一种用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法

摘要

本发明涉及一种用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，属于微波烧结和超硬材料制备技术领域。首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉45%～60%、Cu粉22%～40%、Ni粉3%～13%、Sn粉2%～8%、La粉0%～2%和Cr粉0%～3%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；将得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为15～25MPa，微波烧结温度为770℃～870℃下保温3～9min得到金刚石圆锯片刀头。本方法主要是运用微波热压烧结技术，得到低成本高性能的金刚石锯片刀头，而且本方法工艺简单、成本低、节能环保。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，属于微波烧结和超硬材料制备技术领域。

背景技术

金刚石圆锯片主要用于切割花岗岩、大理石和混凝土等非金属材料。目前制约金刚石圆锯片行业最突出的问题，是金属基体对金刚石磨料固着把持强度低，金刚石磨料出刃难、易脱落失效，使得工具寿命和加工效率大大降低。所以，寻找合适的金属基体配方至关重要。在大多数金刚石锯片中，钴是金属胎体材料的主要组成部分。钴与金刚石具有良好的润湿性和化学相容性。然而，钴作为一种战略资源，同时钴元素对环境存在危害、有毒性和价格昂贵。因此，钴不再是某些金刚石刀具的最佳选择。而替代钴基体的最常用材料是铁、铜基体，因此本发明采用铁为主要基体作为研究对象。

然而，对于高铁基体量通常需要较高的烧结温度和/或烧结压力，以确保烧结过程中元素的充分扩散和合金化反应。烧结是锯片制备过程中一道重要的工序，传统的烧结方法主要采用冷压-真空烧结和热压烧结，其中热压烧结是目前金刚圆锯片生产使用最多的方法。对于传统的热压烧结工艺，虽然在高温高压条件下能提高金刚石和金属胎体的结合强度，但是同时造成了金刚石的强度损失，影响锯片的使用寿命。冷压-真空烧结具有生产批量大、制造成本低的特点，但烧结过程时间长、能耗高，烧结体的致密度和强度难以满足复杂工况的要求。近年来，随着微波烧结在材料科学领域逐渐发展，一种新型的微波热压烧结的技术广泛应用于获得低空隙率材料的烧结。这种新型的烧结技术结合了微波加热和常规热压工艺优点。它具有微波烧结快速加热、内加热、加热均匀等优点，以及在烧结过程中，由于施加压力能快速获得高密度材料。所以，本发明采用了该新型的烧结技术，有望降低金刚石的强度损失、降低成本、提高锯片的综合性能。

《微波活化热压烧结对n型Bi2Te2.85Se0.15化合物的微观结构与热电性能的影响》公开了以微波热压法制备n型Bi2Te2.85Se0.15化合物。在该技术方案中采用微波热压技术成功制备出了高性能的材料，而该技术在金刚石锯片制备中还未见报道过。所有本申请采用微波热压烧结技术替代传统的热压技术，同时在配方中添加稀土和碳化物形成元素，有望增强金刚石和基体之间的结合强度，提高锯片的使用寿命。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法。本方法主要是运用微波热压烧结技术，得到低成本高性能的金刚石锯片刀头，而且本方法工艺简单、成本低、节能环保，本发明通过以下技术方案实现。

一种用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉45%～60%、Cu粉22%～40%、Ni粉3%～13%、Sn粉2%～8%、La粉0%～2%和Cr粉0%～3%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；

步骤2、将步骤1得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为15～25MPa，微波烧结温度为770℃～870℃下保温3～9min得到金刚石圆锯片刀头。

所述步骤1中Fe粉、Cu粉、Ni粉、Sn粉、La粉和Cr粉粒度为100～200目。

所述步骤1中金刚石颗粒为45～55目。

上述金刚石颗粒加入量根据所需的刀头体积而定，金刚石用量G_d=ρ_dV，ρ_d=0.88K，ρ_d-刀头单位体积中含有金刚石质量，K-金刚石的浓度，V-刀头体积。

上述粉末加入质量根据所需的刀头体积而定，M=ρV，M-粉末质量，ρ-混合粉末结合剂理论密度，V-刀头体积。如当ρ为7.963g/cm³，V为2.16cm³时M为17.20g。

本发明的有益效果是：

（1）本发明烧结方式上采用新型微波热压烧结技术，相比传统的热压烧结方式，微波热压烧结能降低烧结温度，减轻金刚石的强度损伤，获得较高的致密性的刀头。

（2）本发明通过在配方中添加一定量的La和Cr粉，有利于增强金刚石和金属基体之间的结合力，提高刀头的耐磨性。

附图说明

图1是本发明工艺流程图；

图2是本发明实施例1中制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图；

图3是本发明实施例2中制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图；

图4是本发明实施例3中制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，该用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉60%、Cu粉22%、Ni粉10%、Sn粉8%、La粉0%和Cr粉0%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；其中Fe粉、Cu粉、Ni粉、Sn粉、La粉和Cr粉粒度为100目，金刚石颗粒为45目；

步骤2、将步骤1得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为25MPa，微波烧结温度为770℃下保温9min得到金刚石圆锯片刀头。

经测试，本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头致密度为97.92%，硬度为102.14HRB，横向断裂强度为650MPa。本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出基体和金刚石结合处存在间隙，但金刚石形貌完整，无石墨化发生。

实施例2

如图1所示，该用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉45%、Cu粉40%、Ni粉6%、Sn粉5%、La粉1%和Cr粉3%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；其中Fe粉、Cu粉、Ni粉、Sn粉、La粉和Cr粉粒度为200目，金刚石颗粒为55目；

步骤2、将步骤1得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为20MPa，微波烧结温度为820℃下保温6min得到金刚石圆锯片刀头。

经测试，本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头致密度为98.12%，硬度为105.87HRB，横向断裂强度为720MPa。本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图如图3所示，从图3可以看到金刚石和基体结合紧密，无缝隙。这主要是由于金属La和Cr的添加，改善了金刚石和基体之间的结合。

实施例3

如图1所示，该用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉52%、Cu粉31%、Ni粉13%、Sn粉2%、La粉1%和Cr粉1%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；其中Fe粉、Cu粉、Ni粉、Sn粉、La粉和Cr粉粒度为150目，金刚石颗粒为50目；

步骤2、将步骤1得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为15MPa，微波烧结温度为870℃下保温3min得到金刚石圆锯片刀头。

经测试，本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头致密度为98.37%，硬度为106.68HRB，横向断裂强度为735MPa。本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头中金刚石和基体结合情况的扫描电镜图如图4所示，从图4可以看到金刚石和基体结合紧密，无缝隙。这主要是由于金属La和Cr的添加，改善了金刚石和基体之间的结合。更重要的是金刚石形貌完整，表面在870℃高温烧结情况下金刚石无石墨化产生。

实施例4

如图1所示，该用微波热压烧结技术制备金刚石圆锯片刀头的方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将以下质量百分比组分的粉末：Fe粉55%、Cu粉36%、Ni粉3%、Sn粉2%、La粉2%和Cr粉2%混合均匀得到混合粉末，上述各粉末的质量百分比之和为100%，然后再加入金刚石颗粒混合均匀得到金刚石颗粒混合粉末；其中Fe粉、Cu粉、Ni粉、Sn粉、La粉和Cr粉粒度为160目，金刚石颗粒为52目；

步骤2、将步骤1得到的金刚石颗粒混合粉末在烧结压力为22MPa，微波烧结温度为800℃下保温6min得到金刚石圆锯片刀头。

经测试，本实施例制备得到的金刚石圆锯片刀头致密度为98.37%，硬度为102.31HRB，横向断裂强度为695MPa。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。