专利名称：金刚石多晶团、用多晶团制成的节块及它们的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于制作切割硬脆材料的切割工具的材料，以及用该材料制成的切割工具，具体地说是一种含有金刚石颗粒的金刚石多晶团和用该金刚石多晶团制成的节块，以及它们的制造方法。
背景技术：
在石材加工及地质钻探领域，一般都在切割工具中加入金刚石颗粒以便改善切割性能，例如用于切割大理石、花岗石、混凝土的圆盘锯的圆周上所配装的节块和用于地质钻探或混凝土钻孔的空心钻头前端所设的节块，这些节块是由粒径为250μm至600μm单晶金刚石镶嵌在金属胎体中所构成，其中的单晶金刚石比较均匀的自由分布在金属胎体中。当进行加工硬脆材料时，如图3所示暴露在金属胎体0表面的单晶金刚石3棱角4切入要切削的硬脆材料5，进行切割操作。由于长时间的连续切割，单晶金刚石的棱角4会磨钝、裂断，甚至出现整粒的单晶金刚石3从金属胎体0中脱落的情况，当单晶金刚石3在金属胎体0表面脱落时，金属胎体0就会受到磨损，直至露出下面新的单晶金刚石棱角4替代为止。而在切割过程中单晶金刚石棱角4的磨钝、裂断，均会严重的影响节块的切割速度，甚至会阻碍切削，且单晶金刚石4自由分布于金属胎体0中，只能依赖金属胎体0对金刚石的把持能力，当金属胎体0受一定程度的磨损后，整粒的单晶金刚石3会从金属胎体0中脱落，而整粒金刚石的缺损，不仅造成节块上的金刚石减少(即减少了用于切割的金刚石棱角)，也更进一步的降低切割区的切割速度，使得切割的有效性受到严重的影响，并且由于节块内的单晶金刚石3的粒径仅为250μm至600μm，因此其自身粒径较小、能够露出的切削的棱角少，使得其本身的切削效率较低，耐磨性能差，有效使用寿命较短。为了解决现有的节块所存在的上述问题，申请号为97117562.4，名称为《含有金刚石颗粒的组合式切割体及其制造方法》的发明专利，公开了一种用于磨削加工硬质材料和地基的组合式切割体，该切割体由粒径50μm至300μm的金刚石颗粒3嵌入主要以金属为粘结材料构成的母体2中构成，其制造方法是将金刚石颗粒和粘结材料的混合物成团并置于模具中真空高温烧结，使其成型，其中金刚石颗粒的体积浓度为20～80％，切割体的粒径为400μm至1200μm。将该组合式切割体用于砂轮等小型的切割工具上可达到较好的切割效果。但上述组合式切割体也存在一些的问题首先，由于这些单晶金刚石颗粒是依赖金属胎体对金刚石的把持能力，而用于粘接金刚石颗粒的金属材料的硬度和熔点都很高，硬度和熔点越高、其金属材料的脆性越大、粘接和把持金刚石颗粒能力也越差、金属材料的缓冲和减震作用也越小，当金刚石单晶受到一定的冲击时就会很容易整粒地从金属胎体中脱落，切割性能变得很差；并且熔点高的金属的烧结处理十分麻烦，必须将其经过900～1300℃高温的真空烧结，才能使其与金刚石颗粒较好的粘接。而且该发明中还将金刚石颗粒与粘接材料的混合物置于预先制好的模具中才能进行烧结成型，而高温真空烧结的生产周期长，成本高，再加上不同规格的产品需要的模具种类繁多，而使用模具时需手工制作，其制造费用较高，进一步增加制造成本；而且这些主要为金属的粘接材料中还含有一些有机物质，这些有机物质在高温烧结过程中会与金属材料发生反应，使得某些金属材料丧失其原有的功能，从而直接影响到金属材料对金刚石的粘结、把持能力，故必须先将混合物进行预热处理，待这些有机物质挥发后，再进行高温真空烧结成型工序。这种方法既增加了生产的成本，又进一步将制造工序复杂化，因此无法达到快速批量生产的要求。其次，该组合式切割体中所含的单晶金刚石颗粒的粒径为50μm至300μm，与现有的普通磨具、刀具中分布的单晶金刚石颗粒径相似，并且由于该组合切割体是依靠硬度较高的母体金属材料来保护金刚石颗粒，由于母体金属材料的把持能力有限，特别是金刚石的浓度不高，因此用该方法制造粒径很大的组合式切割体没有意义，所以仅将其制造成粒径为400μm至1200μm的组合式切割体，因此用于进行切削的单晶金刚石的颗粒径及整个组合式切割体的颗粒径仍然很小，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，而且该组合式切割体中所含的金刚石颗粒的体积浓度仅为20～80％，与现有的普通磨具、刀具中所含金刚石颗粒的体积浓度相似，因此该组合式切割体中的金刚石颗粒的含量及整个节块中的金刚石颗粒的含量及浓度不高，故其切削的耐磨度及切削有效率也不会有很大程度的提高。
发明内容
本发明将公开一种切削效率高、使有寿命长、可用于切削硬脆材料的金刚石多晶团，本发明还将公开用该金刚石多晶团制成的节块，以及上述金刚石多晶团和节块的制造方法。
本发明所述金刚石多晶团是将粒径为160～850μm的金刚石颗粒与含有粘接剂的母体金属材料混合，制成粒径为1.21～8mm的金刚石多晶团，干燥成型即可；成型的金刚石多晶团中金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1。上述金刚石多晶团也可以真空烧结成型，烧结成型后的金刚石多晶团中金刚石颗粒的体积浓度为160～360％。
由于本发所述明金刚石多晶团中金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，远远大于现有切削工具中的比例，因此本发明所述金刚石多晶团中的单晶金刚石颗粒的含量、浓度均很高，使得本金刚石多晶团不仅棱角刃口多、锋利、自锐性好、耐磨性高，切削效率高，而且金刚石多晶团中的单晶金刚石与其前后、左右、上下的单晶金刚石之间形成有效的相互支持、互相保护，使某些单晶金刚石可以伸出节块母体材料以外很多而仍然能保持金刚石多晶团上而不会被磨损掉或碰掉，而整个金刚石多晶团也可伸出节块胎体以外很多，从而可以极大的提高节块的切割速度和切削能力。可以理解为颗粒小的金刚石单晶适合制作小粒经的金刚石多晶团，比较适合于园锯刀头及绳锯的串珠切割大理石、花岗石；颗粒大的金刚石单晶适合制作大粒经的金刚石多晶团，特别适合制做表镶的钻头用于地质、石油开采的高速钻探。
上述用于与金刚石颗粒混合的母体金属材料可以采用现有的制造切削工具的胎体金属材料，但最好选用熔点低、韧性好、把持金刚石能力强的金属材料，在使用金刚石多晶团制造节块时，不需预先烧制金刚石多晶团，而是使金刚石多晶团与节块胎体一次成型。如果使用熔点高的金属材料，这需要预先烧制金刚石多晶团，然后用烧制好的金刚石多晶团与节块胎体金属材料混合后，再压制成型，然后再行二次烧制。
与金刚石颗粒混合的母体金属材料可以选用以下述重量百分比计的金属材料配比锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。由上述的金属组方为低熔点金属，因此将金刚石颗粒与金属材料的混合物制成金刚石多晶团时，可以采用制粒设备利用粘接剂将其制成金刚石多晶团，低温干燥后即可直接用于制造节块，这样就大大节约了制造成本，也实现了快速生产的目的。当然，也可以将制好的金刚石多晶团用模具进行真空烧结以提高对金刚石的把持能力，但此烧结工序不一定是真空高温烧结工序。
为使烧结后的金刚石多晶团及节块质量可靠，应选择性能好的粘接剂，若选用一般的粘接剂，其中可能含有一些有机物质，这些有机物质会在高温烧结过程中与金属材料发生反应，使得某些金属材料丧失其原有的功能，直接影响到金属材料对金刚石的粘结、把持能力，或由于烧结时有残留物影响节块的质量，而在制作金刚石多晶团时必须先进行预热处理，使有机物质发挥，再进行烧结。因此最好选用现有的金刚石粉造粒用的造粒剂熔体，或称粘接剂，如南京思尚科贸中心生产销售的，型号为WS-120的造粒剂制成的造粒剂熔体或粘接剂；该造粒剂在制成造粒剂熔体或粘结剂时，一般以丙酮和异丙醇为溶剂，其配比以重量份计为造粒剂粉100～300份、丙酮100～300份、异丙醇350～1200份，使用这种粘结剂不需进行预烧结，也无需担心会有有机物质在高温烧结中与金属材料发生反应或残留，制作时直接将粘接剂与金刚石颗粒及金属材料的混合物成型即可，这样既节约了生产的成本，又简化了制造的工序，也达到快速批量生产的要求。为使金刚石颗粒与金属材料能牢固的粘结，所述粘接剂的重量应为金刚石颗粒与金属材料重量之和的15～35％。
本发明所述的含有金刚石颗粒的金刚石多晶团的制造方法，其步骤如下1)选取母体金属粉，备用；所选取的金属粉可以是制作现有的切削工具的金属粉，也可以选用一些熔点较低、有韧性、耐磨性高且对晶、金刚石把持能力强的金属，如选用以下述配比制成的混合金属粉，其配比以重量百分比计为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。
2)选取粘接剂，备用；所选择的粘接剂应为性能较好的粘接剂，但由于一般的粘接剂中大多都含有一些有机物质，而这些有机物质在高温烧结过程中，与母体金属粉进行反应，而使某些金属丧失其原有的功能，直接影响到母体金属材料对金刚石颗粒的粘结、把持能力，为了避免上述情况的发生，最好选用用于金刚石造粒的造粒剂熔体或称造粒用粘接剂。
3)将上述的金属粉、粘接剂及粒径为160～850μm的金刚石颗粒混合，并将其搅拌均匀，其中，投入的金刚石颗粒重量与混合金属粉重量之比为1∶0.28～3.81、粘接剂的重量为金刚石颗粒与金属材料重量之和的15～35％。
4)然后将所得的混合物进行机械制粒，将制好的金刚石多晶团干燥处理；5)将所得的金刚石多晶团进行过筛，得到金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，金刚石颗粒粒径为1.21～8mm的金刚石多晶团。
含有金刚石多晶团的节块，金刚石颗粒呈团状或柱状或堆状分布于金属胎体中，金刚石颗粒的粒径为160～850μm，金刚石团或金刚石柱或金刚石堆的粒径为1.21～8mm，含有金刚石颗粒的金刚石多晶团可以孕镶或表镶于节块之中。其中节块之中呈团状或柱状或堆状的金刚石团，或金刚石柱或金刚石堆中心的金刚石的体积浓度为160～360％。
制造含有金刚石多晶团的节块的方法，可以先制造含有金刚石颗粒的金刚石多晶团，然后再将其与胎体金属粉(或胎体金属粉团)一同置入模具中进行带压烧结成型制成节块，其制造方法，步骤如下1)选取母体金属粉，备用；所选取的金属粉可以是制作现有的切削工具的金属粉，也可以选用一些熔点较低、有韧性、耐磨性高且对金刚石的把持能力强的金属，如选用以下述配比制成的混合金属粉，其配比以重量百分比计为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。
2)选取粘接剂，备用；所选择的粘接剂应为性能较好的粘接剂，由于一般的粘接剂中大多都含有一些有机物质，而这些有机物质在高温烧结过程中，与母体金属粉进行反应，而使某些金属丧失其原有的功能，直接影响到母体金属材料对金刚石颗粒的粘结、把持能力，为了避免上述情况的发生，最好选用用于金刚石造粒的任何一种造粒剂熔体；
3)将上述的金属粉、粘接剂及粒径为160～850μm的金刚石颗粒混合，并将其搅拌均匀，其中，投入的金刚石颗粒重量与混合金属粉重量之比为1∶0.28～3.81、粘接剂的重量为金刚石颗粒与金属材料重量之和的15～35％；4)然后将所得的混合物进行机械制粒，制成金刚石多晶团，将制好的金刚石多晶团干燥处理；5)将所得的金刚石多晶团进行过筛，得到金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，金刚石颗粒粒径为1.21～8mm的金刚石多晶团。
6)将所得的含有金刚石颗粒的金刚石多晶团与胎体金属粉混合，也可以将胎体金属粉与粘接剂混合，通过制粒机预制成与多晶团大小可比的胎体金属粉团，效果会更好。按照现有方法装入模具中进行带压烧结，用真空烧结则效果更好。
7)待模具冷却后拆模，即得成品节块。
本发明所述金刚石多晶团内的每颗单晶金刚石的粒径可达到160～850μm，可以理解为颗粒小的金刚石单晶适合制作小粒经的金刚石多晶团，颗粒大的金刚石单晶适合制作大粒经的金刚石多晶团，因此其切割的效率也可得到成倍的提高；且本发明含有金刚石颗粒的金刚石多晶团中，金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，即烧结后的体积浓度为160～360％(烧结后粘接剂被挥发掉，金刚石多晶团中的空隙消逝后，仅剩下金刚石颗粒和母体金属材料，此时金刚石多晶团的体积＝金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)，远远高于现有正常磨具、刀具所含金刚石颗粒的体积浓度(现有切割工具的体积浓度20～80％)，因此金刚石多晶团内的单晶金刚石的含量非常高，如图4所示金刚石的棱角4刃口也特别多，并且金刚石多晶团1内的单晶金刚石3可以依靠其前后、左右、上下的单晶金刚石3之间形成有效的相互支持、互相保护，使得金刚石多晶团1内处在不同的位置的单晶金刚石3都具有切削性能，可以同时进行切削工作，也可以使金刚石多晶团伸出胎体0较高而不被磨损掉，所以其切削的速度及效率也将得到进一步的提高；在长时间的持续切削工作时，若金刚石多晶团1内的某一个单晶金刚石的棱角4磨圆、断裂甚至脱落，金刚石多晶团1内的其它单晶金刚石3会替代其继续进行切削工作，不会造成障碍切割，对于整个金刚石多晶团1的磨削性能也不会造成影响，故本金刚石多晶团1的耐磨性也得到了实质性的提高。而且采用低熔点、韧性好、耐磨性高的母体金属材料与金刚石颗粒及粘接剂混合制作成型，这样既简化了制造工序，也节约了生产成本；而且将金刚石颗粒与金属材料进行混合时选用的粘接剂，也不需在烧结前对其作预热处理，这样也进一步简化了制造工序；并且在制造本发明含有金刚石颗粒的复合体时，可以将其与节块一次成形，制成可直接用于切割的节块，因此可将其进行块速的工业化批量生产。
图1为金刚石多晶团的结构示意图；图2为节块的结构示意图；图3为金刚石单晶工作示意图；图4为本金刚石多晶团工作示意图。
具体实施例方式实施例1金刚石多晶团的制作1)选取母体金属粉，其配比以重量百分比计为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜，共计500克，备用；2)选取粘接剂配方为南京思尚科贸中心生产销售的，型号为WS-120的造粒剂粉100～300克、丙酮100～300克、异丙醇350～1200克的溶剂粘接剂；取配制好的混合液体为粘接剂140克备用；3)选取粒径为250～300μm的金刚石颗粒200克，将上述的金属粉、粘接剂及金刚石颗粒混合，并将其搅拌均匀；4)然后将所得的混合物通过制粒机进行制粒制成金刚石多晶团；5)将所得的金刚石多晶团1进行过筛、在50℃中进行烘干处理20分钟，得到图1所示的金刚石颗粒3的体积/(金刚石颗粒3的体积+母体金属材料2的体积)＝0.4～0.9∶1，且粒径为1.35～1.65mm的金刚石多晶团1。
实施例2胎体金属粉团的制作1)选取胎体金属粉，其配比以重量百分比为锡3％～8％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜，配制2200克备用；2)选取配方为南京思尚科贸中心生产销售的，型号为WS-120的造粒剂粉100～300克、丙酮100～300克、异丙醇350～1200克的溶剂粘接剂；取配制好的混合液体为粘接剂330克备用；3)将上述的金属粉、粘接剂混合，并将其搅拌均匀，通过制粒机制得粒径为1.5～1.65mm的胎体金属粉团，4)将所得的胎体金属粉团进行过筛、在50℃中进行烘干处理20分钟，得到粒径为1.5～1.65mm的胎体金属粉团。
实施例3节块的制作Φ1600园盘锯；体积浓度36％；金刚石96.1克/108齿＝4.45ct/齿(1克＝5ct)节块尺寸为24mm×9mm×13mm＝工作层投23.5克/齿1)取实施例1中制取的金刚石多晶团338g(含金刚石96.1g，金刚石多晶团金属粉242g)+实施例2中制取的胎体金属粉团2200g混合均匀，备用；2)将所得的含有金刚石颗粒的金刚石多晶团与胎体金属粉团混合均匀，并装入模具中于700～1100℃进行带压烧结；3)待模具冷却后拆模，即得图2所示的成品节块10。
节块胎体0中金刚石颗粒3呈团状或柱状或堆状分布，金刚石颗粒的粒径为160～850μm，金刚石团或金刚石柱或金刚石堆的粒径为1.21～8mm，且金刚石团，或金刚石柱，或金刚石堆中心的金刚石的体积浓度为160～360％。
权利要求
1.金刚石多晶团，其特征在于它是由粒径为160～850μm的金刚石颗粒与母体金属材料及粘接剂混合制成，且金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1。
2.根据权利要求1所述的金刚石多晶团，其特征在于金刚石多晶团的粒径为1.21～8mm。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石多晶团，其特征在于所述金刚石多晶团母体金属材料的配比以重量百分比计为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。
4.根据权利要求1或2所述的金刚石多晶团，其特征在于所述粘接剂为用于金刚石造粒的粘接剂。
5.根据权利要求1或2所述的金刚石多晶团，其特征在于所述粘接剂的用量为金刚石颗粒与母体金属材料重量之和的15～35％。
6.一种节块，其特征在于其上的金刚石颗粒呈团状或柱状或堆状分布，金刚石颗粒的粒径为160～850μm，金刚石团或金刚石柱或金刚石堆中心的金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1。
7.根据权利要求6所述的节块，其特征在于金刚石团或金刚石柱或金刚石堆的粒径为1.21～8mm。
8.金刚石多晶团的制造方法，其步骤如下1)选取母体金属粉，备用；2)选取粘接剂，备用；3)将上述的母体金属粉、粘接剂及粒径为160～850μm的金刚石颗粒混合，并将其搅拌均匀，其中，投入的金刚石颗粒重量与母体金属粉重量之比为1∶0.28～3.81；4)然后将所得的混合物进行机械制粒或真空烧结处理，制成金刚石多晶团；5)将所得的金刚石多晶团进行过筛、烘干处理，得到金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1。
9.根据权利要求8所述的金刚石多晶团的制造方法，其特征在于金刚石多晶团的粒径为1.21～8mm的金刚石多晶团。
10.根据权利要求8或9所述的金刚石多晶团的制造方法，其特征在于所述母体金属粉的配比以重量百分比为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。
11.根据权利要求8或9所述的金刚石多晶团的制造方法，其特征在于所述粘接剂为用于金刚石造粒的粘接剂。
12.根据权利要求8或9所述的金刚石多晶团，其特征在于所述粘接剂的用量为金刚石颗粒与母体金属材料重量之和的15～35％。
13.一种节块的制造方法，其步骤如下1)选取母体金属粉，备用；2)选取粘接剂，备用；3)将上述的母体金属粉、粘接剂及粒径为160～850μm的金刚石颗粒混合，并将其搅拌均匀，其中，投入的金刚石颗粒重量与母体金属粉重量之比为1∶0.28～3.81；4)然后将所得的混合物进行机械制粒或真空烧结处理，制成金刚石多晶团；5)将所得的金刚石多晶团进行过筛、烘干处理，得到金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，且粒径为1.21～8mm的金刚石多晶团；6)将所得的金刚石多晶团与胎体金属粉或胎体金属粉团混合，并装入模具中进行带压烧结；7)待模具冷却后拆模，即得成品节块。
14.根据权利要求12所述的节块的制造方法，其特征在于步骤1)所述母体金属粉的配比以重量百分比为锡3％～8％，钼2％～20％，铬1％～3％，镍10％～30％，钴20％～60％，余量为铜。
15.根据权利要求12或13所述的金刚石多晶团，其特征在于所述粘接剂为用于金刚石造粒的粘接剂。
16.根据权利要求12或13所述的金刚石多晶团，其特征在于所述粘接剂的用量为金刚石颗粒与母体金属材料重量之和的15～35％。
全文摘要
本发明将公开一种含有金刚石颗粒的金刚石多晶团和用该金刚石多晶团制成的节块，及它们的制造方法。该金刚石多晶团是由粒径为160～850μm的金刚石颗粒与母体金属材料及粘接剂混合制成，金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1，金刚石多晶团的粒径为1.21～8mm；用该金刚石多晶团制成的节块其上的金刚石颗粒呈团状或柱状或堆状分布，金刚石颗粒的粒径为160～850μm，金刚石团或金刚石柱或金刚石堆中心的金刚石颗粒的体积/(金刚石颗粒的体积+母体金属材料的体积)＝0.4～0.9∶1。金刚石团或金刚石柱或金刚石堆的粒径为1.21～8mm。使用该节块进行切割，不但切割效率可得到成倍的提高，其耐磨性也得到了实质性提高。
文档编号B22F3/00GK1686641SQ20051002021
公开日2005年10月26日 申请日期2005年1月15日 优先权日2005年1月15日
发明者曲云霄, 曲应博 申请人:曲云霄, 曲应博