一种金刚石工具的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钎焊金刚石工具领域。具体地，本发明涉及一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，更具体地涉及一种金刚石表面生长硼及其化合物纳米涂层在单层钎焊金刚石工具中的应用，所制备的金刚石工具适用于花岗岩，陶瓷，混凝土及玻璃等硬脆性材料的加工。
【背景技术】
[0002]钎焊法是通过高温钎焊使钎料在金刚石与基体界面上发生熔融、浸湿、扩散和化合等化学冶金作用，从而提高基体与金刚石的结合强度。
[0003]钎焊法主要分为真空电阻加热焊、盐浴钎焊、高频感应钎焊和激光钎焊等方法。当采用真空电阻钎焊时，电阻加热速度缓慢，加热范围难以控制，工艺过程耗时长，成本高，对线锯的尺寸要求较高，且长时间高温加热易降低线锯的抗拉强度和弯曲强度。盐浴钎焊是将金刚石和基体放入盐浴炉中进行加热，钎焊温度较低，金刚石磨粒一般不发生热损伤，但工艺繁琐，不利于线锯的工业生产。
[0004]高频感应钎焊和激光钎焊可避免真空电阻加热焊和盐浴钎焊的缺点，是钎焊经常采用的一种方法。由于金刚石磨粒在空气中加热到800°C时开始石墨化，即发生氧化和燃烧，无法达到钎焊所需的高温(约为1050°C )，而在还原性气体、惰性气体或真空气氛下，金刚石磨粒发生热损伤的温度高达2100°C ;因此，为避免高温下金刚石磨粒发生热损伤，高频感应钎焊和激光钎焊等高温钎焊应在惰性气体或真空保护中进行。
[0005]目前高温钎焊金刚石工具基本是在高温真空钎焊炉中进行，对金属基体实现了整体加热，升温速度缓慢，加热时间长，金属基体及金刚石磨粒的热损伤较大。
【发明内容】
[0006]为了克服上述缺点，本发明的目的是提供一种工艺简单、经济成本低的金刚石钎焊方法。
[0007]本发明的另一目的是提供一种金刚石工具的制备方法。
[0008]在本发明的第一方面中，提供了一种金刚石工具的制备方法，包括步骤:在空气中，将表面经纳米涂层处理的金刚石通过高频感应加热钎焊到金属基体上，从而得到金刚石工具；
[0009]其中，所述表面经纳米涂层处理的金刚石表面结合有复合纳米涂层；所述复合纳米涂层包括涂层(a)碳化硼纳米涂层和涂层(b)硼纳米涂层；所述涂层(b)结合于所述涂层(a)表面。
[0010]在另一优选例中，在钎焊之前，在金属基体表面涂覆铜银钎料；
[0011]并将表面经纳米涂层处理的金刚石排布在涂覆有铜银钎料的金属基体上后进行钎焊。
[0012]在另一优选例中，所述银铜焊料含有QJ102银铜钎焊剂和高银含量银铜钎焊料。
[0013]在另一优选例中，所述高银含量银铜钎焊料中，银含量> 60%。
[0014]在另一优选例中，所述钎焊在600?800°C下进行。
[0015]在另一优选例中，所述金属基体包括:不锈钢或硬质合金基体。
[0016]在另一优选例中，所述工具为刀具、磨具、锉刀、砂轮、锯片、钻头。
[0017]在本发明第二方面中，提供了一种金刚石工具，包括金属基体以及钎焊在金属基体上的表面经纳米涂层处理的金刚石；其中，所述表面经纳米涂层处理的金刚石表面结合有复合纳米涂层；所述复合纳米涂层包括涂层(a)碳化硼纳米涂层和涂层(b)硼纳米涂层；所述涂层(b)结合于所述涂层(a)表面。
[0018]在另一优选例中，所述金刚石工具按照如本发明第一方面所述的制备方法制得。
[0019]在本发明第三方面中，提供了一种金刚石钎焊方法，包括步骤:
[0020](I)在金属基体表面涂覆铜银钎料；
[0021](2)在空气中，将表面经纳米涂层处理的金刚石排布在涂覆有铜银钎料的金属基体上后，通过高频感应加热钎焊到金属基体上；
[0022]其中，所述表面经纳米涂层处理的金刚石表面结合有复合纳米涂层；所述复合纳米涂层包括涂层(a)碳化硼纳米涂层和涂层(b)硼纳米涂层；所述涂层(b)结合于所述涂层(a)表面。
[0023]在另一优选例中，所述钎焊在600?800°C下进行。
[0024]在另一优选例中，所述银铜焊料含有QJ102银铜钎焊剂和高银含量银铜钎焊料。
[0025]在另一优选例中，所述高银含量银铜钎焊料中，银含量> 60%。
[0026]在另一优选例中，所述金属基体包括:不锈钢或硬质合金基体。
[0027]应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
【附图说明】
[0028]图1为CVD金刚石片焊接后效果图；其中，图A、图B和图C为电子显微照片；图0为焊接处的能谱分析图。
[0029]图2为金刚石片钎焊后采用GB/T13936-92测试钎焊强度的力-位移曲线时，由于胶水的粘接强度低于金刚石片与刀具的焊接强度时，金刚石片与后用胶水粘接的钢片剥离图片。
[0030]图3为金刚石片钎焊后采用GB/T13936-92测试钎焊强度的力-位移曲线图，其中，曲线1,2分别表示两个样品的力-位移曲线，可以看出当最大载荷分别为432.14N和345.06N时，除以实际金刚石片表面积，得到实际粘接强度分别为22.3MPa和21.6MPa。
[0031]图4为实施例1制得的金刚石复合体的微观扫描电镜照片。图A中可以看出金刚石粉体表面涂覆有一层均匀的涂层。图B中可以看出金刚石粉体全表面涂层有一定的粗糙度。
[0032]图5为实施例1制得的金刚石复合体的表面点能谱图。其中，A图为金刚石颗粒表面50000倍显微图片；B图为该区域中某个微小区域的能谱分析图。
[0033]图6实施例1制得的金刚石复合体表面镀层厚度采用FIB进行切割后的断面分析。
[0034]图7为实施例1制得的金刚石复合体表面经镀覆处理过的金刚石颗粒颗粒表面XRD图谱。可以看出，金刚石粉体表面存在碳化硼。
【具体实施方式】
[0035]本发明人经过广泛而深入的研究，发现在金刚石表面结合一硼纳米涂层和碳化硼纳米涂层后可极大地优化金刚石焊接工艺，如不必在真空中进行，加热时间大大缩短以及防止金刚石的石墨化等。在此基础上，发明人完成了本发明。
[0036]表面经纳米涂层处理的金刚石
[0037]如本文所述，所述表面经纳米涂层处理的金刚石表面结合有复合纳米涂层；所述复合纳米涂层包括涂层(a)碳化硼纳米涂层和涂层(b)硼纳米涂层；所述涂层(b)结合于所述涂层(a)表面。
[0038]纳米涂层处理方法
[0039]如本文所用，所述纳米涂层处理优选包括步骤:
[0040](I)提供一混合浆料，包含成分:(i)金刚石，(ii)硼原料，(iii)锌原料和/或铜原料、或锌铜合金原料，和(iv)有机溶剂；和
[0041](2)在真空下或在氢气、氩气或其组合的惰性气氛或还原性气氛中，将步骤(I)的混合浆料进行加热反应，从而得到所述表面经纳米涂层处理的金刚石，其中，所述金刚石表面结合有复合纳米涂层；所述复合纳米涂层包括涂层(a)碳化硼纳米涂层和涂层(b)硼纳米涂层。
[0042]金刚石工具的制备方法或金刚石钎焊方法
[0043]本发明提供了一种优选的单层钎焊金刚石工具的制备方法，包括步骤:
[0044]1.按照上述纳米涂层处理方法，对金刚石表面进行处理，获得表面经纳米涂层处理的金刚石；
[0045]2.在基体表面涂覆焊接料(如银铜胶状钎料)；
[0046]3.将步骤I得到的金刚石根据需要放置在步骤2得到的金属基体上，然后在金属基体表面放置压块，压住金刚石；
[0047]4.在一定条件(如在空气中，600?800°C )下，对步骤4得到的放置金刚石和压块的金属基体需要的部位进行加热一段时间(以加热至钎料熔化时即可停止，如20-40S)后，自然冷却，从而实现金刚石的钎焊固结。
[0048]优选地，所述加热可在本领域所常规使用的设备中进行，如在高频感应加热设备(或高频感应焊机)中进行，可大大缩短加热时间，从而提高了金刚石工具的制备效率。当然，加热的温度及时间与所制造的工具的大小，金刚石的大小，钎料的选择，钎焊面积的大小等多种因素有关。
[0049]本发明的单层钎焊金刚石工具的制备方法与常规制备方法相比，主要在于本工艺在空气中即可完成，且采用普通的银铜钎料，钎焊温度低，不仅制备时间上大大节省，钎焊条件限制极少，对金属基体及金刚石热损伤小。
[0050]上述的工艺主要应用于金刚石工具，包括:刀具、磨具、锉刀、砂轮、锯片、钻头等，可以实现对硬脆性材料(包括陶瓷、石材、混凝土和玻璃等)的高效加工。
[0051]本发明的主要优点包括:
[0052]1.本发明提供了一种金刚石工具的制备方法。
[0053]通过在金刚石表面改性，使得金刚石磨粒在空气中加热到800°C时由于金刚石表面镀层的影响，金刚石不发生石墨化，也不会发生氧化和燃烧，且由于改性后的金刚石粉体表面B元素或铜元素的存在，降低了高频感应焊的温度，空气中采用一般的铜银焊料即可完成金刚石粉体的焊接，对金属基体及金刚石的热损伤较小。