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CN109183079B - 一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法 - Google Patents

一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，采用电铸成形‑压制烧结‑激光修整的复合工艺，先利用电铸的方法，在金属形模上分层沉积钎料合金粉末和金刚石磨粒，采用不同沉积顺序，分别得到电铸有金刚石‑钎料‑金刚石和钎料‑金刚石两种圆片状单面复合电铸层；随后将电铸层从金属形模上取下，再将两片单面的电铸层底面合并，并用特定的模具进行压制烧结；最后采用激光切割工艺对前面所得到的圆形烧结片进行一次性切割成型，从而得到一定形状及尺寸的环状切割片成品。本发明的技术方案所制得的金刚石切割片，不但具有多层均匀排布的金刚石磨粒，而且结合剂对金刚石牢固把持，切割片自锐能力和形状精度也较高。

Description

一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料切割工具制造领域，具体涉及一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法。
背景技术
以工程陶瓷、蓝宝石、碳化硅等为代表的硬脆性材料在光伏发电、半导体、信息家电等产业中发挥着重要的支撑作用，此类材料获得后进行加工成形的过程繁杂，包括十多道工序，总的加工成本非常高。精密切割加工就是其中的一道关键工序，它是依托夹具将切割片安装在机床主轴并随主轴高速旋转，工件材料则被固定在工作台上且随其以一定速度进给，加工过程中工具上的金刚石磨料对工件材料进行磨削、划切去除。实践中发现切割硬脆性材料难度较大，主要存在以下问题：
1)切割工具自身锋利度不够，即切割工具的自锐能力差；
2)切割片所需金刚石粒径小，传统制备工艺下磨粒易团聚，即切割片金刚石分布均匀性差；
3)切割片在高负荷下工作磨粒易脱落，即工具的结合剂对金刚石的把持力不够。
为解决此三大突出问题，满足机械加工行业极端制造趋势对切割工具性能提出的要求，需要从业人员从根本-切割工具的制备方法上寻找突破口。
调研发现：现阶段市场上主要有金属结合剂和树脂结合剂两类切割片，树脂结合剂本身的硬度较低，加工过程中切割片易磨损和偏摆，且切割时的耐热性和耐蚀性差，导致工具的加工性能与寿命降低。相比之下，金属结合剂具有良好的强度、硬度和韧性的匹配以及耐温导热性能，其制备的切割片综合性能要优于树脂基切割片。而对于金属基切割片，其制备方法主要有电镀、钎焊、烧结、电铸等。其中电镀法应用最为普遍，因为电镀切割片较薄，制备过程无金刚石的热损伤，但该法制得的切割片上只有单层磨粒，且基体对磨粒只能机械把持，切割片的使用寿命一般较短；钎焊法可以提高金刚石磨粒的把持性，增加出刃高度，但此方法制得的切割片形状精度不高且也只含单层金刚石，当金刚石磨粒磨钝后难以脱落，工具自锐能力较差，后续切割过程中工具易堵塞，使加工性能急剧下降，另外，这两种方法所制备切割片的厚度较大，其应用范围受到限制。而烧结法和电铸法可用于制备无基体的切割片，因此能够不受基体的限制，其厚度可减至0.1mm以下。但烧结法难以控制金刚石(特别是微粉金刚石)的分布均匀性，并且易堵塞；电铸法可以实现金刚石磨粒的均匀分布，但结合剂对磨粒把持力不够易过早脱落，且其切割片本身强度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
1.一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制两份含金属盐的电铸液，分别向其中加入金刚石磨粒与钎料合金粉末；搭建电铸实验装置，对电铸液的间歇性搅拌，并采用不同沉积顺序，得到颗粒均匀分散且分别电铸有金刚石-钎料-金刚石和钎料-金刚石两种圆片状单面复合电铸层；
(2)将所得的圆片状单面复合电铸层从金属形模上取下，清洗后放置在烘干箱中干燥，随后将两片圆片状单面复合电铸层底面合并，用模具进行压制烧结，制成具有多层磨粒均匀排布的金属基金刚石圆形烧结片；
(3)采用激光切割方式，将烧结得到的金属基金刚石圆形烧结片进行一次性切割成型，最终制得高自锐性金属基金刚石切割片。
在一较佳实施例中：所述电铸液是的配方具体为：氨基磺酸镍350～450g/L、氯化镍5～25g/L、硼酸20～40g/L、十二烷基硫酸钠0.06～0.2g/L、糖精0.3～0.7g/L、羟甲基纤维素钠0.05～0.15g/L、十六烷基三甲基溴化铵0.03～0.12g/L、pH为3.5～4.5、溶剂为去离子水。
在一较佳实施例中：所述高自锐性金属基金刚石切割片的外径为50mm。
在一较佳实施例中：所述金刚石磨粒与钎料合金粉末中，金刚石浓度为2～4g/L，钎料浓度为25～43g/L；
电铸过程中，电铸电流密度为1～1.5A/dm2、镀液温度20～50℃、搅拌速度150～200rpm、搅拌频率0.03～0.06、搅拌时间与停歇时间的比值为10:25。
在一较佳实施例中：制备所述圆片状单面复合电铸层所采用的一种沉积顺序为：先在底层沉积金刚石，中间层沉积钎料粉末，最外层再沉积一层金刚石；另一种沉积顺序为：在底层沉积钎料，外层沉积金刚石；
将此两种沉积顺序所制备的圆片状单面复合电铸层合并后形成金刚石磨粒和钎料交错层叠的多层结构。
在一较佳实施例中：所述步骤(2)的压制烧结具体为：将步骤(1)制得的两片单面复合电铸层底面合并在一起，用普通石墨模具压平，一次性放置单片双面电铸层在氩气保护气氛环境下进行高频感应烧结，气体流速为10L/min，加热电流为78～82A，加热时间为60～65s。
在一较佳实施例中：所述步骤(2)的压制烧结具体为：将步骤(1)制得的两片单面复合电铸层底面合并在一起，用组合式石墨模具压平，一次性放置多片双面电铸层在真空环境下进行热压烧结，烧结温度为1000～1050℃，压力为50～120KN，保温时间为5～10min。
在一较佳实施例中：所述步骤(3)的激光切割修整具体为：将步骤(2)烧结得到的金属基金刚石圆形烧结片用夹具装夹，并置于激光器中进行切割片的形状修整，具体的激光切割参数为：功率为50～60w，速率为3～7mm/s。
在一较佳实施例中：所述电铸实验装置采用304不锈钢形模板作阴极，金属镍片作阳极，阴阳两极分别接双脉冲电镀电源的负极和正极；
电铸前将阴极置于有机溶液中进行超声清洗，烘干后置于10％的稀硫酸中钝化5分钟，便于后续将制得的电铸层从形模板上取下。
在一较佳实施例中：所述金刚石磨粒为细粒度甚至微粉级别的金刚石，所述钎料合金粉末为300目镍铬硼硅粉末。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，本发明采用电铸成形-压制烧结-激光修整的复合工艺来制造高自锐性金属基金刚石切割片，先利用电铸的方法，在金属形模上分层沉积钎料合金粉末和金刚石磨粒，采用不同沉积顺序，分别得到电铸有金刚石-钎料-金刚石和钎料-金刚石两种圆片状单面复合电铸层；随后将电铸层从金属形模上取下，再将两片单面的电铸层底面合并，并用特定的模具进行压制烧结；最后采用激光切割工艺对前面所得到的圆形烧结片进行一次性切割成型，从而得到一定形状及尺寸的环状切割片成品。本发明的技术方案所制得的金刚石切割片，不但具有多层均匀排布的金刚石磨粒，而且结合剂对金刚石牢固把持，切割片自锐能力和形状精度也较高。
附图说明
图1为本发明电铸装置示意图；
图2为本发明复合电铸层结构示意图；
图3为本发明制备方法示意图；
图4为按照本发明方法制得的切割片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
如图1所示：向电铸槽1中加入氨基磺酸镍350～450g/L、氯化镍5～25g/L、硼酸20～40g/L、十二烷基硫酸钠0.06～0.2g/L、糖精0.3～0.7g/L、羟甲基纤维素钠0.05～0.15g/L、十六烷基三甲基溴化铵0.03～0.12g/L、pH为3.5～4.5、溶剂为去离子水，配制两份电铸液。其中一份加入浓度为2～4g/L，粒度为400目的金刚石，另一份加入浓度为25～43g/L，粒度为300目的钎料。
随后搭建电铸实验平台，选定不锈钢形模板4与镍片3作为电铸装置的阴极和阳极，分别通过线槽2与脉冲电源的负、正极相接；搅拌器6的直流电机固定于底座上，两个搅拌子之间通过磁铁5来实现同时旋转，并与控制部分的数显直流电机调速器10和时间继电器7连接，通过调速旋钮9调定适合的搅拌速度，并通过PMW调速器10显示出来；时间继电器7能够通过设定参数来控制间歇搅拌的时长。
接通搅拌部分的回路，设置此装置的搅拌速度为150～200rpm、搅拌频率为0.03～0.06、搅拌时间与停歇时间的比值为10:25，使电铸液中的钎料合金粉末和金刚石磨粒充分悬浮起来。接通电铸回路，在电流密度为1～1.5A/dm2、镀液温度20～50℃的条件下进行电铸实验。按照电铸金刚石-钎料-金刚石的沉积顺序，得到如图2中(a)所示的单面钎料-金刚石复合电铸层；按照电铸钎料-金刚石的沉积顺序，得到如图2中(b)所示的单面钎料-金刚石复合电铸层，图中11为钎料粉末，12为金刚石，13为基质金属镍。
将所得的复合电铸层从不锈钢形模上取下，清洗后放置在烘干箱中干燥，随后将两片单面的电铸层底面合并，将单片双面电铸层用石墨模具压平，放置在充盈氩气的环境下进行高频感应烧结，并设定气体流速为10L/min，加热电流为80A，加热时间为5～10mi n，得到单片金属基圆形金刚石烧结片。制备方法如图3所示。
选用激光器，设置切割的功率为50～60w，扫描速率为3～7mm/s，一次性成型切割金属基金刚石圆形烧结片，最终制得多片环状的高自锐性金属基金刚石切割片，如图4所示。
实施例2
如图1所示：向电铸槽1中加入氨基磺酸镍350～450g/L、氯化镍5～25g/L、硼酸20～40g/L、十二烷基硫酸钠0.06～0.2g/L、糖精0.3～0.7g/L、羟甲基纤维素钠0.05～0.15g/L、十六烷基三甲基溴化铵0.03～0.12g/L、pH为3.5～4.5、溶剂为去离子水，配制两份电铸液。其中一份加入浓度为2～4g/L，粒度为400目的金刚石，另一份加入浓度为25～43g/L，粒度为300目的钎料。
随后搭建电铸实验平台，选定不锈钢形模板4与镍片3作为电铸装置的阴极和阳极，分别通过线槽2与脉冲电源的负、正极相接；搅拌器6的直流电机固定于底座上，两个搅拌子之间通过磁铁5来实现同时旋转，并与控制部分的数显直流电机调速器10和时间继电器7连接，通过调速旋钮9调定适合的搅拌速度，并通过PMW调速器10显示出来；时间继电器7能够通过设定参数来控制间歇搅拌的时长。
接通搅拌部分的回路，设置此装置的搅拌速度为150～200rpm、搅拌频率为0.03～0.06、搅拌时间与停歇时间的比值为10:25，使电铸液中的钎料合金粉末和金刚石磨粒充分悬浮起来。接通电铸回路，在电流密度为1～1.5A/dm2、镀液温度20～50℃的条件下进行电铸实验。按照电铸金刚石-钎料-金刚石的沉积顺序，得到如图2中(a)所示的单面钎料-金刚石复合电铸层；按照电铸钎料-金刚石的沉积顺序，得到如图2中(b)所示的单面钎料-金刚石复合电铸层，图中11为钎料粉末，12为金刚石，13为基质金属镍。
将所得的复合电铸层从不锈钢形模上取下，清洗后放置在烘干箱中干燥，随后将两片单面的电铸层底面合并，将双面电铸层用组合式石墨模具压平，且一次性放置多片双面电铸层在真空环境下进行热压烧结，并设定温度为1000～1050℃，压力为50～120KN，保温时间为5～10min，得到多片金属基金刚石圆形烧结片。
选用激光器，设置切割的功率为50～60w，扫描速率为3～7mm/s，一次性成型切割金属基金刚石圆形烧结片，最终制得多片环状的高自锐性金属基金刚石切割片。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配制两份含金属盐的电铸液，分别向其中加入金刚石磨粒与钎料合金粉末；搭建电铸实验装置，对电铸液的间歇性搅拌，并采用不同沉积顺序，得到颗粒均匀分散且分别电铸有金刚石-钎料-金刚石和钎料-金刚石两种圆片状单面复合电铸层；
(2)将所得的圆片状单面复合电铸层从金属形模上取下，清洗后放置在烘干箱中干燥，随后将两片圆片状单面复合电铸层底面合并，用模具进行压制烧结，制成具有多层磨粒均匀排布的金属基金刚石圆形烧结片；
(3)采用激光切割方式，将烧结得到的金属基金刚石圆形烧结片进行一次性切割成型，最终制得高自锐性金属基金刚石切割片。
2.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述电铸液是的配方具体为：氨基磺酸镍350～450g/L、氯化镍5～25g/L、硼酸20～40g/L、十二烷基硫酸钠0.06～0.2g/L、糖精0.3～0.7g/L、羟甲基纤维素钠0.05～0.15g/L、十六烷基三甲基溴化铵0.03～0.12g/L、pH为3.5～4.5、溶剂为去离子水。
3.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述高自锐性金属基金刚石切割片的外径为50mm。
4.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述金刚石磨粒与钎料合金粉末中，金刚石浓度为2～4g/L，钎料浓度为25～43g/L；
电铸过程中，电铸电流密度为1～1.5A/dm2、镀液温度20～50℃、搅拌速度150～200rpm、搅拌频率0.03～0.06、搅拌时间与停歇时间的比值为10:25。
5.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：制备所述圆片状单面复合电铸层所采用的一种沉积顺序为：先在底层沉积金刚石，中间层沉积钎料粉末，最外层再沉积一层金刚石；另一种沉积顺序为：在底层沉积钎料，外层沉积金刚石；
将此两种沉积顺序所制备的圆片状单面复合电铸层合并后形成金刚石磨粒和钎料交错层叠的多层结构。
6.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的压制烧结具体为：将步骤(1)制得的两片单面复合电铸层底面合并在一起，用普通石墨模具压平，一次性放置单片双面电铸层在氩气保护气氛环境下进行高频感应烧结，气体流速为10L/min，加热电流为78～82A，加热时间为60～65s。
7.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的压制烧结具体为：将步骤(1)制得的两片单面复合电铸层底面合并在一起，用组合式石墨模具压平，一次性放置多片双面电铸层在真空环境下进行热压烧结，烧结温度为1000～1050℃，压力为50～120KN，保温时间为5～10min。
8.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的激光切割修整具体为：将步骤(2)烧结得到的金属基金刚石圆形烧结片用夹具装夹，并置于激光器中进行切割片的形状修整，具体的激光切割参数为：功率为50～60w，速率为3～7mm/s。
9.如权利要求1所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述电铸实验装置采用304不锈钢形模板作阴极，金属镍片作阳极，阴阳两极分别接双脉冲电镀电源的负极和正极；
电铸前将阴极置于有机溶液中进行超声清洗，烘干后置于10％的稀硫酸中钝化5分钟，便于后续将制得的电铸层从形模板上取下。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的一种高自锐性金属基金刚石切割片的制备方法，其特征在于：所述金刚石磨粒为细粒度甚至微粉级别的金刚石，所述钎料合金粉末为300目镍铬硼硅粉末。
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