CN114012089B - 一种金刚石包裹球的制备方法及生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金刚石包裹球的制备方法及生成装置。所述方法用带有真空负压的金刚石吸附探针吸取金刚石，伸入包裹球腔体中心位置，闭合包裹球腔体，将金属粉末混合浆料通过金属粉末浆料挤压装置从包裹球腔体两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将吸附探针退出，腔体分开，形成金刚石包裹球。所述生成装置包括金属粉末浆料挤压装置、包裹球腔体、真空负压装置、金刚石吸附探针和金刚石。采用本发明的生成装置制备的金刚石包裹球粒度一致，形成类均布金刚石排列，金刚石‑金属粉末层形成的胎体内部可有效避免金刚石团聚或者偏析，提高金刚石‑金属复合材料的性能。

Description

一种金刚石包裹球的制备方法及生成装置
技术领域
本发明属于金刚石-金属基复合材料研究领域，具体涉及一种金刚石包裹球的制备方法及生成装置。
背景技术
常规金刚石工具切钻磨制品或者金刚石功能材料制品，是由金刚石和金属粉末混合烧结制备而成，金刚石在金属粉末胎体中随机分布，或者金刚石无序混合在金属胎体粉末中。由于金刚石与金属胎体粉末的粒度、比重差别都很大，金刚石在金属胎体粉末中很难混合均匀，随机分布的金刚石容易产生团聚和偏析，大大影响金刚石制品的性能，从而导致切钻磨用金刚石工具钻切效率低、工具寿命短、不稳定；也会导致金刚石功能材料制品光电热等性能偏低。为了防止金属胎体粉末中金刚石偏析，混料时加入硬脂酸锌、液体石蜡或无水乙醇等，但都无法从根本上解决金刚石在金属胎体粉末中分布不均匀的问题。
针对上述问题，韩国新韩公司2004年发明了ARIX技术，即通过设备指针在金属粉末冷压坯上压孔后落入金刚石的方法来制备金刚石有序排列工具，获得了巨大的成功。公开号为US4770907A、US5143523A和US5405573A等专利描述了采用流化床来包覆颗粒。公开号为EP0012631A1专利中描述了采用转盘法包覆颗粒如金刚石的方法。公开号为US20120082786A1的专利将上述“流化”和“旋转盘”两种包覆技术结合起来，可实现在所描述的单一装置中完成超硬颗粒的均匀包覆，在包覆效率和降低成本方面有很大改进，但该方法在包覆过程中需要不断的进行包覆状态检验。
上述“流化法”和“旋转盘法”均为滚球工艺，虽然可以避免金刚石产生团聚、偏析等现象，但所得金刚石包裹球粒径存在一定的偏差，不能实现完全的均匀排布。而新韩公司的ARIX技术为金刚石事先有序排列，在烧结过程中由于压力或者金属胎体密度不均等问题导致金刚石滑移从而使设计出现偏差，均会导致金刚石工具或制品性能的下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种先进的金刚石-金属粉末复合材料的制备方法，具体涉及一种金刚石包裹球的制备方法及生成装置。本发明制备的金刚石包裹球，将金属粉末层附着在裸金刚石表面，充当胎体材料，最后烧结的时候不再加入其它金属粉末，也就是说表面的金属粉末层即为金刚石工具的胎体粘结材料，此工艺可防止胎体内金刚石偏析和团聚等现象，金刚石在胎体内基本呈均匀分布状态。所述制备方法包括以下步骤：
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为5-8N，金刚石吸附探针5吸取金刚石6，并伸入包裹球腔体3中心位置，闭合包裹球腔体。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末层形成金刚石包裹球。将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在盛装容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，使有机物粘结剂去除干净。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，无需再加入其它金属粉末。
上述步骤中金刚石粒径为75-1180μm，优选地，金刚石粒径为150μm、600μm和1000μm；金刚石的体积分数为5-50％，按照金刚石在金刚石和金属粉末层中的占比确定；其中，金刚石粒径为150μm时，金刚石所占体积分数为5％；金刚石粒径为600μm时，金刚石所占体积分数为20％；金刚石粒径为1000μm时，金刚石所占体积分数为40％。
上述金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn，进一步地，还包括Ni、Mn或W。多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5。
上述脱蜡过程的脱蜡温度为300-550℃，保温时间为3-4h，优选地，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球在石墨模具或钢模中烧结温度为850-950℃，时间为3-5min，优选地，烧结温度为890℃，烧结时间为3min。
同时，为了将金属粉末层制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明还使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30，按照体积分数计算。将金属粉末层与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状的金属粉末混合浆料，然后将其放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
基于所述的金刚石包裹球的制备方法制备而成的金刚石包裹球由金刚石和金刚石表面包裹的金属粉末层组成。同时，本发明还提供了一种金刚石包裹球的生成装置，所述生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过生成装置制备的金刚石包裹球，金刚石包裹球粒度一致，形成类均布金刚石排列，可实现金刚石在金属粉末层中均匀分布。
2)可根据实际需要设计不同直径的包裹球腔体，实现多种不同粒径的金刚石包裹球制备。
3)金刚石包裹球的制备工艺效率高，可实现规模化生产。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为所述金刚石包裹球的生成装置，1-第一金属粉末浆料挤压装置，2-第二金属粉末浆料挤压装置，3-包裹球腔体，4-真空负压装置，5-金刚石吸附探针，6-金刚石。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，选用金属粉末层以及粒径为150μm的金刚石制备金刚石包裹球。金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn。
本实施例中多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5，金刚石按照体积分数5％计算，可设计得到包裹球腔体直径为407μm。
参照图1，所述金刚石包裹球的生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
为了将金属粉末制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明实施例中使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30(体积分数)。将金属粉末与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状浆料，然后放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为6N，金刚石吸附探针5吸取所述金刚石6，并伸入包裹球腔体3中心位置，闭合包裹球腔体。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末混合浆料形成金刚石包裹球。再将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在盛装容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，烧结温度为890℃，烧结时间为3min，无需再加入其它金属粉末。
实施例2
本发明实施例中，选用金属粉末层以及粒度为600μm的金刚石制备金刚石包裹球。金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn。
本实施例中多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5，金刚石按照体积分数20％计算，可设计得到包裹球腔体直径为1020μm。
参照图1，所述金刚石包裹球的生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
为了将金属粉末制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明实施例中使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30(体积分数)。将金属粉末与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状浆料，然后放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为6N，金刚石吸附探针5吸取所述金刚石6，并伸入包裹球腔体3中心位置，闭合包裹球腔体。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末混合浆料形成金刚石包裹球。再将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，烧结温度为890℃，烧结时间为3min，无需再加入其它金属粉末。
实施例3
本发明实施例中，选用金属粉末层以及粒度为1000μm的金刚石制备金刚石包裹球。金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn。
本实施例中多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5，金刚石按照体积分数40％计算，可设计得到包裹球腔体直径1250μm。
参照图1，所述金刚石包裹球的生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
为了将金属粉末制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明实施例中使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30(体积分数)。将金属粉末与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状浆料，然后放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为6N，金刚石吸附探针5吸取所述金刚石6，并伸入包裹球腔体3中心位置，闭合包裹球腔体。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末混合浆料形成金刚石包裹球。再将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，烧结温度为890℃，烧结时间为3min，无需再加入其它金属粉末。
实施例4
本发明实施例中，选用金属粉末层以及粒径为75μm的金刚石制备金刚石包裹球。金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn。
本实施例中多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5，金刚石按照体积分数5％计算，可设计得到包裹球腔体直径为225μm。
参照图1，所述金刚石包裹球的生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
为了将金属粉末制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明实施例中使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30。将金属粉末与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状浆料，然后放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为6N，金刚石吸附探针5吸取所述金刚石6，并伸入包裹球腔体3中心位置，闭合包裹球腔体。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末混合浆料形成金刚石包裹球。再将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在盛装容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，烧结温度为890℃，烧结时间为3min，无需再加入其它金属粉末。
实施例5
本发明实施例中，选用金属粉末层以及粒径为1180μm的金刚石制备金刚石包裹球。金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的，包括Fe、Co、Cu和Sn。
本实施例中多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn＝40:20:35:5，金刚石按照体积分数48％计算，可设计得到包裹球腔体直径为1310μm。
参照图1，所述金刚石包裹球的生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2、包裹球腔体3、真空负压装置4、金刚石吸附探针5和金刚石6，所述包裹球腔体3是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针5连接；所述金刚石吸附探针5上端与包裹球腔体3连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置4，使金刚石6吸附在金刚石吸附探针5上。
为了将金属粉末制成具有一定流动性的粘稠膏状浆料，本发明实施例中使用了有机粘结剂，有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物，其中聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30(体积分数)。将金属粉末与有机粘结剂混合搅拌制成粘稠膏状浆料，然后放入第一金属粉末浆料挤压装置1和第二金属粉末浆料挤压装置2中。
在真空负压装置4作用下，其中负压过程中的吸力为6N，金刚石吸附探针5吸取所述金刚石6，伸入包裹球腔体3中心位置使其闭合。将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置1、第二金属粉末浆料挤压装置2从包裹球腔体3两侧开孔处挤入直至填满整个腔体，然后将金刚石吸附探针5从包裹球腔体3中退出，此时包裹球腔体3内部的金刚石和金属粉末混合浆料形成金刚石包裹球。再将包裹球腔体3打开，金刚石包裹球形成并掉落在盛装容器内。将金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，烧结温度为890℃，烧结时间为3min，无需再加入其它金属粉末。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
在真空负压装置（4）作用下，金刚石吸附探针（5）吸取金刚石（6），并将其伸入包裹球腔体（3）中心位置，闭合包裹球腔体（3）；
将金属粉末混合浆料通过第一金属粉末浆料挤压装置（1）、第二金属粉末浆料挤压装置（2）从包裹球腔体（3）两侧开孔处挤入直至填满整个腔体；
将金刚石吸附探针（5）退出，打开腔体，包裹球腔体（3）内部的金刚石和金属粉末层形成金刚石包裹球并掉落在盛装容器内。
2.根据权利要求1所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述金属粉末混合浆料是金属粉末层与有机粘结剂混合搅拌后制成的粘稠膏状浆料。
3.根据权利要求2所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述有机粘结剂为聚甲醛、聚丙烯和乙二醇经过搅拌形成的混合胶状物；
所述聚甲醛、聚丙烯和乙二醇的配比为10:70:30。
4.根据权利要求2所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述金属粉末层是由多种金属粉末混合而成的；
所述多种金属粉末包括Fe、Co、Cu和Sn。
5.根据权利要求4所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述多种金属粉末成分和质量比例为Fe:Co:Cu:Sn=40:20:35:5。
6.根据权利要求1所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述金刚石粒径为75-1180μm；
所述金刚石包裹球中金刚石所占的体积分数为5-50%。
7.根据权利要求6所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
金刚石粒径为150μm、600μm和1000μm。
8.根据权利要求7所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
其中金刚石粒径为150μm时，金刚石所占体积分数为5%；金刚石粒径为600μm时，金刚石所占体积分数为20%；金刚石粒径为1000μm时，金刚石所占体积分数为40%。
9.根据权利要求1所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述金刚石包裹球放入热处理炉内进行脱蜡处理，脱蜡温度为300-550℃，保温时间为3-4h。
10.根据权利要求9所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述脱蜡温度为450℃，保温时间为4h。
11.根据权利要求9所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
脱蜡后的金刚石包裹球直接放入石墨模具或钢模中烧结，无需再加入其它金属粉末。
12.根据权利要求11所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述脱蜡后的金刚石包裹球在石墨模具或钢模中的烧结温度为850-950℃，烧结时间为3-5min。
13.根据权利要求12所述金刚石包裹球的制备方法，其特征在于，
所述烧结温度为890℃，烧结时间为3min。
14.一种金刚石包裹球的生成装置，用以实现权利要求1-13任一项金刚石包裹球的制备方法；其特征在于，
所述生成装置包括第一金属粉末浆料挤压装置（1）、第二金属粉末浆料挤压装置（2）、包裹球腔体（3）、真空负压装置（4）、金刚石吸附探针（5）和金刚石（6）；
所述包裹球腔体（3）是中空且从中间分体的两个半球，每个半球的一侧开小孔，分别与第一金属粉末浆料挤压装置（1）、第二金属粉末浆料挤压装置（2）连接；两个半球结合位置开孔处与金刚石吸附探针（5）连接；所述金刚石吸附探针（5）上端与包裹球腔体（3）连接，且探针可伸入腔体内部中心位置，探针下端连接真空负压装置（4），使金刚石（6）吸附在金刚石吸附探针（5）上。
15.一种利用如权利要求1-13任一项所述的金刚石包裹球的制备方法制备而成的金刚石包裹球，其特征在于，
所述金刚石包裹球由金刚石和金刚石表面包裹的金属粉末层组成。
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