本发明涉及表面涂覆的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于孕镶金刚石工具的表面金属化金刚石复合颗粒。
背景技术：
孕镶金刚石工具是金刚石工具中的主要类型，其包括各种钻头和圆锯片等，特点为金刚石颗粒分布在金属或硬质合金胎体表面和内部，由于胎体材料是将金刚石颗粒随机地孕镶包裹起来，工具工作时，必须先将胎体材料磨损掉才能使得金刚石颗粒凸出胎体表面作为切削刃来工作。由于金刚石与金属或合金间有很高的界面能，致使金刚石表面不能被一般的金属或合金所浸润，使得金刚石在工作中的出刃高度较低，脱落率较高，以至于金刚石颗粒尚未发挥出其优异的力学性能，便已出现过早的脱落现象。由于金刚石的表面既硬又滑，化学惰性极强，结合剂组分很难对其实施有效润湿与化合作用，因而也就难以有效固结把持金刚石，极大的阻碍了金刚石制品的性能发挥。如何有效提高结合剂对金刚石的固结把持力，一直是国内外金刚石制品行业所面临的共同技术难点。
金刚石表面的预处理和涂覆技术最早可追溯到20世纪60年代，1966年英国元素六公司以及美国ge公司相继开发了表面镀铜、镍的金刚石颗粒基材产品，镀覆技术主要包括化学镀、电镀、pvd等工艺，虽然金刚石表面通过cvd工艺等可形成化学键合层，但由于形成的ti、cr等容易氧化，从而导致其与胎体结合剂的冶金结合能力不足，胎体也无法有效把持金刚石，这些因素均影响结合剂对金刚石的有效固结把持，导致金刚石的利用率普遍低于30％。对此，现有技术中还公开了多层包覆的专利技术，cn85100286a(北京大学)于1986年8月27日公开了一种金刚石表面金属化的技术，其是采用沉积法、电镀法或冶金化学包覆等方法，在金刚石表面上包覆金属碳化物膜、合金层以及包覆电镀金属皮层，其中指出孕镶此种表面金属化金刚石烧结体的强度有显著的提高。金刚石颗粒基材被合金基体的粘结、嵌镶强度比起一般未经处理的金刚石有明显的提高，由于制备成本较高，该技术并未得到工业推广应用。cn101680076a(英国元素六公司)于2010年3月24日公开了一种涂覆的金刚石，其采用碳化物形成元素的初级碳化物层来涂覆金刚石，用高熔点金属的次级层涂覆初级层，所述高熔点金属选自w、mo、cr、ni、ta、au、pt、pd或其任何组合或合金；以及用ag、ni、cu、au、pd、pt、rh、os、ir、re的外覆层涂覆次级层。然而其中含有大量的贵金属，成本过高，难以推广应用于金刚石孕镶工具。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于孕镶金刚石工具的表面金属化金刚石复合颗粒。
为了实现上述目的，本发明提供了一种表面金属化金刚石复合颗粒。
本发明的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：包括经过等离子蚀刻处理的金刚石颗粒基材，所述金刚石颗粒基材表面通过蒸镀工艺形成有含初生tic的ti合金层，所述ti合金层表面包覆有fe-cu预合金粉末层。
其中，所述等离子蚀刻采用ar和ch4作为蚀刻气体。
其中，所述金刚石颗粒基材的粒径为0.10～0.60mm。
其中，所述fe-cu预合金粉末层的厚度为10～100μm。
其中，所述fe-cu预合金粉末中含有30～65wt％的cu，10～60wt％的fe。
其中，所述fe-cu预合金粉末中含有5.0～25.0wt％的co。
其中，所述述fe-cu预合金粉末中含有0～10％sn，0～12wt％的ni。
其中，所述fe-cu预合金粉末的平均粒径为3～10μm。
本发明还涉及一种孕镶金刚石工具，其特征在于采用包含了上述表面金属化金刚石复合颗粒的磨粒。
与现有技术相比，本发明的表面金属化金刚石复合颗粒具有以下有益效果：
本发明的金刚石复合颗粒通过形成冶金结合和表面金属化，显著提高了孕镶金刚石胎体对磨粒的把持性质，作为孕镶金刚石工具使用能够大幅度提高金刚石颗粒的有效利用率。
附图说明
图1为本发明中的金刚石表面等离子蚀刻的示意图。
图2为本发明中的表面金属化金刚石复合颗粒的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的表面金属化金刚石复合颗粒做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
常用的孕镶金刚石工具(钻头、锯片)中的金刚石颗粒，其规格通常为30目至140目之间，换算成粒径约为0.10～0.6mm。因此，本发明的金刚石复合颗粒中采用的金刚石颗粒基材的粒径为0.10～0.60mm。金刚石颗粒基材采用人造金刚石。人造金刚石在表面处理前经过清洁处理(例如氧化处理和/或化学溶液的侵蚀处理)。在本发明中，金刚石颗粒基材在表面处理前经过等离子蚀刻处理。等离子蚀刻是在等离子体蚀刻反应室中通入进行，作为示例性地，如图1所示的等离子体蚀刻反应室包括在真空腔室100内相对设置的两个平板电极10，其中所述平板电极由rf电源20供电。一个平板电极上设置有用于提供蚀刻气体的入口30，另一个平板电极上设置有工作台，待蚀刻处理的金刚石颗粒基材可通过载物盘50等(其中可配置有振动器)设置在工作台上，蚀刻气体从入口30通入后在施加的高频电场的作用下，在两个平板电极之间形成等离子体处理空间。具体来说，在本发明中，rf电源提供频率为13.56mhz，功率为1.2kw的能量，蚀刻气体为ar和ch4，气压为1.0～20pa，ar的流量为50～120sccm，ch4的流量为5～30sccm；蚀刻后在500～800℃进行加热处理，时间为3～5min。通过包含ch4的蚀刻和加热处理，表面金属化的金刚石复合颗粒在孕镶金刚石工具中表现出更好的包镶力和更高的出刃高度。
首先，采用真空蒸镀工艺在经过等离子蚀刻的金刚石颗粒基材表面形成ti合金层，所述真空蒸镀工艺例如可以在石英坩埚中进行，将金刚石颗粒基材与钛合金粉末一起混合放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至720～750℃反应0.5～10h，可在金刚石颗粒基材表面形成ti合金层中，并且通过xrd图谱，可以观察到tic(111)、(200)、(220)面的特征峰，而且相较于不进行等离子蚀刻，或者仅采用ar等离子蚀刻处理，本发明的真空蒸镀工艺得到的ti合金层中tic的特征衍射峰更加明显。所述ti合金层中含有5.0～30.0wt％的第一合金成分，所述第一合金为cu和/或ni；作为优选地所述第一合金成分的含量为7.5～25.0wt％，通过添加所述第一合金成分有利于防止ti的氧化，并且提高与预合金粉末层之间的粘附性。所述ti合金层中还可以含有0～10.0wt％的第二合金成分，所述第二合金成分为w、mo、cr和/或ag，作为优选地所述第二合金成分的含量为0～5.0wt％。所述第二合金成分能够进一步促进金属碳化物的形成，提高金刚石颗粒与胎体的结合力，或者能够提高与预合金粉末层之间的粘附层。真空蒸镀1小时约可得到0.5μm厚的钛合金层。在本发明中，所述ti合金层的厚度为0.10～3.0μm，优选为0.3～2.0μm。当ti合金层的厚度小于0.10μm，其对金刚石颗粒与胎体之间的结合力改进有限，而当ti合金层的厚度超过3.0μm，将使得蒸镀的时间过长，在经济上是难以接受的。
在ti合金层的表面通过粘结剂包覆fe-cu预合金粉末层。所述fe-cu预合金粉末层可以质量浓度0.5～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液为粘结剂，与fe-cu预合金粉末混合后涂覆在ti合金层的表面，干燥后即可，或者可以在低于200℃的温度下进行加热处理。所述粘结剂除了聚乙烯吡咯烷酮外，还可以采用聚丙烯酸铵盐、聚乙烯醇等，除了采用酒精溶液作为溶剂以外，还可以采用聚乙二醇、丙酮等。
通过在金刚石颗粒基材表面通过本发明的工艺形成的ti合金层和fe-cu预合金粉末层，所述fe-cu预合金粉末层的厚度为10～100μm，优选地为15～50μm。使得在孕镶金刚石工具的烧结成型(例如钻头、圆锯片的刀头等)中使得金刚石界面与胎体之间能够实现良好的冶金结合，大幅度改善工具胎体对金刚石的有效把持能力，提高金刚石工具的综合效能。在本发明中，所述fe-cu预合金粉末中含有30～65wt％的cu，10～60wt％的fe。当应用于高温场合，例如需要切割或钻进中高硬度或高硬度的岩石、耐火材料的场合，添加5.0～25.0wt％的co能够进一步提高胎体对金刚石的把持力，而且提高孕镶金刚石工具的稳定性。对于薄壁钻或者圆锯片刀头的应用场合，所述述fe-cu预合金粉末中可含有0～10％sn，0～12wt％的ni。
图2为本发明的表面金属化金刚石复合颗粒的结构示意图，其由金刚石颗粒基材1，生长在金刚石颗粒基材1表面的ti合金层2，和包覆在ti合金层2表面的fe-cu预合金粉末层组成。
实施例1
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为60sccm，ch4的流量为12sccm；蚀刻后在700℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti合金粉(28wt％的cu、72wt％的ti)与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-cu合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-cu合金层中含有初生的tic。选择65％cu-25％fe-10％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-cu合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出本实施例的表面金属化金刚石复合颗粒。
实施例2
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为60sccm，ch4的流量为12sccm；蚀刻后在700℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti合金粉(10wt％的cu、90wt％的ti)与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-cu合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-cu合金层中含有初生的tic。选择30％cu-50％fe-20％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-cu合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出本实施例的表面金属化金刚石复合颗粒。
实施例3
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为100sccm，ch4的流量为20sccm；蚀刻后在750℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti合金粉(25wt％的ni、75wt％的ti)与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-ni合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-ni合金层中含有初生的tic。选择65％cu-25％fe-10％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-ni合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出本实施例的表面金属化金刚石复合颗粒。
实施例4
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为100sccm，ch4的流量为20sccm；蚀刻后在750℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti合金粉(15wt％的ni、85wt％的ti)与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-ni合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-ni合金层中含有初生的tic。选择30％cu-50％fe-20％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-ni合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出本实施例的表面金属化金刚石复合颗粒。
比较例1
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后备用；将平均粒径为10μmti合金粉(28wt％的cu、72wt％的ti)与洁净和粗化处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-cu合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-cu合金层中含有初生的tic。选择65％cu-25％fe-10％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-cu合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出表面金属化金刚石复合颗粒。
比较例2
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为12pa，ar的流量为80sccm；蚀刻后在700℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti合金粉(10wt％的cu、90wt％的ti)与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti-cu合金层，并且通过xrd分析可知所述ti-cu合金层中含有初生的tic。选择30％cu-50％fe-20％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti-cu合金层的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出表面金属化金刚石复合颗粒。
比较例3
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为100sccm，ch4的流量为20sccm；蚀刻后在750℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti粉与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti膜，并且通过xrd分析可知ti膜中含有初生的tic。选择65％cu-25％fe-10％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti膜的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出表面金属化金刚石复合颗粒。
比较例4
以40/45目强度为d60的金刚石颗粒基材作为起始的颗粒，洁净和粗化处理(5wt％的naoh超声清洗然后水洗；用3wt％的hcl清洗再水洗至中性；加入10wt％的hno3中煮沸10min，进行粗化处理，并水洗至中性)后，在等离子体蚀刻反应室中通入ar和ch4进行等离子蚀刻，蚀刻气体的气压为10pa，ar的流量为100sccm，ch4的流量为20sccm；蚀刻后在750℃进行加热处理，时间为5min；然后将平均粒径为10μmti粉与上述等离子蚀刻处理后的金刚石颗粒基材混合并放置在石英坩埚中，并置于真空室中抽真空，然后加热至750℃反应1小时，在金刚石颗粒基材表面沉积一层厚度约为0.5μm的ti膜，并且通过xrd分析可知所述ti膜中含有初生的tic。选择30％cu-50％fe-20％co作为预合金粉末，粉末氧含量＜2000ppm，平均粒径约为5μm。将所述预合金粉末与质量浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮k90的酒精溶液按照10∶1的重量比混合，在涂覆设备中在沉积有ti膜的金刚石颗粒基材表面均匀包覆上述混合的预合金粉末，然后自然干燥，并在150℃加热处理1小时得到厚度为50μm的预合金粉末层。由此制备出本实施例的表面金属化金刚石复合颗粒。
采用上述实施例以及比较例制备得到的表面金属化金刚石复合颗粒制备孕镶工程钻头，采用的胎体配方均为以wc为骨架，以cu基合金为粘结剂(烧结后的hrc硬度为30～35)，表面金属化金刚石复合颗粒的添加量为胎体重量的2.0wt％，利用制备的钻头对花岗岩进行钻进实验(转速1000r/min，钻压2500n)，10分钟后采用显微镜准焦法检测磨削面上的金刚石颗粒的出刃形貌，并统计出刃高度大于110μm的金刚石颗粒的平均值，以及占整个出刃金刚石颗粒的比例，结果如表1所示。
表1
对于本领域技术人员而言，实施例只是对本发明进行了示例性地描述，本发明的具体实现并不受上述示例性地实施例的限制，只要采用了本发明的权利要求所蕴含的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
1.一种表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：包括经过等离子蚀刻处理的金刚石颗粒基材，所述金刚石颗粒基材表面通过蒸镀工艺形成有含初生tic的ti合金层，所述ti合金层表面包覆有fe-cu预合金粉末层。
2.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述等离子蚀刻采用ar和ch4作为蚀刻气体。
3.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述金刚石颗粒基材的粒径为0.10～0.60mm。
4.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述ti合金层中含有5.0～30.0wt％的第一合金成分，0～10.0wt％的第二合金成分；其中，所述第一合金为cu和/或ni，所述第二合金成分为w、mo、cr和/或ag。
5.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述ti合金层的厚度为0.10～3.0μm。
6.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述fe-cu预合金粉末层的厚度为10～100μm。
7.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述fe-cu预合金粉末中含有30～65wt％的cu，10～60wt％的fe。
8.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述fe-cu预合金粉末中含有5.0～25.0wt％的co，含有0～10％sn，0～12wt％的ni。
9.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：所述fe-cu预合金粉末的平均粒径为3～10μm。
10.根据权利要求1所述的表面金属化金刚石复合颗粒，其特征在于：采用包含了权利要求1～9任一项所述的表面金属化金刚石复合颗粒的磨粒。
技术总结