具有復合結構鍍層的金剛石切割工具及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，包括基體和刀刃層，所述刀刃層包括固接有超硬粗粒的復合結構鍍層，所述復合結構鍍層包括下層的電沉積金屬層和上層的高耐磨層，所述高耐磨層內固接有超硬細粒；其制作方法是以電鍍金剛石工具為基礎，在電鍍金剛石工具基礎上復合高耐磨層，組成具有復合結構的金剛石工具鍍層。本發(fā)明的刀刃層在高耐磨層的保護下，不會因在使用過程中部分超硬粗粒的脫落導致金剛石工具很快失效，有效的延長了金剛石工具的使用壽命，對柔性金剛石工具效果尤為突出，同時可用于金剛石工具失效后的補強手段，有效延長金剛石工具的使用壽命。
【專利說明】
具有復合結構鍍層的金剛石切割工具及其制作方法(—)

【技術領域】
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[0001]本發(fā)明涉及切削工具，具體是一種具有復合結構鍍層的金剛石切割工具及其制作方法。
(二)【背景技術】:
[0002]金剛石工具主要用于加工硬脆材料(如:藍寶石、特種陶瓷、單晶硅、寶玉石等)。其中使用壽命是衡量金剛石工具的重要指標，金剛石工具的失效主要以金剛石刀刃層的磨損脫落失效、基體強度不夠斷裂失效為主。根據調查和實驗結果表明，金剛石工具失效的方式往往是從最薄弱點開始，當金剛石刀刃層在某一點出現(xiàn)金剛石顆粒脫落時，很快整個鍍層將從顆粒脫落點附近開始連續(xù)脫落，并最終導致整個工具失效。實際調查發(fā)現(xiàn)，當最薄弱點開始脫落時，往往鍍層的絕大部分還完好無損，金剛石顆粒完好，鋒利。若能夠強化該薄弱點，整個金剛石工具的使用壽命將大大延伸，寶貴的金剛石顆粒的使用率也將大大提高。
[0003]金剛石工具所加工的材料，基本為硬脆材料，而金剛石工具多為電鍍方法制備。在加工過程中產生的細小超硬顆粒，其硬度遠高于鍍層金屬硬度，此時，當金剛石顆粒脫落后，切割過程產生的超硬顆粒反向研磨鍍層金屬，鍍層金屬很快被磨耗殆盡，導致附近金剛石顆粒把持力不夠，進一步脫落，很快從一個點擴展開來，在高速切割超硬材料過程中，擴展速度更快，很快會由于一個點的失效導致整個金剛石工具失效，嚴重時，甚至會磨損到基體，引起金剛石工具基體強度不夠導致斷裂。同時，連續(xù)分布的金剛石工具在切割過程發(fā)生金剛石脫落會影響切割材料的表面質量，對于加工要求較高的晶體材料，會因此導致廢品的出現(xiàn)，造成巨大的損失。
[0004]鍍層脫落對于柔性金剛石工具(如:金剛石線鋸，環(huán)形金剛石線鋸，環(huán)形金剛石帶鋸等)在高速切割硬脆材料的影響最為顯著，以環(huán)形金剛石線鋸為例，直徑為0.5_環(huán)形金剛石線鋸以20m/s的線速度切割6英寸藍寶石晶體時，當線鋸在某一點出現(xiàn)顆粒脫落后，一般在半小時內線鋸磨損斷裂，線速度更快時，斷裂時間更短。
[0005]上述問題，是由于金剛石工具在制作過程中存在缺陷，該缺陷往往成為金剛石工具最薄弱的地方，也是金剛石工具使用壽命的控制點。
(三)
【發(fā)明內容】
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[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單，制作方便，能夠有效強化薄弱點，提高使用壽命的具有復合結構鍍層的金剛石切割工具及其制作方法。
[0007]能夠解決上述技術問題的具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其技術方案包括基體和刀刃層，所述刀刃層包括固接有超硬粗粒的電沉積金屬層，與現(xiàn)有技術不同的是所述電沉積金屬層上涂鍍有高耐磨層，所述高耐磨層內鑲嵌有超硬細粒；電沉積金屬層和高耐磨層形成刀刃層的復合結構鍍層。
[0008]上述結構中，所述高耐磨層主要起保護和把持超硬粗粒的作用，防止加工過程產生的超硬顆粒反向磨削電沉積金屬層。
[0009]為達到理想的切割和抗磨效能，選擇粒徑蘭200 μ m的超硬粗粒，選擇粒徑^ 50 μ m的超硬細粒。
[0010]為達到對超硬粗粒的包鑲要求，所述高耐磨層的厚度可在30 μ m?40 μ m之間選擇。
[0011]所述超硬粗粒和超硬細?？蛇x用金剛石、或選用聚晶立方氮化硼(PCBN)、或選用其他超硬顆粒，或混合使用。
[0012]所述超硬粗粒和超硬細粒優(yōu)選金剛石。
[0013]可根據切割條件選擇刀刃層為連續(xù)分布、或為間斷分布、或為非規(guī)則分布。
[0014]所述電沉積金屬層優(yōu)選鎳或鎳鈷合金。
[0015]能夠解決上述技術問題的具有復合結構鍍層的金剛石切割工具制作方法，采取了如下的工藝步驟:
[0016]1、超硬粗粒和超硬細粒的表面預處理。
[0017]將所需超硬粗粒和超硬細粒置于堿性溶液中去除表面油脂后，用清水洗滌，然后置于體積比為3:1的濃鹽酸與濃硝酸中，去除超硬粗粒和超硬細粒表面的金屬氧化物后，用清水洗滌。
[0018]2、超硬粗粒和超硬細粒表面陽離子化。
[0019]將第I步處理后的超硬粗粒和超硬細粒置于陽離子型表面活性劑溶液中，對陽離子型表面活性劑溶液施加0.1?0.2V的正電位，陽離子型表面活性劑的陽離子在電泳的作用下，在超硬粗粒和超硬細粒表面形成一層帶有正電荷的薄膜。
[0020]3、采用埋沙法在基體上電鍍電沉積金屬層，并將表面陽離子化的超硬粗粒均勻固結在電沉積金屬層內。
[0021]4、連續(xù)攪拌鍍液使超硬細粒呈懸浮狀態(tài)，在電沉積金屬層上電鍍沉積高耐磨層，并將表面陽離子化的超硬細粒均勻鑲嵌在高耐磨層內；至此，電沉積金屬層和高耐磨層共同形成刀刃層的復合結構鍍層。
[0022]所述電沉積金屬層電鍍的工藝參數選擇為:電流密度在0.8A/dm2?1.0A/dm2之間，溫度為45±5°C;所述高耐磨層電鍍的工藝參數為:電流密度在0.5A/dm2?0.6A/dm2之間，溫度為45±5°C。
[0023]所述電沉積金屬層優(yōu)選以氨基磺酸鎳為主鹽的鎳或鎳鈷合金。
[0024]所述超硬粗粒的粒徑選擇蘭200 μ m,所述超硬細粒的粒徑選擇=50 μ m。
[0025]為達到對超硬粗粒的包鑲要求，所述高耐磨層的厚度在30 μ m?40 μ m之間選擇。
[0026]本發(fā)明的有益效果:
[0027]1、本發(fā)明是用電鍍的方法分兩個獨立的復合電鍍過程制作金剛石工具，沉積金屬(一般為鎳或者鎳鈷合金)兩個過程彼此獨立，互不影響，具有模塊化特點。
[0028]2、本發(fā)明在原本的電鍍金屬層外添加了高耐磨層，有效的保護了把持金剛石顆粒的鍍層受到切割顆粒的反向研磨，有效延長了金剛石工具的使用壽命。
[0029]3、本發(fā)明可對鍍層進行整體強化，也可以對薄弱點單獨強化，強化效果良好，有效的解決了金剛石工具制備不均勻帶來的短板問題，保護薄弱環(huán)節(jié)，提高金剛石工具刀刃層的利用率，延長使用使用壽命，降低切割成本。
[0030]4、本發(fā)明是在原本電鍍金剛石工藝的基礎上加上后續(xù)步驟，操作簡單，方便，不對原工藝產生影響。
[0031]5、本發(fā)明可根據金剛石工具的加工特點靈活變化，可根據不同切割需要選取不同粒度的顆粒匹配，選取不同的涂鍍方法，甚至可以使用涂層混合超硬骨料制備高耐磨層。
[0032]6、本發(fā)明中將超硬顆粒材料的超硬特性和超耐磨特性結合到了一起，充分發(fā)揮了超硬材料的特性。
[0033]7、本發(fā)明針對的是金剛石工具的共性問題，技術可做適當變化運用于目前絕大部分金剛石工具制備環(huán)節(jié)中，有助于改善金剛石工具的制備技術。
[0034]8、本發(fā)明尤其適用于高速切割的柔性金剛石工具(金剛石線鋸、環(huán)形金剛石線鋸、金剛石帶鋸等)，具有工藝簡單，效果顯著的特點。
[0035]9、本發(fā)明中，通過復合處理后的金剛石線鋸的使用壽命將大大增加，一般使用壽命能夠延長2?3倍。
[0036]10、通過本發(fā)明制備的復合結構正好補強了缺陷，強化最薄弱環(huán)節(jié)，有效避免了“木桶原理”帶來的困擾，延長了金剛石工具的使用壽命，提高了金剛石工具的利用率，保證了加工精度。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】:
[0037]圖1為本發(fā)明一種實施方式的結構示意圖。
[0038]圖2為圖1實施方式中的A處放大圖。
[0039]圖號標識:1、基體；2、刀刃層；3、超硬粗粒；4、電沉積金屬層；5、聞耐磨層；6、超硬細粒。
(五)【具體實施方式】:
[0040]下面結合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。
[0041]本發(fā)明具有復合結構鍍層的金剛石切割工具之技術方案，包括基體I和作為切割部分的刀刃層2，所述刀刃層2包括固接有超硬粗粒3的電沉積金屬層4，所述電沉積金屬層4通過第一次電鍍方式附著于基體I上，通過二次電鍍方式將高耐磨層5附著于電沉積金屬層4上，所述電沉積金屬層4為以氨基磺酸鎳為主鹽的鎳或鎳鈷合金，所述高耐磨層5內鑲嵌有超硬細粒6，常規(guī)設計中，所述超硬粗粒3露出高耐磨層5，高耐磨層5和電沉積金屬層4構成刀刃層2的復合結構鍍層，如圖1、圖2所示。
[0042]所述超硬粗粒3和超硬細粒6均可選用金剛石、或選用聚晶立方氮化硼(PCBN)、或選用其他超硬微粒，或兩者、三者之間的任意混合搭配選擇。
[0043]為取得理想的切割和抗磨效果，所述超硬粗粒3粒徑的選擇蘭200 μ m,所述超硬細粒6粒徑的選擇=50 μ m ;進一步的選擇,超硬粗粒3與超硬細粒6的粒徑之比在2倍以上，通常情況下，當粒徑越大時，倍數越小，當粒徑越小時，倍數越大。
[0044]以金剛石為例，超硬粗粒3的粒徑優(yōu)選為120 μ m(140#?170#)，超硬細粒6優(yōu)選的粒徑優(yōu)選40 μ m(w40)。
[0045]為達到對超硬粗粒3的包鑲要求，所述高耐磨層5的電鍍厚度在30 μ m?40 μ m之間選擇。
[0046]所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具之制作方法，可采取如下工藝步驟:
[0047]1、選取粒度匹配的超硬粗粒3與超硬細粒6，超硬粗粒3與超硬細粒6優(yōu)選金剛石顆粒。
[0048]2、金剛石顆粒表面預處理。將金剛石顆粒置于堿性溶液(NaOH)中，在70°C的堿性溶液中保溫30分鐘，去除表面油脂后，用清水洗滌；洗滌干凈的金剛石顆粒置于體積比為3:1的濃鹽酸(HCl)與濃硝酸(HNO3)中，浸泡24小時，去除金剛石顆粒表面的金屬氧化物后，用清水洗滌。
[0049]3、將前述步驟處理后的金剛石顆粒置于陽離子型表明活性劑溶液中，對陽離子型表面活性劑溶液施加0.1?0.2V的正電位，陽離子型表面活性劑的陽離子在電泳的作用下，在金剛石顆粒表面形成一層帶有正電荷的薄膜。
[0050]4、采用埋沙法，在電流密度為0.8A/dm2?1.0A/dm2 (優(yōu)選1.0A/dm2)，溫度為45±5°C (優(yōu)選45°C)的工藝條件下制備電沉積金屬層4 (附著于基體I上)，將超硬粗粒3均勻固接于電沉積金屬層4內后，用清水洗滌。
[0051]5、采用電鍍或者電刷工藝，在電流密度為0.5A/dm2?0.6A/dm2 (優(yōu)選0.5A/dm2)，溫度為45±5°C (優(yōu)選45°C )的工藝條件下，當超硬細粒6在電解液中充分攪拌分散(即保持懸浮狀態(tài))后施鍍，于電沉積金屬層4上制備高耐磨層5，超硬細粒6均勻鑲嵌于高耐磨層5內。
[0052]至此，固接超硬粗粒3的電沉積金屬層4和鑲嵌超硬細粒6的高耐磨層5共同形成金剛石切割工具之刀刃層2的復合結構鍍層，可根據切割條件選擇刀刃層2為連續(xù)分布、或為間斷分布、或為非規(guī)則分布。
[0053]6、施鍍完成后，進行裝飾，質檢。
[0054]一種具體金剛石切割工具(環(huán)形金剛石雙刃帶鋸)的實施方案:采用規(guī)格為3800mmX8mmX0.2mm的不銹鋼帶，不銹鋼帶的兩端頭焊接成為環(huán)形；所述鋼帶正、反面(內圓周面、外圓周面)的兩側(寬度方向)邊緣及邊緣外包覆有對稱的金剛石鍍層，金剛石鍍層沿鋼帶的長度方向(圓周方向)連續(xù)分布；帶鋸制備一次成型，由于周長較長，電流分布不均勻，會出現(xiàn)金剛石顆粒分布不均勻的現(xiàn)象，其中離導電點越遠，包鑲越弱，金剛石越容易脫落，可在第二次施鍍時對薄弱點進行強化。
[0055]1、選取3800mmX8mmX0.2mm的不銹鋼帶,通過無縫焊接技術將不銹鋼帶的首、尾端焊接成環(huán)形，并按照電鍍金剛石工具基體的前處理步驟進行處理。
[0056]2、選取尺寸大小合適的兩種不同粒徑(140#?170#和W40)的金剛石顆粒磨料，并進行分步處理:
[0057]第一步，金剛石顆粒表面預處理。將所需金剛石顆粒磨料置于堿性溶液(NaOH)中，保持在70°C保溫30min，去除表面油脂后，用清水洗滌。
[0058]第二步，洗滌干凈的金剛石顆粒磨料置于體積比為3:1的濃鹽酸(HCl)與濃硝酸(HNO3)中，浸泡24小時，去除金剛石顆粒表面的金屬氧化物后，用清水洗滌。
[0059]第三步，金剛石顆粒表面陽離子化。將第二步處理后的金剛石顆粒磨料置于陽離子型表明活性劑溶液中，對陽離子型表面活性劑溶液施加0.1V?0.2V的正電位，陽離子型表面活性劑的陽離子在電泳的作用下，在金剛石顆粒表面形成一層帶有正電荷的薄膜。
[0060]3、將表面陽離子化的金剛石顆粒(超硬粗粒3)均勻固結在電沉積金屬層4內，在鋼帶邊緣上形成單鍍層的刀刃層2，并取出清水沖洗干凈。其中，所述電鍍方式以瓦特型電鍍液為電解液，主鹽為氨基磺酸鎳，陽極為鎳絲及鎳球，不銹鋼帶為陰極，在電流密度為IA/dm2，溫度為45°C的條件下，浸表面陽離子化的金剛石顆粒采用埋沙法制備。
[0061]4、單鍍層刀刃層2制備完成后，清洗干凈，盡快進入高耐磨層5的制備。
[0062]5、將表面陽離子化的金剛石顆粒(超硬細粒6)加入另一槽鍍液中，超聲分散后，持續(xù)攪拌鍍液，保證微粒懸浮。
[0063]6、將第3步驟表面潤濕的環(huán)形帶鋸放入渡槽，浸泡1min后，接通電源。
[0064]7、在電流密度為0.5A/dm2?0.6A/dm2，溫度為45±5°C的工藝條件下，電沉積金屬層4上施鍍制備高耐磨層5，從而形成具有復合鍍層的刀刃層2。
[0065]8、制備完成后進行裝飾和質檢。
【權利要求】
1.具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，包括基體(I)和刀刃層(2)，所述刀刃層(2)包括固接有超硬粗粒(3)的電沉積金屬層(4)，其特征在于:所述電沉積金屬層(4)上涂鍍有高耐磨層(5)，所述高耐磨層(5)內鑲嵌有超硬細粒(6)，電沉積金屬層(4)和高耐磨層(5)形成刀刃層(2)的復合結構鍍層。
2.根據權利要求1所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其特征在于:所述超硬粗粒(3)的粒徑3 200 μ m，所述超硬細粒￠)的粒徑=50 μ m。
3.根據權利要求2所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其特征在于:為達到對超硬粗粒(3)的包鑲要求,所述高耐磨層(5)的厚度為30 μ m?40 μ m。
4.根據權利要求1?3中任意一項所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其特征在于:所述超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)均為金剛石、或為聚晶立方氮化硼。
5.根據權利要求1?3中任意一項所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其特種在于:所述電沉積金屬層(4)為以氨基磺酸鎳為主鹽的鎳或鎳鈷合金。
6.具有復合結構鍍層的金剛石切割工具制作方法，其特征在于采取如下工藝步驟: ①、超硬粗粒(3)和超硬細?！?的表面預處理，將所需超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)置于堿性溶液中去除表面油脂后，用清水洗滌，然后置于體積比為3:1的濃鹽酸與濃硝酸中，去除超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)表面的金屬氧化物后，用清水洗滌； ②、超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)表面陽離子化，將第一步處理后的超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)置于陽離子型表面活性劑溶液中，對陽離子型表面活性劑溶液施加0.1?0.2V的正電位，陽離子型表面活性劑的陽離子在電泳的作用下，在超硬粗粒(3)和超硬細粒(6)表面形成一層帶有正電荷的薄膜； ③、采用埋沙法在基體(I)上制備電沉積金屬層(4)，并將表面陽離子化的超硬粗粒(3)均勻固結在電沉積金屬層(4)內； ④、連續(xù)攪拌鍍液使超硬細粒(6)呈懸浮狀態(tài)，在電沉積金屬層(4)上電鍍沉積高耐磨層(5)，并將表面陽離子化的超硬細粒(6)均勻鑲嵌在高耐磨層(5)內，電沉積金屬層(4)和高耐磨層(5)共同形成刀刃層(2)的復合結構鍍層。
7.根據權利要求6所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具制作方法，其特種在于所述電沉積金屬層⑷電鍍的工藝參數為:電流密度為0.8A/dm2?l.0A/dm2，溫度為45±5°C;所述高耐磨層(5)電鍍的工藝參數為:電流密度為0.5A/dm2?0.6A/dm2，溫度為45±5°C。
8.根據權利要求6或7所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具，其特征在于:所述電沉積金屬層(4)為以氨基磺酸鎳為主鹽的鎳或鎳鈷合金。
9.根據權利要求6或7所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具制作方法，其特征在于:所述超硬粗粒(3)的粒徑3 200 μ m,所述超硬細粒(6)的粒徑S 50 μ m。
10.根據權利要求6或7所述具有復合結構鍍層的金剛石切割工具制作方法，其特征在于:為達到對超硬粗粒(3)的包鑲要求，所述高耐磨層(5)的厚度為30μπι?40μπι。
【文檔編號】C25D5/10GK104290199SQ201410497254
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權日:2014年9月25日
【發(fā)明者】秦建新, 陳超, 林峰, 任孟德, 張昌龍, 王進保, 胡喬帆, 程煜, 肖樂銀, 蘇鈺 申請人:中國有色桂林礦產地質研究院有限公司