一種自蔓延制備金剛石節塊工具的方法
【專利摘要】一種自蔓延制備金剛石節塊工具的方法，選用經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，得到節塊壓塊，經恒溫處理后，利用激光誘導節塊壓塊發生自蔓延反應制備得金剛石節塊，將節塊修磨、加工、裝配組合得到各種類型的金剛石工具。本發明選區加熱、反應速度快，制備的金剛石節塊，胎體機械性能優異，金剛石表面形成具有優良的化學冶金結合性的碳化物過渡層，對磨料的把持力高，節塊的使用壽命長，生產效率高。
【專利說明】一種自蔓延制備金剛石節塊工具的方法
【技術領域】
[0001]本發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自蔓延真空制備金剛石節塊工具的方法。
【背景技術】
[0002]金剛石節塊，廣泛運用于制備諸如金剛石鋸片、磨輪、刀頭等金剛石工具。金剛石節塊工具通常由工具基體、金剛石節塊等組成，其中金剛石節塊是其制備的核心。金剛石節塊工具按其制備的結合劑種類可以分為三種:金屬結合劑、陶瓷結合劑和樹脂結合劑。其中，金屬結合劑金剛石節塊工具具有良好的磨粒把持力、較高的切削效率和優良的使用壽命，廣泛運用于石材、混凝土、耐火磚、陶瓷、玻璃等硬脆性材料加工領域。
[0003]制備金屬結合劑金剛石節塊工具通常采用粉末冶金燒結法。粉末冶金法制備主要有冷壓-浸潰法、預壓-煅燒-熱壓燒結法和預壓-熱壓燒結法。
[0004]冷壓-浸潰法是利用冷壓機將金剛石與結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合劑粘結金屬熔滲進金剛石與高熔點粗顆粒的結合骨架相中。
[0005]預壓-煅燒-熱壓燒結法是將混合料冷壓成型后，在一定的溫度下煅燒之后，送入熱壓機預壓，通電加熱至工藝溫度，保溫保壓一定時間后卸壓冷卻，最后卸下熱壓模具。
[0006]預壓-熱壓燒結法是將金剛石混合料預壓具有一定密度的壓坯后，再用熱壓燒結機燒結制備金剛石節塊。目前國內普遍采用此方法制造金剛石節塊。
[0007]目前，上述幾種傳統粉末冶金燒結法制備金剛石節塊，所需的熱量均是由外部熱量提供，燒結體系自身并不能自發反應產生熱量，磨粒與胎體之間不能產生化學冶金結合；生產周期長，能耗高，生產效率較低，生產成本較高。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是克服上述現有制備金剛石節塊工具的缺點，提出一種利用激光誘導的自蔓延真空制備金剛石節塊工具，以實現制備高性能金剛石節塊工具，提高工具的使用壽命和加工效率。
[0009]為了達到上述發明目的，本發明采用如下的技術方案:
[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GB/T6409.1-94)，將金屬粉末按一定比例在球磨機中均勻混合6-36小時，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中混勻4-24小時，得到節塊混合料；
[0012](3)將步驟(2)得到的節塊混合料根據金剛石工具形狀，在模具中壓制成型(例如扇形、矩形或圓柱形等形狀)，壓制過程保壓5-30分鐘，得到節塊壓塊；
[0013](4)將步驟(3)得到的節塊壓塊放置于80_120°C恒溫箱中，保溫1_3小時，去除節塊壓塊中的水分和相關氣體成分，將恒溫處理后的節塊壓塊置于真空自蔓延反應容器的工作臺上，調整節塊壓塊的位置使激光光斑能夠加熱覆蓋到整個節塊，封閉反應容器，抽真空直至真空度達到< 10_2Pa，用激光覆蓋加熱節塊壓塊，調整激光引燃功率，節塊壓塊引燃自蔓延反應后，停止激光加熱，節塊壓塊依靠自身反應放出的熱量來維持反應繼續進行，直至合成金剛石節塊；
[0014](5)將步驟(4)得到的金剛石節塊經過修磨、加工，通過諸如釬焊等相關的連接技術裝配組合成相應金剛石工具。
[0015]本發明采用激光誘導自蔓延真空制備金剛石節塊工具，該方法利用激光誘導加熱方法，可以實現節塊的快速選區加熱，并且對金剛石和胎體的熱影響較小。金剛石磨料和胎體材料通過化學冶金結合，提高了節塊的機械性能，進而提高了節塊使用壽命和加工效率。與已有技術相比，本發明優點在于:
[0016](I)采用N1-Al-Cr-T1-Co-Ce體系，通過Ni基胎體體系,體系可以通過自身的自蔓延反應產生的瞬間高溫合成 TiN1、TiNi2 ;CrC、Cr7C3> Cr23C6 ;NiAl、Ni3Al' Ni2Al3 以及 TiAl3等有利于提高胎體物理、機械性能的碳化物過渡層。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濕性，改善胎體材料與金剛石的粘結強度；A1的加入可以為Ni和Ti整個自蔓延反應提供更多的熱量；Ni元素對胎體材料具有彌散強化的作用，提高結合劑強度，提高工具的機械性能。Co元素的加入更好提高了胎體強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等化學冶金結合，極大地提高了胎體對金剛石的把持力。
[0017](2)加入了稀土元素Ce，Ce可以增強胎體材料和金剛石之間的化學冶金結合性，細化胎體晶粒，改善金屬和金剛石之間的化學結合狀況，提高金屬胎體對金剛石的把持力，并可以減少自蔓延產生的高溫對金剛石表面的熱蝕。
[0018](3)采用激光加熱方式，具有無接觸、無污染、易于控制、加熱及冷卻速率高等特點，反應過程快速高效，沒有其他加熱設備，生產效率較高，而且可以實現對試樣的快速選區加熱，對金剛石的熱影響較小，能夠有效防止金剛石在反應產生的高溫過程中發生石墨化，不影響金剛石的物理性能。
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實施例對本發明作詳細說明。
[0020]實施例1:
[0021]一種激光誘導自蔓延真空制備節塊型金剛石開槽式鋸片，規格尺寸為:直徑150mm,基體厚度1.5mm,內孔直徑22.23mm,節塊齒厚2mm,節塊齒高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%，在球磨機上進行充分球磨混勻16小時，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上充分混勻10小時，得到節塊混合料；
[0024](3)將步驟(2)得到的節塊混合料置于金屬模具上壓制成型齒厚2mm，齒高8mm的節塊壓塊，保壓10分鐘；
[0025](4)將步驟(3)得到的節塊壓塊放入100°C恒溫箱保溫2小時，將恒溫處理后的節塊壓塊置于真空激光自蔓延反應爐中，封閉反應爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調整反應爐的激光光斑和節塊壓塊位置，加熱節塊壓塊，節塊溫度迅速上升，發生自蔓延反應后停止激光加熱，憑其自身反應放熱合成節塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節塊；
[0026](5)將步驟(4)得到的金剛石節塊修磨、加工，再將金剛石節塊釬焊在鋸片的工具基體上，根據工具基體的形狀尺寸即可組裝成相應尺寸的金剛石開槽式鋸片。
[0027]實施例2:
[0028]一種激光誘導自蔓延真空制備節塊型金剛石單圈磨輪，規格尺寸為:外徑100mm，內徑20mm;節塊的尺寸:厚度5mm,寬度8mm,數量8個:
[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%，在球磨機上進行充分球磨混勻20小時，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上充分混勻8小時，得到節塊混合料；
[0031](3)將步驟(2)得到的節塊混合料用模具壓制成規格尺寸為厚度5_，寬度8_的節塊壓塊，保壓20分鐘；
[0032](4)將步驟(3)得到的節塊壓塊放置于100°C恒溫箱保溫2小時，將恒溫處理后的節塊壓塊置于真空激光自蔓延反應爐中，封閉反應爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調整反應爐的激光光斑和節塊壓塊位置，加熱節塊壓塊，節塊溫度迅速上升，發生自蔓延反應后停止激光加熱，憑其自身反應放熱合成節塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節塊；
[0033](5)將步驟(4)得到的金剛石節塊修磨、加工，再將8個金剛石節塊釬焊在單圈磨輪的工具基體上，即可得節塊型金剛石單圈磨輪。
[0034]實施例3:
[0035]一種激光誘導自蔓延真空制備節塊型金剛石波紋磨輪，規格尺寸為:外徑100mm，內徑20mm;節塊的尺寸:厚度5mm,寬度Ilmm,數量16個:
[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%，在球磨機上進行充分球磨混勻20小時，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上充分混勻8小時，得到節塊混合料；
[0038](3)將步驟(2 )得到的節塊混合料用模具壓制成規格尺寸為厚度5mm，寬度I Imm的節塊壓塊，保壓20分鐘；
[0039](4)將步驟(3)得到的節塊壓塊放置于100°C恒溫箱保溫2小時，將恒溫處理后的節塊壓塊置于真空激光自蔓延反應爐中，封閉反應爐，抽真空，直至真空度為10_3Pa，調整反應爐的激光光斑和節塊壓塊位置，加熱節塊壓塊，節塊溫度迅速上升，發生自蔓延反應后停止激光加熱，憑其自身反應放熱合成節塊，最后隨爐冷卻，即得所需金剛石節塊；
[0040](5)將步驟(4)得到的金剛石節塊修磨、加工，再將16個金剛石節塊釬焊在波紋磨輪的工具基體上，即可得節塊型金剛石波紋磨輪。
【權利要求】
1.一種自蔓延制備金剛石節塊工具的方法，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GB/T6409.1-94),將金屬粉末按一定比例在球磨機中均勻混合6-36小時，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中混勻4-24小時，得到節塊混合料； (3)將步驟(2)得到的節塊混合料根據金剛石工具形狀，在模具中壓制成型(例如扇形、齒形或圓柱形等形狀)，壓制過程保壓5-30分鐘，得到節塊壓塊； (4)將步驟(3)得到的節塊壓塊放置于80-120°C恒溫箱中，保溫1-3小時，去除節塊壓塊中的水分和相關氣體成分，將恒溫處理后的節塊壓塊置于真空自蔓延反應容器的工作臺上，調整節塊壓塊的位置使激光光斑能夠加熱覆蓋到整個節塊，封閉反應容器，抽真空直至真空度達到< 10_2Pa，用激光覆蓋加熱節塊壓塊，調整激光引燃功率，節塊壓塊引燃自蔓延反應后，停止激光加熱，節塊壓塊依靠自身反應放出的熱量來維持反應繼續進行，直至合成金剛石節塊； (5)將步驟(4)得到的金剛石節塊經過修磨、加工，通過諸如釬焊等相關的連接技術裝配組合成相應金剛石工具。
【文檔編號】B22F1/00GK103521774SQ201310498423
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】吳海勇, 葉凱, 孫玉珍 申請人:吳海勇