一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，以石墨粉与Mn基合金触媒粉末按重量比6：4-9混合后经等静压、真空处理后在四柱压机内压制成型，然后将芯柱放入金刚石合成块中，并将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.2-6.8GPa，合成温度为1210-1250℃，实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成。本发明合成的高自锐性金刚石，符合国家人造金刚石检验标准，单产高达100ct以上，晶型不规则，针片状晶型占75%以上，冲击韧性检测TI在15-25%之间，强度低，棱尖锐利，磨削锋利。
【专利说明】一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及金刚石的合成【技术领域】，特别是涉及一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺。
【背景技术】
[0002]金刚石以其优异的力学和物理、化学性能被用来作为制作切割、研磨、钻孔等工具的工业材料，特别是作为超级磨料引入磨削工业使零件的加工效率和加工质量明显提高，同时还延长了砂轮的使用寿命，提高了加工零件的尺寸稳定性。现有技术中，金刚石自锐性不够高，加之表面光滑、不够粗糙，与结合剂之间机械结合不够牢固，易造成使用过程中金刚石磨粒过早脱落。据统计，普通金刚石砂轮中有2/3的金刚石磨粒在尚未充分发挥磨削作用之前就过早脱落，大大缩短了使用寿命。
[0003]目前国内普遍采用表面涂覆的方法，在金刚石磨粒表面镀覆金属或非金属外层，以解决上述金刚石过早脱落的问题，但这种做法只是从金刚石磨粒外部采取了措施，并未从本质上解决问题，而且后期镀覆处理增加了操作工序，同时增加额外成本。
[0004]本发明的研究人员研究发现，通过调整金刚石合成过程中物料配比关系，并严格控制金刚石合成的压力和温度能够提高金刚石的自锐性，有效防止金刚石磨粒的过早脱落。
【发明内容】
[0005]为克服上述现有技术中存在的金刚石磨粒自锐性差，使用寿命短的问题，本发明的目的是提供一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，提高金刚石在磨具切割等领域的使用寿命O
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，包括下述步骤:
①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:4-9的比例将原料混合，所述的Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:N1:15-21%, Cu:8-11%, Fe:1_2%，Cr:
0.06-0.07%, V:0.02-0.04%, Ce:0.001-0.003%，分散剂:1.2-1.8%，余量为 Mn ；
②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6-7h，等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在900-1000°C下真空处理58-65min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料；
③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.4-3.7g/cm3 ；
④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.2-6.8GPa，合成温度为1210_1250°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成；
所述的控制压力曲线为:起始压力为92-95MPa，保持60_130s后设置第一次升压，第一次升压幅度为起始压力的2-5%，升压时间为40-100s，然后再设置第二次升压，第二次升压幅度为起始压力的1-1.5%，升压时间为10-20s，最后在100-150S内将控制压力升至106-116MPa，保持该压力150_230s后卸压；
所述的功率曲线为:起始功率为5900W-6100W，保持180-230S后设置第一次功率下降，下降幅度为起始功率的4-7%，下降时间为10-20S，然后设置功率回升，回升幅度为起始功率的0.5-1.5%，回升时间为20-30S，最后设置第二次功率下降，下降幅度为起始功率的3-3.5%，下降时间为100-150S，保持该下降完成后的功率60-100S后结束。
[0007]所述的石墨粉为球形石墨，杂质含量小于20ppm。
[0008]所述的石墨粉和Mn基合金触媒粉末的重量比为6:7。
[0009]所述的Mn基合金触媒粉末的分散剂可以为十二烷基硫酸钠、类十六烷基三甲基氯化铵、三聚磷酸钠中的一种。
[0010]所述的等静压的压力可控制在100-200MPa。
[0011]一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其具体的合成工艺步骤为:
①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:7的比例将原料混合，Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:Ni:18%, Cu:9.5%，Fe:1.5%，Cr:0.065%, V:
0.03%，Ce:0.002%，十二烷基硫酸钠:1.5%，余量为Mn ；
②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6.5h，150MPa下等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在950°C下真空处理62min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料；
③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.6g/cm3 ；
④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.5GPa，合成温度为1230°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成；
控制压力曲线:起始压力为94MPa，保持IOOs后，在70s内将压力升至98MPa，然后在15s内将压力升至99MPa，最后在125s内将压力升至lllMPa，保持该压力190s后卸压；
功率曲线:起始功率为6000W，保持200s后，在15s内将功率下降至5700W，然后在25s内将功率升至5760W，最后在125s内将功率下降至5568W，保持该功率80s后结束。
[0012]金刚石在合成过程中其晶型之所以变化，主要是由于在不同的压力、温度条件下金刚石各晶面对碳原子的接受能力不同，造成各面生长速度不同，而形成不同的晶型。本发明根据金刚石“V”型合成区和金刚石晶体生长控制理论，通过工艺曲线优化创造一种优质高自锐性金刚石的生产环境，控制它在“V”型合成区内的富晶区的中间部位。
[0013]本发明的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，所述的控制压力曲线，前期无暂停压力，使石墨能够快速大量成核，并且为了控制成核，大大缩短了起始压力的保持时间，以确保它在“V”型合成区内的富晶区的中间部位，从而合成出高产量的高自锐性金刚石连聚晶；后期设置三段不同幅度的压力上升，以此来弥补相变造成的压力损失，精确控制金刚石在富晶区“准静态”生长。所述的功率曲线，第一次功率下降能够弥补成核放出的热量，功率回升的目的是控制晶体初期生长速率，后期的第二次功率下降能够促使晶体后期生长速度加快，满足晶体不规则的特殊形态。通过按照工艺曲线对控制压力和功率进行适时控制，能够进一步的精确调整六面顶压机内部的实际合成压力和合成温度，保证了合成工艺的稳定性，有利于高自锐性金刚石的稳定生长。
[0014]本发明所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺中所使用的Mn基合金触媒粉末在普通触媒中加入适量Cr，V，Ce等元素，能够降低合金中的含氧量，增加触媒的活化性能，促进不规则晶体比例的提高。添加少量的分散剂能够促使成核点在成核量聚增的时候均匀分散，进一步稳定了高自锐性金刚石的晶型。
[0015]本发明工艺合成的高自锐性金刚石是由3-5个细小单晶构成的聚晶结构，表面粗糙，与结合剂结合牢固，在磨削过程中呈微刃破碎，自锐性好，可有效满足工具把持与耐磨的要求，大幅提高磨粒的使用寿命。此外，目前高自锐性金刚石是国内外市场的紧缺产品，本发明工艺合成的高自锐性金刚石可直接用作磨粒，无需进行表面涂敷即可防止磨粒的过早脱落，有良好的经济效益。
[0016]采用本发明工艺合成的高自锐性金刚石，符合国家人造金刚石检验标准，单产高达IOOct以上，晶型不规则，针片状晶型占75%以上，冲击韧性检测TI在15-25%之间，强度低，棱尖锐利，磨削锋利。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的控制压力曲线和功率曲线示意图。
[0018]图2为本发明的金刚石合成块结构示意图。
[0019]图中标号说明:1-堵头、2-叶腊石、3-加热管、4-绝缘管、5-金属杯、6-石墨柱、7-绝缘片、8-加热片。
【具体实施方式】
[0020]本发明的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，包括下述步骤:
①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:4-9的比例将原料混合，所述的Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:N1:15-21%, Cu:8-11%, Fe:1_2%，Cr:
0.06-0.07%, V:0.02-0.04%, Ce:0.001-0.003%，分散剂:1.2-1.8%，余量为 Mn ；
②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6-7h，等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在900-1000°C下真空处理58-65min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料；
③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.4-3.7g/cm3 ；
④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.2-6.8GPa，合成温度为1210_1250°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成；
所述的控制压力曲线为:起始压力为92-95MPa，保持60_130s后设置第一次升压，第一次升压幅度为起始压力的2-5%，升压时间为40-100S，然后再设置第二次升压，第二次升压幅度为起始压力的1-1.5%，升压时间为10-20s，最后在100-150S内将控制压力升至106-116MPa，保持该压力150_230s后卸压；
所述的功率曲线为:起始功率为5900W-6100W，保持180-230S后设置第一次功率下降，下降幅度为起始功率的4-7%，下降时间为10-20S，然后设置功率回升，回升幅度为起始功率的0.5-1.5%，回升时间为20-30S，最后设置第二次功率下降，下降幅度为起始功率的3-3.5%，下降时间为100-150S，保持该下降完成后的功率60-100S后结束。
[0021]所述的石墨粉为球形石墨，杂质含量小于20ppm。
[0022]所述的石墨粉和Mn基合金触媒粉末的重量比为6:7。
[0023]所述的Mn基合金触媒粉末的分散剂可以为十二烷基硫酸钠、类十六烷基三甲基氯化铵、三聚磷酸钠中的一种。
[0024]所述的等静压的压力可控制在100_200MPa。
[0025]本发明步骤④所述的金刚石合成块的结构及其组装方式如附图2所示，所述的金刚石合成块的结构包括堵头1、叶腊石2、加热管3、绝缘管4、金属杯5、石墨柱6、绝缘片7、加热片8，该组装方式使各组件高精密配合，金刚石合成块加热方式为间接加热，保证了合成工艺的稳定性。
[0026]本发明的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺中，所述的控制压力值设计在控制柜上，作为输入压力值，控制压力曲线中的压力值经过各级传递后进入六面顶压机，到达六面顶压机内部材料时的输出压力值即为实际压力值，该实际压力值可根据帕斯卡定律推算式计算得出。所述的帕斯卡定律推算式为:实际压力X顶锤的锤面面积X2=控制压力X六面顶压机的缸底面积。本发明所用的六面顶压机的缸径为Φ 500mm，顶锤锤面(正方形)边长为41mm。例如:本发明所述的六面顶压机实际合成压力为6.2GPa时，由帕斯卡定律推算式:6.2GPaX (0.041m)2 X 2/n X (0.25m) 2=106MPa,即设置在控制柜上的控制压力最终值应为 106MPa。
[0027]本发明所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其合成步骤可以有下述具体的实施例:
实施例1具体的合成工艺步骤为:
①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:4的比例将原料混合，Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:Ni:15%, Cu:8%，Fe:1%，Cr:0.06%, V:0.02%,Ce:0.001%，分散剂:1.2%，余量为 Mn ；
②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6h，IOOMPa下等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在900°C下真空处理58min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料；
③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.4g/cm3 ；
④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.2GPa，合成温度为1210°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成；
控制压力曲线为:起始压力92MPa，保持60s后，在40s内将压力升至93.8MPa，然后在IOs内将压力升至94.7MPa，最后在IOOs内将压力升至106MPa，保持该压力150s后卸压；功率曲线:起始功率为5900W，保持180s后，在IOs内将功率下降至5664W，然后在20s内将功率升至5694W，最后在IOOs内将功率下降至5517W，保持该功率60s后结束。
[0028]合成的高自锐性金刚石单产:135ct。冲击韧性检测TI为20%。颗粒粒度组
【权利要求】
1.一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:包括下述步骤: ①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:4-9的比例将原料混合，所述的Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:N1:15-21%, Cu:8-11%, Fe:1_2%，Cr:0.06-0.07%, V:0.02-0.04%, Ce:0.001-0.003%，分散剂:1.2-1.8%，余量为 Mn ； ②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6-7h，等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在900-1000°C下真空处理58-65min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料； ③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.4-3.7g/cm3 ； ④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.2-6.8GPa，合成温度为1210_1250°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成； 所述的控制压力曲线为:起始压力为92-95MPa，保持60_130s后设置第一次升压，第 一次升压幅度为起始压力的2-5%，升压时间为40-100S，然后再设置第二次升压，第二次升压幅度为起始压力的1-1.5%，升压时间为10-20s，最后在100-150S内将控制压力升至106-116MPa，保持该压力150_230s后卸压； 所述的功率曲线为:起始功率为5900W-6100W，保持180-230S后设置第一次功率下降，下降幅度为起始功率的4-7%，下降时间为10-20S，然后设置功率回升，回升幅度为起始功率的0.5-1.5%，回升时间为20-30S，最后设 置第二次功率下降，下降幅度为起始功率的3-3.5%，下降时间为100-150S，保持该下降完成后的功率60_100s后结束。
2.根据权利要求1所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:所述的石墨粉为球形石墨，杂质含量小于20ppm。
3.根据权利要求1所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:所述的石墨粉和Mn基合金触媒粉末的重量比为6:7。
4.根据权利要求1所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:所述的Mn基合金触媒粉末的分散剂可以为十二烷基硫酸钠、类十六烷基三甲基氯化铵、三聚磷酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:所述的等静压的压力可控制在100-200MPa。
6.根据权利要求1所述的一种磨粒自脱落金刚石的合成工艺，其特征在于:具体的合成工艺步骤为: ①取400目以细的石墨粉与Mn基合金触媒粉末，按重量比6:7的比例将原料混合，Mn基合金触媒粉末的组分按重量百分比计为:Ni:18%, Cu:9.5%，Fe:1.5%，Cr:0.065%, V:`0.03%，Ce:0.002%，十二烷基硫酸钠:1.5%，余量为Mn ； ②将步骤①的原料加入三维混料机内混合6.5h，150MPa下等静压后，粉碎成90目以细的颗粒，再置入真空炉中在950°C下真空处理62min，充分去除氧气，自然冷却降至室温，得到混合物料； ③将混合物料装入模具内，然后在四柱压机上压制成柱状芯柱，芯柱尺寸为Φ 40mmX 31.5mm,芯柱密度为 3.6g/cm3 ；④将芯柱放入金刚石合成块中，然后将金刚石合成块放入六面顶压机中进行合成，实际合成压力为6.5GPa，合成温度为1230°C，所述的实际合成压力与合成温度分别采用控制压力曲线及功率曲线完成； 控制压力曲线:起始压力为94MPa，保持IOOs后，在70s内将压力升至98MPa，然后在15s内将压力升至99MPa，最后在125s内将压力升至lllMPa，保持该压力190s后卸压； 功率曲线:起始功率为6000W，保持200s后，在15s内将功率下降至5700W，然后在25s内将功率升至5760W，最后在·125s内将功率下降至5568W，保持该功率80s后结束。
【文档编号】B01J3/06GK103846057SQ201210493811
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2012年11月28日
【发明者】周冰 申请人:周冰