专利名称：直接合成金刚石磨块的制造方法
技术领域：
本发明专利为一种用石墨粉颗粒直接合成金刚石磨块的制造工艺方法，属于人工合成金刚石的技术领域。
背景技术：
目前，国内外在制造用于石材、混凝土等切割、磨削、抛光等加工的各类金刚石磨块时，一般采用两步法，即①将石墨转化成金刚石，先酸碱处理、再对金刚石粉粒提纯后，筛选分级将纯净的金刚石颗粒与适当的金属粉混合，二次烧结成各式形状的金刚石磨块。通过焊接或其他形式的连接，制成不同用途的工具后，进行使用。从目前的各类文献报道可看出，金刚石磨块的传统生产方法需要以下步骤 第一步1、原材料准备需要含有Fe、Co、Ni等金属片或金属粉以及石墨片或石墨粉。2、组装需要将以上金属和石墨片或粉与辅助调整材料装入叶腊石块内。3、合成将以上组块在专用的金刚石压机腔体内高温高压烧结，使石墨部分转化为金刚石晶体。4、处理由于金刚石单晶体周围有大量的金属、石墨以及混入的叶腊石其他杂质，必须通过强酸、强碱或电解处理，然后用清水漂去酸碱盐溶液，再对金刚石单晶体进行筛选和力度分级的后处理工序，以得到粒度均匀、强度统一的纯净金刚石单晶体。第二步1、原材料准备根据制造的金刚石磨块的用途，选择粒度、强度能适应磨削要求的金刚石单晶体，以及粒度、品种、组分能满足磨块烧结工艺条件要求的金属或合金粉；两者比例能使金属牢固的把持金刚石晶体、并具有较高的耐磨性。2、组装用钢制模具作为外支撑架，石墨模具作为加热载体，两者之间用绝缘材料隔开；在专用的热压机上通过上下压头加压并加热，使磨块中的部分金属粉融化，达到较为致密的强度后，可降温泄压，达到室温常压状态。3、连接依据金刚石工具的连接要求，对金刚石磨块的结合面做机械净化处理，与基体实施焊接或其他连接，即成为完整的金刚石工具。即可对各类花岗岩、大理石、混凝土等进行切割、磨削，抛光等加工。从上面的工艺分析可以看出，两步法生产金刚石磨块存在以下问题I、原材料浪费严重，第一步中的所有金属材料，仅起触媒作用，可降低石墨向金刚石转化的压力条件，所以金属粉全部被化学反应掉；而未转化的石墨粉也必须用物理或化学的方法处理干净。2、严重污染环境，在化学处理工序中的电解液和浓酸、浓碱的大量使用会出现大量的酸、碱、盐的废气废液，严重的污染环境。3、对金刚石单晶强度的影响，二次热压时的工艺条件，仍处于石墨热力学稳定区，且处于较高的温度范围，会降低金刚石单晶体的强度，从而影响磨块的使用寿命和效果。4、工艺复杂，因为工序过多，除难以保证产品的质量外，生产周期也比较长。
发明内容
直接合成金刚石磨块的制造方法是一种用石墨粉颗粒在金属或其合金触媒的作用下通过特定的设备，在达到金刚石热力学稳定区的技术工艺条件下直接合成出金刚石磨块，而不是先合成金刚石单晶体、在酸、碱、电解等化学处理提纯后，通过二次烧结，而得到的金刚石磨块。本发明的目的在于寻求一种合理的制造方法，使金刚石磨块的制造工艺更加简化，克服原有技术中污染大、能耗高、工艺复杂等问题，同时保证生产出其性能不低于原有技术标淮的金刚石磨块。本发明是这样实现的，首先将粒度直径在O. 02 3mm的纯净碳粒和粒度直径在
O.01 O. 2mm 的 Co、Ni、Fe、Cr、Cu、Ti、Mn、Sn、Zn、Ag、Pb、W、Mo、Zr、C、Si、B 单质或化合物的混合粉末按I : I 10体积比混合均匀(根据工艺要求可先对金属粉末进行真空或还原热处理)。将以上粉末组装在以钢制模具包围的石墨模具中，然后放入热压机中，对石墨模具压头实施压制和烧结，最终达到200 1500Mpa压力和400 1200°C温度，在此条件下保持I 5分钟后，缓慢降至常压室温后，拆去模具，获得成型的金刚石磨块。对其边角清除毛刺后，将其装入加热组装模具内，并和其他辅助材料按工艺组装在叶腊石块内。在金刚石专用液压机中，升压升温，达到金刚石热力学稳定区，在保持3 15分钟后，合成腔体内已完成了直接合成金刚石磨块的生长工艺。对该磨块逐步降温降压，当达到常压状态，从压机内取出，再使其缓慢冷却到室温状态，小心清除叶腊石、辅助材料和加热模具所有外装材·料，依据磨削工具的连接要求，对其连接面进行加工处理，即可成为合格的金刚石磨块。其工艺包括原材料准备、磨块的预烧结、磨块组装、根据制造工艺选择的设备和生产工艺控制、后处理共五个部分组成。本发明的优点在于I、减少了生产工序，金刚石磨块原制造方法中需要对合成出的金刚石单晶体进行酸碱或电解的化学处理，并要通过选型、分级。而直接法不需要此步骤。2、减少了污染，在金刚石的电解、酸碱和提纯处理中会产生大量的酸气和废液，直接法不需要这一工序，所以不会产生这类污染。3、节省了原材料，在金刚石单晶的生产中，所用的触媒金属，全部要被化学或物理方法处理掉。而直接法的金属材料将作为磨块中金刚石单晶的把持材料，对提高金刚石磨块的使用寿命起着至关重要的作用。4、减少了浪费，在金刚石单晶体的提纯、分级工序中，会有大量的未变形石墨、细颗粒金刚石单晶体作为垃圾处理掉，而直接法生成的磨块其细颗粒金刚石可增加模块的耐磨性，未变形的石墨颗粒有利于磨块的磨削出刃，从而可增加其使用寿命和磨削效率。5、间接提高了金刚石单晶体的强度，因为金刚石磨块的烧结，也是对金刚石单晶体的二次烧结，由于处于石墨热力学稳定区，在比较高的温度下，会降低金刚石的强度，影响其使用性能，而直接合成法不需这一步骤，从而能延长磨块的使用寿命。
图I金刚石磨块毛坯热压装配示意2金刚石磨块直接合成工艺组装示意图I模具压头2外装模具3绝缘隔层4金刚石磨块毛坯5高强紧固支架6导电钢碗7叶腊石堵头8耐高温金属片9加热片10石墨堵头11加热组装模具12叶腊石块具体实施方法
现结合说明书附图，并根据本发明制造方法的工艺要求，按照制造方法的工艺步骤对本发明作进一步的描述。I、原材料准备，优选粒度直径在O. 01 O. 2mm的Co、Ni、Fe、Cr、Cu、Ti、Mn、Sn、Zn、Ag、Pb、W、Mo、Zr、C、Si、B多种金属粉和非金属粉，也可以是以上材料的合金或化合物，从以上材料中选择部分纯净的材料，与粒度直径在O. 02 3mm的纯净碳粒按I 10 : I体积比混合均匀，组成金刚石磨块毛坯4原料(根据工艺要求可先对金属粉末进行真空或还原热处理)。
2、金刚石磨块毛坯烧结制备，将以上粉末状的金刚石磨块毛坯4原料装入外装模具2中，(外装模具2应根据所要生产的金刚石磨块的工作用途以及所需连接的基体要求，制造出合适的外装模具2，使金刚石磨块毛坯4能与金刚石工具的基体具有良好的连接面，连接牢靠。或者使金刚石磨块毛坯4具有较高的切割效率，可改变金刚石磨块毛坯4中部分材料的混合比例和粒度，同时可分层组装，各层厚度和配比可依据使用条件和工艺调节)。再在外装模具2外加装绝缘隔层3、高强紧固支架5，对图I的上下端施加一定的压力并加入一定的回路电流。上下之间承受一定的压力后，由于紧固支架5的作用使外装模具2不向四周扩展而破损，保证了金刚石磨块毛坯4在一定的压力和温度条件下烧结压实。(要求预压装配的目的是压实金刚石磨块毛坯4，保证图2的规范组装，保障合成腔体内有较高的压力，使生产的金刚石晶体具有较高的转化率和较高强度)。3、金刚石磨块组装，小心取出以上压制好的金刚石磨块毛坯4(而模具压头I、外装模具2、绝缘隔层3、高强紧固支架5等装配件，在较为完好的情况下可再次使用)，清除其毛刺后，装入加热组装磨具11中。将导电钢桃6、叶腊石堵头7、耐闻温金属片8、加热片9与石墨堵头10和加热组装模具11按照工艺要求，密实、有序的装入叶腊石块12中。(要求上下石墨堵头10应与金刚石磨块毛坯4保持较为紧密的配合，同时叶腊石块12、导电钢碗6和加热组装模具11之间的配合要紧密，以减少磨块的烧结变形。同时应注意合理安排加热片9、石墨堵头10、加热组装模具11的尺寸与连接配合，确保整个组装的严密及平整。加热温度由回路电流控制，所以应合理配置加热组装模具11、加热片9、石墨堵头10、导电钢碗6等的截面积、厚度以及电阻率等，确保合成腔内的温场和压力场分布均匀，使其稳定的生长出质量、粒度适中的金刚石单晶体，从而确保磨块的使用要求和效果。)4、金刚石磨块的直接合成工艺，将完全组装好的叶腊石块，即图2的全部放入合适的专用金刚石液压机工作腔体内，按照预定的升压、升温曲线，达到石墨向金刚石转化的压力和温度条件后，试块内的石墨会部分转化为金刚石，通过控制工艺条件，如温度、压力以及两者的配合、成核时间、生长时间，可生产出不同粒度、不同强度的金刚石晶体，根据所需金刚石的粒度尺寸，稳定一段时间(高温高压时间越长，金刚石粒度越大；越离石墨热力学稳定区远，金刚石单晶体的强度越高)，停止电加热后，逐渐降低压力。5、金刚石磨块的后处理，当达到常压状态时，将卸压后的叶腊石块12包括其内部的各类材料导电钢碗6、叶腊石堵头7、耐温金属片8、加热片9、石墨堵头10、加热组装模具11移入保温设备中，使其在350 600°C温度条件下，保温60 400分钟后，缓慢达到室温。再将外装的叶腊石块12、加热组装磨具11等其他非金刚石磨块毛坯4的材料小心去除，确保不损坏金刚石磨块毛坯4，即为金刚石磨块成品。再根据后续的金刚石磨块毛坯4连接基体的要求，将连接面在机加工设备上加工整形，连接面的弧度、形状与基体要紧密配合，并且平整、干净。然后与合适的基体牢固连接，则可进行切割、粗磨、精磨等工作 。
权利要求
1.直接合成金刚石磨块的制造方法其特征在于首先将粒度直径在O.02 3_的碳粒和粒度直径在 O. 01 O. 2mm 的 Co、Ni、Fe、Cr、Cu、Ti、Mn、Sn、Zn、Ag、Pb、W、Mo、Zr、C、Si、B单质或化合物的混合粉末按I : I 10体积比混合均匀；将热压成型的金刚石磨块毛坯[4]装入加热组装模具[11]内，并和导电钢碗[6]、叶腊石堵头[7]、耐高温金属片[8]、加热片[9]、石墨堵头[10]其他辅助材料按工艺组装在叶腊石块[12]内；在金刚石专用液压机中，按工艺要求升压升温，达到金刚石热力学稳定区条件，在保持3 15分钟后，停止加热、逐步降压，按照工艺条件达到常压常温状态，清除所有外装材料，依据磨削工具基体的连接要求，对其连接面进行加工处理。
2.跟据权利要求I中所述的直接合成金刚石磨块的制造方法，其特征在于金刚石磨块毛坯[4]的制造工艺为，将以上混合均匀的各类粉料装入外装模具[2]中，上下用模具压头[I]堵住、四周用高强紧固支架[5]牢固装夹，外装模具[2]和高强紧固支架[5]之间有绝缘隔层[3]分隔，通过突出的模具压头[I]逐步升压和电回路加热，相互交替，最终达到200 1500Mpa压力和400 1200°C温度条件，保持I 5分钟，降至常压室温状态，获得致密化的金刚石磨块毛坯[4]。
3.跟据权利要求I中所述的直接合成金刚石磨块的制造方法，其特征在于其他辅助材料按工艺组装为，除加热组装模具[11]、导电钢碗[6]、叶腊石堵头[7]、耐高温金属片[8]、加热片[9]、石墨堵头[10]直接参与电加热的元部件外，还应能使组装块的电阻较大，降低加热电流，减小回路中的发热量，以保护合成压机的顶锤和电路加热装置，使其组装结构应能够使腔体内压力传递良好、温度梯度分布合理，磨块内金刚石成长分布均匀。
4.跟据权利要求I中所述的直接合成金刚石磨块的制造方法，其特征在于按工艺要求升压.升温，将组装好的叶腊石块，放入专用金刚石液压机工作腔体内，叶腊石块依据压机工作腔的大小、形状，遵守金刚石制造的通用要求，升压至最高压力的65%以上时开始加热，最终达到金刚石热力学稳定区暨压力大于5X103Mpa、温度在800 2000°C之间，让石墨向金刚石转化；通过控制温度、压力以及两者的配合、成核时间、生长时间。
5.跟据权利要求I中所述的直接合成金刚石磨块的制造方法，其特征在于金刚石磨块在合成完成后，按工艺条件达到常压常温，将其从压机中取出，立即放入保温箱内，使磨块在350 600°C温度条件下，保温60 400分钟后，缓慢达到室温。
全文摘要
本发明为一种直接合成金刚石磨块的制造方法，属人工合成金刚石技术领域。目的在于寻求一种更合理的制造工艺，克服原有技术中污染大、能耗高、工艺复杂的问题，保证生产出性能不低于原有技术标淮的金刚石磨块。该制造方法是将纯净的碳粒和Co、Ni、Fe、Si、B等单质或化合物按比例混合，对其热压实。再组装后，用金刚石专用压机，按照设定的工艺条件直接合成为金刚石磨块。将其整形后，与工具基体连接。本发明具有以下优点减少了原制造方法中金刚石酸碱处理工序，不会产生废酸废液；节省了材料，不必将金刚石单晶生产中，所用触媒物质处理掉；没有金刚石单晶的二次烧结，不会降低金刚石强度，可延长磨块的使用寿命。
文档编号B22F3/14GK102784917SQ20111012765
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者孙维宏, 彭志刚, 李作会, 王绍先 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院, 中国石油化工集团公司