專利名稱：金剛石多晶團、用多晶團制成的節塊及它們的制造方法
技術領域：
本發明涉及用于制作切割硬脆材料的切割工具的材料，以及用該材料制成的切割工具，具體地說是一種含有金剛石顆粒的金剛石多晶團和用該金剛石多晶團制成的節塊，以及它們的制造方法。
背景技術：
在石材加工及地質鉆探領域，一般都在切割工具中加入金剛石顆粒以便改善切割性能，例如用于切割大理石、花崗石、混凝土的圓盤鋸的圓周上所配裝的節塊和用于地質鉆探或混凝土鉆孔的空心鉆頭前端所設的節塊，這些節塊是由粒徑為250μm至600μm單晶金剛石鑲嵌在金屬胎體中所構成，其中的單晶金剛石比較均勻的自由分布在金屬胎體中。當進行加工硬脆材料時，如圖3所示暴露在金屬胎體0表面的單晶金剛石3棱角4切入要切削的硬脆材料5，進行切割操作。由于長時間的連續切割，單晶金剛石的棱角4會磨鈍、裂斷，甚至出現整粒的單晶金剛石3從金屬胎體0中脫落的情況，當單晶金剛石3在金屬胎體0表面脫落時，金屬胎體0就會受到磨損，直至露出下面新的單晶金剛石棱角4替代為止。而在切割過程中單晶金剛石棱角4的磨鈍、裂斷，均會嚴重的影響節塊的切割速度，甚至會阻礙切削，且單晶金剛石4自由分布于金屬胎體0中，只能依賴金屬胎體0對金剛石的把持能力，當金屬胎體0受一定程度的磨損后，整粒的單晶金剛石3會從金屬胎體0中脫落，而整粒金剛石的缺損，不僅造成節塊上的金剛石減少(即減少了用于切割的金剛石棱角)，也更進一步的降低切割區的切割速度，使得切割的有效性受到嚴重的影響，并且由于節塊內的單晶金剛石3的粒徑僅為250μm至600μm，因此其自身粒徑較小、能夠露出的切削的棱角少，使得其本身的切削效率較低，耐磨性能差，有效使用壽命較短。為了解決現有的節塊所存在的上述問題，申請號為97117562.4，名稱為《含有金剛石顆粒的組合式切割體及其制造方法》的發明專利，公開了一種用于磨削加工硬質材料和地基的組合式切割體，該切割體由粒徑50μm至300μm的金剛石顆粒3嵌入主要以金屬為粘結材料構成的母體2中構成，其制造方法是將金剛石顆粒和粘結材料的混合物成團并置于模具中真空高溫燒結，使其成型，其中金剛石顆粒的體積濃度為20～80％，切割體的粒徑為400μm至1200μm。將該組合式切割體用于砂輪等小型的切割工具上可達到較好的切割效果。但上述組合式切割體也存在一些的問題首先，由于這些單晶金剛石顆粒是依賴金屬胎體對金剛石的把持能力，而用于粘接金剛石顆粒的金屬材料的硬度和熔點都很高，硬度和熔點越高、其金屬材料的脆性越大、粘接和把持金剛石顆粒能力也越差、金屬材料的緩沖和減震作用也越小，當金剛石單晶受到一定的沖擊時就會很容易整粒地從金屬胎體中脫落，切割性能變得很差；并且熔點高的金屬的燒結處理十分麻煩，必須將其經過900～1300℃高溫的真空燒結，才能使其與金剛石顆粒較好的粘接。而且該發明中還將金剛石顆粒與粘接材料的混合物置于預先制好的模具中才能進行燒結成型，而高溫真空燒結的生產周期長，成本高，再加上不同規格的產品需要的模具種類繁多，而使用模具時需手工制作，其制造費用較高，進一步增加制造成本；而且這些主要為金屬的粘接材料中還含有一些有機物質，這些有機物質在高溫燒結過程中會與金屬材料發生反應，使得某些金屬材料喪失其原有的功能，從而直接影響到金屬材料對金剛石的粘結、把持能力，故必須先將混合物進行預熱處理，待這些有機物質揮發后，再進行高溫真空燒結成型工序。這種方法既增加了生產的成本，又進一步將制造工序復雜化，因此無法達到快速批量生產的要求。其次，該組合式切割體中所含的單晶金剛石顆粒的粒徑為50μm至300μm，與現有的普通磨具、刀具中分布的單晶金剛石顆粒徑相似，并且由于該組合切割體是依靠硬度較高的母體金屬材料來保護金剛石顆粒，由于母體金屬材料的把持能力有限，特別是金剛石的濃度不高，因此用該方法制造粒徑很大的組合式切割體沒有意義，所以僅將其制造成粒徑為400μm至1200μm的組合式切割體，因此用于進行切削的單晶金剛石的顆粒徑及整個組合式切割體的顆粒徑仍然很小，其切割速度的提高仍然是非常有限的，且切削的效率也不可能得到很大的提高，而且該組合式切割體中所含的金剛石顆粒的體積濃度僅為20～80％，與現有的普通磨具、刀具中所含金剛石顆粒的體積濃度相似，因此該組合式切割體中的金剛石顆粒的含量及整個節塊中的金剛石顆粒的含量及濃度不高，故其切削的耐磨度及切削有效率也不會有很大程度的提高。
發明內容
本發明將公開一種切削效率高、使有壽命長、可用于切削硬脆材料的金剛石多晶團，本發明還將公開用該金剛石多晶團制成的節塊，以及上述金剛石多晶團和節塊的制造方法。
本發明所述金剛石多晶團是將粒徑為160～850μm的金剛石顆粒與含有粘接劑的母體金屬材料混合，制成粒徑為1.21～8mm的金剛石多晶團，干燥成型即可；成型的金剛石多晶團中金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1。上述金剛石多晶團也可以真空燒結成型，燒結成型后的金剛石多晶團中金剛石顆粒的體積濃度為160～360％。
由于本發所述明金剛石多晶團中金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，遠遠大于現有切削工具中的比例，因此本發明所述金剛石多晶團中的單晶金剛石顆粒的含量、濃度均很高，使得本金剛石多晶團不僅棱角刃口多、鋒利、自銳性好、耐磨性高，切削效率高，而且金剛石多晶團中的單晶金剛石與其前后、左右、上下的單晶金剛石之間形成有效的相互支持、互相保護，使某些單晶金剛石可以伸出節塊母體材料以外很多而仍然能保持金剛石多晶團上而不會被磨損掉或碰掉，而整個金剛石多晶團也可伸出節塊胎體以外很多，從而可以極大的提高節塊的切割速度和切削能力。可以理解為顆粒小的金剛石單晶適合制作小粒經的金剛石多晶團，比較適合于園鋸刀頭及繩鋸的串珠切割大理石、花崗石；顆粒大的金剛石單晶適合制作大粒經的金剛石多晶團，特別適合制做表鑲的鉆頭用于地質、石油開采的高速鉆探。
上述用于與金剛石顆粒混合的母體金屬材料可以采用現有的制造切削工具的胎體金屬材料，但最好選用熔點低、韌性好、把持金剛石能力強的金屬材料，在使用金剛石多晶團制造節塊時，不需預先燒制金剛石多晶團，而是使金剛石多晶團與節塊胎體一次成型。如果使用熔點高的金屬材料，這需要預先燒制金剛石多晶團，然后用燒制好的金剛石多晶團與節塊胎體金屬材料混合后，再壓制成型，然后再行二次燒制。
與金剛石顆粒混合的母體金屬材料可以選用以下述重量百分比計的金屬材料配比錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。由上述的金屬組方為低熔點金屬，因此將金剛石顆粒與金屬材料的混合物制成金剛石多晶團時，可以采用制粒設備利用粘接劑將其制成金剛石多晶團，低溫干燥后即可直接用于制造節塊，這樣就大大節約了制造成本，也實現了快速生產的目的。當然，也可以將制好的金剛石多晶團用模具進行真空燒結以提高對金剛石的把持能力，但此燒結工序不一定是真空高溫燒結工序。
為使燒結后的金剛石多晶團及節塊質量可靠，應選擇性能好的粘接劑，若選用一般的粘接劑，其中可能含有一些有機物質，這些有機物質會在高溫燒結過程中與金屬材料發生反應，使得某些金屬材料喪失其原有的功能，直接影響到金屬材料對金剛石的粘結、把持能力，或由于燒結時有殘留物影響節塊的質量，而在制作金剛石多晶團時必須先進行預熱處理，使有機物質發揮，再進行燒結。因此最好選用現有的金剛石粉造粒用的造粒劑熔體，或稱粘接劑，如南京思尚科貿中心生產銷售的，型號為WS-120的造粒劑制成的造粒劑熔體或粘接劑；該造粒劑在制成造粒劑熔體或粘結劑時，一般以丙酮和異丙醇為溶劑，其配比以重量份計為造粒劑粉100～300份、丙酮100～300份、異丙醇350～1200份，使用這種粘結劑不需進行預燒結，也無需擔心會有有機物質在高溫燒結中與金屬材料發生反應或殘留，制作時直接將粘接劑與金剛石顆粒及金屬材料的混合物成型即可，這樣既節約了生產的成本，又簡化了制造的工序，也達到快速批量生產的要求。為使金剛石顆粒與金屬材料能牢固的粘結，所述粘接劑的重量應為金剛石顆粒與金屬材料重量之和的15～35％。
本發明所述的含有金剛石顆粒的金剛石多晶團的制造方法，其步驟如下1)選取母體金屬粉，備用；所選取的金屬粉可以是制作現有的切削工具的金屬粉，也可以選用一些熔點較低、有韌性、耐磨性高且對晶、金剛石把持能力強的金屬，如選用以下述配比制成的混合金屬粉，其配比以重量百分比計為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。
2)選取粘接劑，備用；所選擇的粘接劑應為性能較好的粘接劑，但由于一般的粘接劑中大多都含有一些有機物質，而這些有機物質在高溫燒結過程中，與母體金屬粉進行反應，而使某些金屬喪失其原有的功能，直接影響到母體金屬材料對金剛石顆粒的粘結、把持能力，為了避免上述情況的發生，最好選用用于金剛石造粒的造粒劑熔體或稱造粒用粘接劑。
3)將上述的金屬粉、粘接劑及粒徑為160～850μm的金剛石顆粒混合，并將其攪拌均勻，其中，投入的金剛石顆粒重量與混合金屬粉重量之比為1∶0.28～3.81、粘接劑的重量為金剛石顆粒與金屬材料重量之和的15～35％。
4)然后將所得的混合物進行機械制粒，將制好的金剛石多晶團干燥處理；5)將所得的金剛石多晶團進行過篩，得到金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，金剛石顆粒粒徑為1.21～8mm的金剛石多晶團。
含有金剛石多晶團的節塊，金剛石顆粒呈團狀或柱狀或堆狀分布于金屬胎體中，金剛石顆粒的粒徑為160～850μm，金剛石團或金剛石柱或金剛石堆的粒徑為1.21～8mm，含有金剛石顆粒的金剛石多晶團可以孕鑲或表鑲于節塊之中。其中節塊之中呈團狀或柱狀或堆狀的金剛石團，或金剛石柱或金剛石堆中心的金剛石的體積濃度為160～360％。
制造含有金剛石多晶團的節塊的方法，可以先制造含有金剛石顆粒的金剛石多晶團，然后再將其與胎體金屬粉(或胎體金屬粉團)一同置入模具中進行帶壓燒結成型制成節塊，其制造方法，步驟如下1)選取母體金屬粉，備用；所選取的金屬粉可以是制作現有的切削工具的金屬粉，也可以選用一些熔點較低、有韌性、耐磨性高且對金剛石的把持能力強的金屬，如選用以下述配比制成的混合金屬粉，其配比以重量百分比計為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。
2)選取粘接劑，備用；所選擇的粘接劑應為性能較好的粘接劑，由于一般的粘接劑中大多都含有一些有機物質，而這些有機物質在高溫燒結過程中，與母體金屬粉進行反應，而使某些金屬喪失其原有的功能，直接影響到母體金屬材料對金剛石顆粒的粘結、把持能力，為了避免上述情況的發生，最好選用用于金剛石造粒的任何一種造粒劑熔體；
3)將上述的金屬粉、粘接劑及粒徑為160～850μm的金剛石顆粒混合，并將其攪拌均勻，其中，投入的金剛石顆粒重量與混合金屬粉重量之比為1∶0.28～3.81、粘接劑的重量為金剛石顆粒與金屬材料重量之和的15～35％；4)然后將所得的混合物進行機械制粒，制成金剛石多晶團，將制好的金剛石多晶團干燥處理；5)將所得的金剛石多晶團進行過篩，得到金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，金剛石顆粒粒徑為1.21～8mm的金剛石多晶團。
6)將所得的含有金剛石顆粒的金剛石多晶團與胎體金屬粉混合，也可以將胎體金屬粉與粘接劑混合，通過制粒機預制成與多晶團大小可比的胎體金屬粉團，效果會更好。按照現有方法裝入模具中進行帶壓燒結，用真空燒結則效果更好。
7)待模具冷卻后拆模，即得成品節塊。
本發明所述金剛石多晶團內的每顆單晶金剛石的粒徑可達到160～850μm，可以理解為顆粒小的金剛石單晶適合制作小粒經的金剛石多晶團，顆粒大的金剛石單晶適合制作大粒經的金剛石多晶團，因此其切割的效率也可得到成倍的提高；且本發明含有金剛石顆粒的金剛石多晶團中，金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，即燒結后的體積濃度為160～360％(燒結后粘接劑被揮發掉，金剛石多晶團中的空隙消逝后，僅剩下金剛石顆粒和母體金屬材料，此時金剛石多晶團的體積＝金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)，遠遠高于現有正常磨具、刀具所含金剛石顆粒的體積濃度(現有切割工具的體積濃度20～80％)，因此金剛石多晶團內的單晶金剛石的含量非常高，如圖4所示金剛石的棱角4刃口也特別多，并且金剛石多晶團1內的單晶金剛石3可以依靠其前后、左右、上下的單晶金剛石3之間形成有效的相互支持、互相保護，使得金剛石多晶團1內處在不同的位置的單晶金剛石3都具有切削性能，可以同時進行切削工作，也可以使金剛石多晶團伸出胎體0較高而不被磨損掉，所以其切削的速度及效率也將得到進一步的提高；在長時間的持續切削工作時，若金剛石多晶團1內的某一個單晶金剛石的棱角4磨圓、斷裂甚至脫落，金剛石多晶團1內的其它單晶金剛石3會替代其繼續進行切削工作，不會造成障礙切割，對于整個金剛石多晶團1的磨削性能也不會造成影響，故本金剛石多晶團1的耐磨性也得到了實質性的提高。而且采用低熔點、韌性好、耐磨性高的母體金屬材料與金剛石顆粒及粘接劑混合制作成型，這樣既簡化了制造工序，也節約了生產成本；而且將金剛石顆粒與金屬材料進行混合時選用的粘接劑，也不需在燒結前對其作預熱處理，這樣也進一步簡化了制造工序；并且在制造本發明含有金剛石顆粒的復合體時，可以將其與節塊一次成形，制成可直接用于切割的節塊，因此可將其進行塊速的工業化批量生產。
圖1為金剛石多晶團的結構示意圖；圖2為節塊的結構示意圖；圖3為金剛石單晶工作示意圖；圖4為本金剛石多晶團工作示意圖。
具體實施例方式實施例1金剛石多晶團的制作1)選取母體金屬粉，其配比以重量百分比計為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅，共計500克，備用；2)選取粘接劑配方為南京思尚科貿中心生產銷售的，型號為WS-120的造粒劑粉100～300克、丙酮100～300克、異丙醇350～1200克的溶劑粘接劑；取配制好的混合液體為粘接劑140克備用；3)選取粒徑為250～300μm的金剛石顆粒200克，將上述的金屬粉、粘接劑及金剛石顆粒混合，并將其攪拌均勻；4)然后將所得的混合物通過制粒機進行制粒制成金剛石多晶團；5)將所得的金剛石多晶團1進行過篩、在50℃中進行烘干處理20分鐘，得到圖1所示的金剛石顆粒3的體積/(金剛石顆粒3的體積+母體金屬材料2的體積)＝0.4～0.9∶1，且粒徑為1.35～1.65mm的金剛石多晶團1。
實施例2胎體金屬粉團的制作1)選取胎體金屬粉，其配比以重量百分比為錫3％～8％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅，配制2200克備用；2)選取配方為南京思尚科貿中心生產銷售的，型號為WS-120的造粒劑粉100～300克、丙酮100～300克、異丙醇350～1200克的溶劑粘接劑；取配制好的混合液體為粘接劑330克備用；3)將上述的金屬粉、粘接劑混合，并將其攪拌均勻，通過制粒機制得粒徑為1.5～1.65mm的胎體金屬粉團，4)將所得的胎體金屬粉團進行過篩、在50℃中進行烘干處理20分鐘，得到粒徑為1.5～1.65mm的胎體金屬粉團。
實施例3節塊的制作Φ1600園盤鋸；體積濃度36％；金剛石96.1克/108齒＝4.45ct/齒(1克＝5ct)節塊尺寸為24mm×9mm×13mm＝工作層投23.5克/齒1)取實施例1中制取的金剛石多晶團338g(含金剛石96.1g，金剛石多晶團金屬粉242g)+實施例2中制取的胎體金屬粉團2200g混合均勻，備用；2)將所得的含有金剛石顆粒的金剛石多晶團與胎體金屬粉團混合均勻，并裝入模具中于700～1100℃進行帶壓燒結；3)待模具冷卻后拆模，即得圖2所示的成品節塊10。
節塊胎體0中金剛石顆粒3呈團狀或柱狀或堆狀分布，金剛石顆粒的粒徑為160～850μm，金剛石團或金剛石柱或金剛石堆的粒徑為1.21～8mm，且金剛石團，或金剛石柱，或金剛石堆中心的金剛石的體積濃度為160～360％。
權利要求
1.金剛石多晶團，其特征在于它是由粒徑為160～850μm的金剛石顆粒與母體金屬材料及粘接劑混合制成，且金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1。
2.根據權利要求1所述的金剛石多晶團，其特征在于金剛石多晶團的粒徑為1.21～8mm。
3.根據權利要求1或2所述的金剛石多晶團，其特征在于所述金剛石多晶團母體金屬材料的配比以重量百分比計為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。
4.根據權利要求1或2所述的金剛石多晶團，其特征在于所述粘接劑為用于金剛石造粒的粘接劑。
5.根據權利要求1或2所述的金剛石多晶團，其特征在于所述粘接劑的用量為金剛石顆粒與母體金屬材料重量之和的15～35％。
6.一種節塊，其特征在于其上的金剛石顆粒呈團狀或柱狀或堆狀分布，金剛石顆粒的粒徑為160～850μm，金剛石團或金剛石柱或金剛石堆中心的金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1。
7.根據權利要求6所述的節塊，其特征在于金剛石團或金剛石柱或金剛石堆的粒徑為1.21～8mm。
8.金剛石多晶團的制造方法，其步驟如下1)選取母體金屬粉，備用；2)選取粘接劑，備用；3)將上述的母體金屬粉、粘接劑及粒徑為160～850μm的金剛石顆粒混合，并將其攪拌均勻，其中，投入的金剛石顆粒重量與母體金屬粉重量之比為1∶0.28～3.81；4)然后將所得的混合物進行機械制粒或真空燒結處理，制成金剛石多晶團；5)將所得的金剛石多晶團進行過篩、烘干處理，得到金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1。
9.根據權利要求8所述的金剛石多晶團的制造方法，其特征在于金剛石多晶團的粒徑為1.21～8mm的金剛石多晶團。
10.根據權利要求8或9所述的金剛石多晶團的制造方法，其特征在于所述母體金屬粉的配比以重量百分比為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。
11.根據權利要求8或9所述的金剛石多晶團的制造方法，其特征在于所述粘接劑為用于金剛石造粒的粘接劑。
12.根據權利要求8或9所述的金剛石多晶團，其特征在于所述粘接劑的用量為金剛石顆粒與母體金屬材料重量之和的15～35％。
13.一種節塊的制造方法，其步驟如下1)選取母體金屬粉，備用；2)選取粘接劑，備用；3)將上述的母體金屬粉、粘接劑及粒徑為160～850μm的金剛石顆粒混合，并將其攪拌均勻，其中，投入的金剛石顆粒重量與母體金屬粉重量之比為1∶0.28～3.81；4)然后將所得的混合物進行機械制粒或真空燒結處理，制成金剛石多晶團；5)將所得的金剛石多晶團進行過篩、烘干處理，得到金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，且粒徑為1.21～8mm的金剛石多晶團；6)將所得的金剛石多晶團與胎體金屬粉或胎體金屬粉團混合，并裝入模具中進行帶壓燒結；7)待模具冷卻后拆模，即得成品節塊。
14.根據權利要求12所述的節塊的制造方法，其特征在于步驟1)所述母體金屬粉的配比以重量百分比為錫3％～8％，鉬2％～20％，鉻1％～3％，鎳10％～30％，鈷20％～60％，余量為銅。
15.根據權利要求12或13所述的金剛石多晶團，其特征在于所述粘接劑為用于金剛石造粒的粘接劑。
16.根據權利要求12或13所述的金剛石多晶團，其特征在于所述粘接劑的用量為金剛石顆粒與母體金屬材料重量之和的15～35％。
全文摘要
本發明將公開一種含有金剛石顆粒的金剛石多晶團和用該金剛石多晶團制成的節塊，及它們的制造方法。該金剛石多晶團是由粒徑為160～850μm的金剛石顆粒與母體金屬材料及粘接劑混合制成，金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1，金剛石多晶團的粒徑為1.21～8mm；用該金剛石多晶團制成的節塊其上的金剛石顆粒呈團狀或柱狀或堆狀分布，金剛石顆粒的粒徑為160～850μm，金剛石團或金剛石柱或金剛石堆中心的金剛石顆粒的體積/(金剛石顆粒的體積+母體金屬材料的體積)＝0.4～0.9∶1。金剛石團或金剛石柱或金剛石堆的粒徑為1.21～8mm。使用該節塊進行切割，不但切割效率可得到成倍的提高，其耐磨性也得到了實質性提高。
文檔編號B22F3/00GK1686641SQ20051002021
公開日2005年10月26日 申請日期2005年1月15日 優先權日2005年1月15日
發明者曲云霄, 曲應博 申請人:曲云霄, 曲應博