CN101048249A - 高密度研磨压块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备高密度研磨压块材料的方法，该方法包括以下步骤：提供粘结粉末材料和磨粒或粗砂的导电混合物；压制该导电混合物；和使压制的导电混合物经受一个或多个高电流脉冲，由此形成研磨压块。

Description

高密度研磨压块
发明背景
本发明涉及一种制备高密度研磨压块、特别是高密度金刚石浸渍的压块的方法。
在制造金刚石浸渍的压块中通常采用的典型制作方法利用了粉末冶金(PM)技术，由此将金刚石粗砂和粘结粉末的混合物(其中该粘结粉末主要为金属性的)固结形成切削工具。虽然热压成网状已变得普遍，但是也可以采用其它PM方法例如无压烧结或热等静压或二者的组合，挤出，激光熔融，热压与激光切割的组合，和其它类似技术来致密化粉末。
热压方法由同时施用热量和压力组成，由此获得几乎无内部孔隙的产品。相对于传统冷压/高温烧结PM路线来说，热压需要在较低的温度下、但是在压力下保持粉末更短的时间(通常2-6分钟)，由此达到更高密度水平。通常采用电阻加热设备和石墨模具来实现热压。石墨模具在片段制造中提供了更高的效率，并且在高温下保护了金属粉末和金刚石粗砂二者免受氧化。虽然使用涂覆的金刚石也可以提供一定程度的保护，但是一些粉末混合物可能需要在烧结期间将相当大地破坏金刚石的温度。
适当致密化的金属基质金刚石混合物获得很大程度上受基质组成影响的窄硬度范围。但是，如果片段的结构在任意方面充分异化，或者如果致密化不彻底，硬度将不会落在规定范围内。不彻底致密化的材料通常具有极低的韧性，其可能导致差的耐磨性和差的金刚石保持力。
发明概述
依据本发明，制备高密度研磨压块材料的方法包括步骤：
a)提供粘结粉末材料和磨粒或粗砂、特别是金刚石磨粒或粗砂的导电混合物；
b)压制该导电混合物；和
c)使该压制的导电混合物经受一个或多个高电流脉冲，由此形成研磨压块。
该粘结粉末材料可以为金属粉末材料，或者其可以包括半导体粉末材料，或者单独地或与金属粉末材料相组合。该半导体粉末材料可以选自硅(Si)、锗(Ge)和镓(Ga)中的任一种或多种。
该磨粒优选地为金刚石磨粒，但是也可以选自立方氮化硼(cBN)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3Ni4)、金刚砂、石榴石、WC和氧化锆。术语“粗砂(grit)”旨在包含尺寸比颗粒更小的、特别是小于50/60目(#)尺寸的磨粒。
该金刚石颗粒和/或粗砂优选地用粉末材料包裹和/或造粒。在本发明的优选方面，通过粉末材料包裹磨粒和/或用粉末材料造粒研磨粗砂。通过使用本领域公知的常规包裹和/或造粒技术，能够制得均质粘结粉末材料/研磨混合物。
在本发明方面，术语“包裹”旨在包含通过粉末材料以使得周围的粉末材料基本上保留在颗粒周围的位置的方式包围该颗粒和/或粗砂。优选地，通过另外的可以随后除去的适宜粘合剂来实现包裹，例如在预热或预烧结期间。适宜粘合剂的实例包括但并非限定于聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、硬脂酸酯、蜡和石蜡。
除了上述内容之外，该磨粒可以用金属涂层预先涂覆。适宜的涂层包括但并非限定于碳化钛、碳化铬、钛金属和钨金属。
金刚石颗粒和/或粗砂优选地在被压制之前被部分烧结。
该导电混合物优选地在被烧结之前被预压制为接近网状。
该导电材料优选地在压制步骤(b)期间，或者在预压制步骤期间，或者在两个步骤期间被置于真空下。
该压制的导电混合物或预压制的压块优选地在经受高电流脉冲之前被预热。
术语“高电流脉冲”旨在包括大于1kA/cm2的脉冲。可以在惰性气氛或真空中实现预热，由此阻止粉末材料的氧化。也可以通过将直流电流穿过冲孔和由此穿过同时在冲模中的样品来实现预热。
粘结金属粉末材料包括但并非限定于铁、钴、铜、青铜、黄铜和Ni或其混合物，或基于这些金属的预合金材料。金属粉末材料中也可以包括不导电的添加剂如金属碳化物、氮化物或氧化物以及金属陶瓷。认为也可以使用其它材料如Mo、W、Nb、Al、Ti、V、Cr、Zr、Ag、Sn、Ta、Pt和Au。
优选实施方式的详细说明
本发明涉及一种由干燥、导电、优选地金属/金属陶瓷粉末材料混合物制备高密度压块的方法，该混合物用磨粒、优选金刚石颗粒和/或粗砂浸渍，由此实现了大于99％的密度。金刚石颗粒和/或粗砂可以是自然形成的，但是其优选地为合成的。可以预涂覆该金刚石粗砂。出于所述目的，通过将电流施加到压力机的冲孔中来叠加粉末/金刚石混合物的静压。本方法特别适用于，但并非限定于用于工具如分段锯条和线状锯的烧结金刚石磨损部件/切削元件的大规模生产。
由此，本发明扩展到包括磨料如金刚石颗粒或粗砂的研磨压块，该压块的密度大于99％。该压块的密度优选地大于99.1％，更优选地大于99.2％，更优选地大于99.3％，更优选地大于99.4％，更优选地大于99.5％，更优选地大于99.6％，更优选地大于99.7％，更优选地大于99.8％，更优选地大于99.9％。
本方法在具有由适宜材料如铜或铜/银渗透的钨、铜/钨合金或粉末冶金钼制成的导电冲孔和该冲孔适配的绝缘冲模的压力机中进行。优选地，铜/钨混合物为10/90-50/50，例如30/70。如上所述，银渗透的材料也是适用的。
该压力机优选地为水压机，但是认为也可以使用其它类型的压力机，例如气动压力机或螺纹压力机。
穿过冲孔的高电流脉冲有时可以导致粉末材料与磨粒的混合物粘结或焊接于冲孔。由此，期望在该冲孔和混合物之间包括另一导电层，例如厚度为几微米的涂层。可以利用Cu渗透的W作为置于将Cu基冲孔与待烧结的材料分开的圆盘，这样降低了焊接的风险。该涂层可以是充分纯的钨金属或其它高熔点金属和/或耐氧化的金属，例如Mo、Nb、Pt、Pd和Ta等。在本发明的一种实施方式中，在冲孔之间包括牺牲性铜垫片，其可以与压块粘结但不与冲孔粘结。将意识到的是，在使用时，该铜将不会负面干扰所制造的压块的形状或功能。
上述压力机布置通常在美国专利5529746中列出，其引入本文作为参考，但是用于依据本发明的冲孔的材料稍微不同且将不会导致依据上述美国专利的教导的有用的产品。
将导电粉末材料/金刚石混合物置于冲孔之间的冲模中。用于烧结的能量通过一组电容器来提供，该电容器通过高电流变压器放电穿过冲孔(和由此穿过粉末材料/金刚石混合物)。将认识到的是，使用这种方法，可以在显著低于本领域中教导的温度的温度下实现包括研磨颗粒和/或粗砂的高密度研磨压块。这种能量释放是以短持续时间的极高电流脉冲的形式。电流脉冲的范围可以为1kA/cm2-20000kA/cm2，优选数值在50kA/cm2-500kA/cm2之间。电流脉冲可以大于1kA/cm2，优选地大于50kA/cm2，更优选地大于100kA/cm2，更优选地大于200kA/cm2，更优选地大于300kA/cm2，且最优选地大于400kA/cm2。电流脉冲可以小于10000kA/cm2，优选地小于5000kA/cm2，更优选地小于2000kA/cm2，更优选地小于1000kA/cm2，且最优选地小于750kA/cm2。
所使用的电压优选地不大于24V。
脉冲持续时间通常在0.1至50毫秒之间，优选数值在1至10毫秒之间。脉冲持续时间可以大于0.1毫秒，大于0.5毫秒，大于1.0毫秒，大于2.5毫秒，且最优选地大于10毫秒。脉冲持续时间可以小于50毫秒，小于45毫秒，小于40毫秒，小于30毫秒，小于20毫秒，小于10毫秒，且最优选地小于5毫秒。
这种组分的烧结是局部的，且是高效的，不必过量加热。这样导致在通常低于300℃的温度下由冲模-冲孔组件中形成的组分。
本发明的方法能够制备完全的成品，且无需引入随后的生产步骤，例如另外的烧结和/或修边。
当在本发明中利用US 5529746中所公开的基本观点和装置时，本发明的方法已必须显著改进，从而对于采用金刚石浸渍的金属粉末的应用来说是有效的。
在制备用于制备结合金刚石的研磨压块的颗粒中众所周知使用无机材料。但是，本发明中，这样可能导致在应用本方法期间的爆炸性分解，且必须避免。由此，使用无有机粘合剂的粉末进行初始测试，其由此非常干燥且导致粉末与金刚石的极容易的分离。在高金刚石浓度下，处理期间金刚石从金属粉末中分离。这样影响了电流脉冲的流动，导致差烧结的压块和金刚石的损伤。
但是发现，通过包裹金刚石和/或将金刚石在金属涂层中预涂覆和/或使粉末材料造粒，可以产生均匀的电流密度，导致良好烧结的压块。这样也导致金刚石在压块内的均质分散。适宜的金属涂层包括例如碳化钛、碳化铬、钛金属和钨金属。
考虑到与有机粘合剂的使用相关联的问题，可能需要在制备最终金属/金刚石混合物之前除去在制备单独的成分中所使用的粘合剂。例如，该粘合剂可以适用于上述包裹过程。这通常通过加热原材料来实现，其也可以导致包裹材料的烧结。加热以除去粘合剂在约200-500℃下是有效的。如果在600-1200℃的温度范围下进行则预烧结压块是最有效的，温度取决于粘结粉末材料中所使用的金属。
在这点上，也已发现，当完全烧结时，将包裹的粗砂或造粒的粉末用于本发明的方法，本方法显示不能够制得密度大于99％的组分。但是，当包裹的粗砂或造粒的粉末仅部分烧结时，同时除去有机粘合剂，获得了更致密的组分。
所使用的冲孔具有两个功能，即，在烧结期间压制组分和传送压实/烧结粉末材料所需的电流脉冲。铜由于其高导电率而成为由其制备这些冲孔的明显材料，但是其低强度限制了烧结期间可以施加的力。依据本发明的优选实施方式，通过在初始测试中使用Cu/Cr合金，发现可以增加烧结期间施加的压力，同时仍保持高电导率，且不会如使用标准铜时所发现的冲孔损坏。但是，即使使用这种改进的冲孔，可实现的压力也不足以达到冷压金刚石浸渍的研磨压块所需的水平。通过在烧结之前使用高强度钢冲孔和冲模预压制接近网状的成分，可以实现初始的高密度，其导致最终烧结期间更少的操作以及烧结期间更短的冲程。
由于依据本方法施用的烧结的速度的结果，孔隙中很可能夹带气体。在材料的常规固态烧结中众所周知的是，除去密闭孔隙中填充的气体是非常难的和耗时的。通过在孔隙封闭之前在真空中烧结，该孔隙含有很少的(或者显著降低量的)气体，导致烧结组分中的显著改进。因此，将冲模置于真空下和除去可能阻止孔隙封闭的任意气体确保了使用真空的更好烧结的组分。使用真空同时预压制也将改进致密化作用。
依据本说明书构建的任何装置将具有由电容器组的电容量和变压器的电流流量限制的能量上限。通过烧结前预热预压制的压块或包裹的/造粒的金刚石可以自身预热，可以降低烧结固定体积的材料所需的能量。预热期间的能量输入降低了烧结需要的总能量。由此，使用相同的装置可以烧结更大的体积和/或可以改进烧结。
该压块可以包括0.01-75％体积的金刚石或其它磨粒。优选地，该压块包括大于20％体积，更优选地大于23％体积，例如25％体积的金刚石或其它磨料。该压块可以含有小于50％体积，优选地小于40％体积，更优选地小于30％体积，例如27％体积的金刚石或其它磨料。
现在将仅通过实施例的方式，参照下列非限定性实施例和附图更详细地描述本发明，其中：
图1显示了压块的致密化增加随预压制的变化；
图2显示了使用双倍和三倍材料重量时压块的致密化增加随预压制的变化；
图3显示了使用模具的最大容量时压块的致密化增加随预压制的变化；和一个实施例使用了模具的超过最大值的粉末容量；
图4显示了压块的致密化增加随预热的变化；
图5显示了压块的致密化增加随真空的变化；
图6显示了使用双倍和三倍材料重量时压块的致密化增加随真空的变化；
图7显示了EDS相对于热压制的致密化对比；
图8显示了EDS相对于热压制的视觉对比；
图9显示了包裹的压块相对于未包裹的压块的视觉对比；
图10显示了相对于脉冲能量的％全密度；
图11显示了Co/WC基质中粘结于TiC涂层(灰色)的金刚石(黑色部分)的横截面扫描电子显微镜分析；
图12A显示了每个上述教导的极好的加和效果；和
图12B显示了每个上述教导的极好的加和效果。
实施例1
将直径约16mm和厚度约5mm的、含有WC和Co的圆盘与25/30目(#)粒径的金刚石颗粒在钢冲模中于6公吨/cm2下冷压。用WC和Co包裹以围绕在每个单独的金刚石颗粒周围并且部分燃烧以除去粘合剂和赋予颗粒强度。如上所概述的那样，使用两个电流脉冲在100％能量下，在装置中分开烧结。
制备两组样品，第二组样品的金刚石浓度高于第一组。
将直径约150mm的Paarl花岗岩(Granite)圆柱形棒安装在车床中。采用下列参数，依次使用每个圆盘来翻转该花岗岩：
速度：50r/min
切割深度：2mm
送进速度：0.1mm/转
使每个圆盘切割4分钟。除了本发明的圆盘之外，使标准碳化钨矿用级别的类似尺寸的圆盘作为原料。与含金刚石的圆盘相同的条件下测试该碳化钨圆盘，用于比较。
所有含金刚石的圆盘继续切割测试的持续时间。相反地，碳化物圆盘切割约10秒钟，然后其仅仅摩擦表面。因此，在小于30秒钟之后将其停止。
如这类测试中共同的是，该圆盘逐步形成磨痕或磨面(wearflat)。对于每个圆盘测量这种磨面或磨痕的深度，并且结果在下面给出。
    样品1     样品2     碳化物
    第一组     1.82mm     1.83mm     2mm
    第二组     0.98     1.09     ---
由测试的第一组样品清楚的是，本发明的含有金刚石的圆盘能够在碳化物不能的情况下切割花岗岩。另外，含金刚石的材料相对于仅为碳化物具有好得多的耐磨性，其由更小的磨痕证实。
测试的第二种样品显示，通过增加圆盘中的金刚石浓度，发现了材料耐磨性方面的改进，再次由更小的磨痕证实。
实施例2
使用用26％钴包裹的30/35#金刚石和20-50微米的碳化钨。为了制备这种材料的薄圆盘，在13.81mm直径冲模中使用5.12g。作为基线，为了调查压力和脉冲能量的影响，在改变压力(20、40和60kN)和脉冲能量(10、20和30％)下进行测试矩阵。使用预压制的压块重复该基质。通过使用预压制而导致的致密化增加显示于图1中。在较低压力下的影响最大。
使用两倍(10.24g)和三倍(15.36g)材料重量同时保持压力在40kN下进行另一测试。使用20、40、60、70和80％的脉冲能量。如前所述，使用预压制的压块重复这些测试。此时，所形成的致密化增加显示于图2中。在较高的脉冲能量下，影响大约相同。
使用9.5mm直径模具，确定可被烧结的最大量的包裹型金刚石为7.5g。保持压力等于前述值，(对于该较低区域为20kN)，在20、40、60和80％脉冲能量下烧结模具的最大容量。如前所述，使用预压制的压块重复这些测试。除此以外，也预压制为大于9.5mm烧结室容量的8.5g并且在80％能量下烧结。图3显示了所形成的致密化增加以及当预压制时可以烧结更多材料。
实施例3
进行预压制的5.12g样品的重复，但是此时在置于烧结室之前将压块预热到200℃。在20和30％脉冲能量下烧结预热的样品，并且使用20、40和60kN的压力。将这些样品的致密化与未采用加热而烧结的预压制样品进行比较。预热所导致的致密化增加显示于图4中。
实施例4
将这些样品不预压制。如前所述，使用5.12g包裹的金刚石材料。将其加入烧结室中，随后将其置于使用旋转真空泵的真空下。估计所达到的真空不好于10-2mbar且可能为10-1mbar数量级。在20和30％脉冲能量与20、40和60kN下烧结样品。相对于未预压制的标准烧结样品所实现的致密化增加显示于图5中。在40、60和80％脉冲能量和40kN下，也重复使用双倍和三倍重量但是在真空下的重复测试。由于真空导致的致密化增加显示于图6中。
实施例5
由前述实施例确定的是，在13.8mm冲模中使用30％能量和60kN可以良好地烧结5.12g包裹的金刚石材料。采用这些设定制备一组6个样品。使用6室15mm直径石墨模具，热压相同的样品。在1100℃下进行热压，在温度下使用300bar压力7分钟。对于每个样品所实现的百分比致密化由样品尺寸来计算并且显示于图7中。显然，热压的样品致密化大大低于放电烧结(EDS)样品。视觉上这点可以在图8中看出，其中明显地左边的圆盘边缘显示了未烧结的颗粒。右边的圆盘边缘显示完全烧结。
实施例6
对于这组实验，使用了不同的包裹型金刚石。用于该包裹型金刚石的粘合粉末材料为具有10wt％钴粉的碳化钨粉末。在不同的力和能量下制备一系列圆盘，由此制备完全烧结的压块。这些设定为70％能量和40kN的力。为了将这些与混合的金刚石和粘结粉末对比，使用标准烧结的碳化物前体材料，具有11wt％钴的碳化钨，并且使用之前除去任何有机粘合剂。混合重量与包裹型金刚石样品中相当的金刚石和粘结材料，并且将其倒入烧结室中，如使用包裹型样品那样，在70％能量下和使用40kN的力进行烧结。进行几次重复。
图9中，左边的圆盘清楚显示了导致圆盘破碎的金刚石聚积。在相同图中右边的圆盘是使用包裹型金刚石制得的并且并未显示任何这种损伤。
实施例7
使用11.31mm直径冲模，在10、15、17、19、21和23％能量下烧结3.43g材料。使用两个电流脉冲重复该试验。将变压器比例也从100∶1转变为50∶1，其产生的影响是增加了脉冲高度同时降低了脉冲持续时间。对于每个样品测量的％全致密化显示于图10中。
实施例8
SEM分析显示，涂覆的金刚石和碳化物/钴基质之间存在极佳的粘结。通过将一些金刚石上的TiC涂层分散在金属基质中形成了这种粘结(参见图11)。
实施例9
使用11.31mm直径冲模，在50和70％能量下使用30kN的压力烧结6.86g材料(为之前用量的两倍)。使用预压制、预热、双倍脉冲和真空重复该实验。随后将全部这些组合以了解结果如何。
如图12A显示，使用70％能量改进了高于50％能量的致密化。当使用双倍脉冲时导致致密化的最大改进，但是也仍达不到100％致密化。100％致密化仅在将全部改进放在一起时形成。
实施例10
使用50∶1的变压器比例在10和20％之间的能量进行更多实验。又使用双倍脉冲进行重复。当设定达到高，但并非全部，致密化时，那么使用预压制和真空也能获得全密度(参见图12B)。图12B中，S3为预压制的、预热的、真空的、50∶1的比例和双倍脉冲、22％能量和30kN冲孔力，且S4为预压制的、真空的、50∶1的比例和双倍脉冲、22％能量和30kN冲孔力。
实施例11
确定为了将一些样品烧结到高密度，需要将铜电极冲孔焊接于样品上的能量。通过使用铜渗透的钨材料的垫片(大于2-3mm厚)，当Cu/W材料非常不容易电弧放电时阻止了这种焊接。
实施例12
在非常苛刻的金刚石研磨磨损率测试中，将加载了金刚石粗砂的碳化钨D-WC的以材料损失(μmh-1)衡量的磨损性能直接与化学气相沉积(CVD)金刚石对比。该CVD金刚石为各种工业应用中所使用的多晶金刚石的合成形式。包含纯金刚石时，其显示与其它形式金刚石相同的硬度，并且在研磨条件下显示极低的磨损率。
在研磨实验之前，将三个D-WC的17mm直径圆盘和三个光学等级CVD金刚石的匹配圆盘制成表面粗糙度相似的状态(Ra 200nm)。这些圆盘含有30/35#SDB 1100金刚石，在钴/WC粘合中浓度约100。用蜡将样品安装在固定器上，并且将固定器置于用360g负重的旋转轮上。将325等级HPHT粗砂在溶液中的悬浮液滴在以80RPM旋转的铁台(scaffe)上。使用校准的千分尺每隔30分钟测量每个样品的厚度。对于CVD金刚石样品的稳态磨损为16μmh-1，且对于D-WC样品来说其为40μmh-1。

Claims (17)

1、一种制备高密度研磨压块材料的方法，其包括步骤：
a)提供粘结粉末材料和磨粒或粗砂的导电混合物；
b)压制该导电混合物；和
c)使该压制的导电混合物经受一个或多个高电流脉冲，由此形成研磨压块。
2、如权利要求1所述的方法，其中该磨粒或粗砂选自金刚石、立方氮化硼(cBN)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3Ni4)、石榴石、WC和氧化锆。
3、如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中该粘结粉末材料为金属粉末材料和/或半导体粉末材料。
4、如权利要求3所述的方法，其中该半导体粉末材料选自硅(Si)、锗(Ge)和镓(Ga)中的任一种或多种。
5、如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中该金刚石颗粒和/或粗砂采用粉末材料包裹和/或造粒。
6、如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中该磨粒用金属涂层预先涂覆。
7、如权利要求6所述所述的方法，其中该涂层选自碳化钛、碳化铬、钛金属、钨金属和镍。
8、如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中磨粒和/或粗砂在被压制之前被至少部分烧结。
9、如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中该导电混合物在被烧结之前被预压制为接近网状。
10、如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中在预烧结步骤、压制步骤(b)期间，或者在预压制步骤期间，或者在任意或全部步骤期间，将导电材料置于真空下。
11、如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中该压制的导电混合物或预压制的压块在经受高电流脉冲之前被预热。
12、如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中该粘结金属粉末材料选自铁、钴、铜、青铜、黄铜、Ni、Al、Ti、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Sn、Ta、W、Pt和Au，或其混合物，或基于这些金属的预合金材料。
13、如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中该粘结粉末材料包括不导电的添加剂，如金属碳化物、氮化物、氧化物和金属陶瓷。
14、通过权利要求1-13中任一项所述的方法制得的高密度研磨压块。
15、如权利要求14所述的高密度研磨压块在包含磨损面的切削工具如分段锯条和线状锯中的用途。
16、包含如权利要求14所述的高密度研磨压块的切削工具。
17、一种包含磨料的研磨压块，该压块的密度高于99％。
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