yīng)爐的激光光斑和節(jié)塊壓塊位置，加熱節(jié)塊壓塊，節(jié)塊溫度迅速上升，發(fā)生自蔓延反應(yīng)后停止激光加熱，憑其自身反應(yīng)放熱合成節(jié)塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節(jié)塊；
[0040](5)將步驟(4)得到的金剛石節(jié)塊修磨、加工，再將16個(gè)金剛石節(jié)塊釬焊在波紋磨輪的工具基體上，即可得節(jié)塊型金剛石波紋磨輪。
【權(quán)利要求】
1.一種自蔓延制備金剛石節(jié)塊工具的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)選用平均粒徑<38微米的N1-Al-Cr-T1-Co-Ce金屬粉末，各組分摩爾比例分別為:N1:40-70% ；A1:10-30% ；Cr:5-20% ；T1:5-25% ；Co:0-5% ;稀土 Ce 合金:0.05-1%,磨料為金剛石，金剛石濃度為20-100% (即單位體積所含金剛石磨料的重量，參見(jiàn)GB/T6409.1-94),將金屬粉末按一定比例在球磨機(jī)中均勻混合6-36小時(shí)，得到混合均勻的金屬粉末混合料； (2)將步驟(I)得到的金屬粉末混合料與一定濃度的金剛石磨料在混料機(jī)中混勻4-24小時(shí)，得到節(jié)塊混合料； (3)將步驟(2)得到的節(jié)塊混合料根據(jù)金剛石工具形狀，在模具中壓制成型(例如扇形、齒形或圓柱形等形狀)，壓制過(guò)程保壓5-30分鐘，得到節(jié)塊壓塊； (4)將步驟(3)得到的節(jié)塊壓塊放置于80-120°C恒溫箱中，保溫1-3小時(shí)，去除節(jié)塊壓塊中的水分和相關(guān)氣體成分，將恒溫處理后的節(jié)塊壓塊置于真空自蔓延反應(yīng)容器的工作臺(tái)上，調(diào)整節(jié)塊壓塊的位置使激光光斑能夠加熱覆蓋到整個(gè)節(jié)塊，封閉反應(yīng)容器，抽真空直至真空度達(dá)到< 10_2Pa，用激光覆蓋加熱節(jié)塊壓塊，調(diào)整激光引燃功率，節(jié)塊壓塊引燃自蔓延反應(yīng)后，停止激光加熱，節(jié)塊壓塊依靠自身反應(yīng)放出的熱量來(lái)維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直至合成金剛石節(jié)塊； (5)將步驟(4)得到的金剛石節(jié)塊經(jīng)過(guò)修磨、加工，通過(guò)諸如釬焊等相關(guān)的連接技術(shù)裝配組合成相應(yīng)金剛石工具。
【文檔編號(hào)】B22F1/00GK103521774SQ201310498423
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】吳海勇, 葉凱, 孫玉珍 申請(qǐng)人:吳海勇