CN101480744A

CN101480744A - 金属与金刚石复合体的制造方法

Info

Publication number: CN101480744A
Application number: CNA2009100737464A
Authority: CN
Inventors: 王明智; 李晓普
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2009-01-24
Filing date: 2009-01-24
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2029-01-24
Also published as: CN101480744B

Abstract

本发明公开一种金属与金刚石复合体的制造方法。所述方法包括以下步骤：将金刚石磨粒和金属粉末结合剂置于两金属板之间，金属板可以是铜板，也可以是低碳钢板，金属板卷制成扁管状，卷逢处钎焊密封制成预制体，通过多道次冷轧至略高于颗粒尺寸的厚度，然后在700～900℃范围内进行烧结；本发明摈弃了传统的类似粉末冶金的方法，直接利用金刚石与铜或低碳钢板硬度方面相差悬殊的性能特点，在轧制过程中金刚石以嵌入的形式进入铜或低碳钢的块体中，利用轧制特有的高速流变和大变形率，配合少量结合剂金属粉末，使金属板相互焊合，避免了传统方法金属粉末易于氧化而造成烧结质量下降的问题。有利于机械化、自动化生产，降低了生产成本。

Description

金属与金刚石复合体的制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属与金刚石复合体的制造方法。所使用的方法采用轧制技术。

背景技术

金属与金刚石复合体是金属结合剂金刚石工具的工作部分。人造金刚石是人造晶体，一般应用的颗粒直径在0.5mm以下，金刚石硬度高达HV9000～10000，其晶体结构在常压大气条件下770℃以下稳定，超过770℃即氧化，随温度升高而氧化加剧。由于工业金刚石颗粒尺寸较小，在制造磨具过程中一般需用结合剂将颗粒粘结成块体，即为复合体。作为磨具结合剂材料可以用金属、树脂、陶瓷、橡胶或电镀，主要作用是使细小的金刚石颗粒镶嵌、夹持在结合剂中形成可用的块体。金属结合剂金刚石磨具一般用来磨削玻璃、石材等硬脆材料及有色金属等。

传统的金属结合剂超硬复合体的制造方法如下：冷压-保护气氛烧结法：将计算量的金刚石磨粒与计算量的金属粉末混合均匀，装入所需形状、尺寸的模具中，在压力机上压制成形，压制力3～5吨/厘米²；冷压成型压制过程实质是成型料粉末颗粒在压制力作用下发生位移、变形、接触面积增加，气孔减少，从而密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度坯体的过程[1]。成形后，需要在合适的温度下烧结，目的是使金属粉末颗粒之间形成熔焊连接形成块体，使金刚石颗粒镶嵌其中，得到良好的夹持，以便金刚石颗粒在磨削过程中不过早脱落，起到磨削作用。由于金刚石自身性能的限制，烧结温度最高不能高于850℃，否则金刚石将发生石墨化转变，使其磨削能力下降，甚至失去磨削作用。同时，由于金属粉末的抗氧化能力极差，在烧结过程中还要通入还原性气氛加以保护，如氢气、煤气等。为了使烧结充分，一般在烧结温度下保温45～60分钟。冷压成型操作比较方便，其最主要优点有生产率高很适合于大批量生产；操作简单，操作条件比较好；冷压成型有许多不足之处，有以下几个方面：成型压力大，一般需要4～5吨/厘米²的单位压力，在这样大的压力条件下，将有部分金刚石颗粒被压碎，从而影响砂轮的内在质量；另一方面，必须要有大吨位的压机，设备投资费用将成倍增加；用冷压法成型形状复杂的砂轮非常困难，因此不利于新产品的生产和发展；烧结工艺比较复杂，必须有气氛保护，多数产品都要用夹具紧固烧结，否则会氧化和变形；废品率较高，成品率较低；冷压过程中坯体弹性后效大，坯体强度低。所谓的弹性后效是指除去压制力和压坯脱模后，由于内应力的作用，压坯发生弹性膨胀现象^[2]。这一现象除会引起压坯出现裂纹、变形和分层之外，还会由于残余内应力的不良影响烧结质量。另一重要问题是金属粉末由于生产、储运、存放等过程，极易发生颗粒表面氧化问题，故此，在使用前一般需要金属粉末还原处理，过程很麻烦，如控制不好，还会加重氧化。

热压烧结法，压制与烧结同时进行。将计算量的金刚石磨粒与计算量的金属粉末充分混匀，装入石墨模具中，置于热压烧结机上，一般热压烧结机采用直接通电加热方式，也有采用中频感应加热方法，主要过程是边压制边加压，同时到达指定温度和压力，并经1～10分钟的短时保温，然后自然冷却并卸除压力^[3]。主要优点是操作简单、成型烧结速度快，而且成型压力小，0.2～0.4吨/厘米²，保温时间短，温度也较低，规格不大的磨具，用这种工艺方法更具有优越性。

除此之外，还有在以上两种方法基础上稍作改变的一些方法，但基本方法未变，其共同点就是金刚石磨粒与金属粉末均匀混合，然后压制成块体稍后或同时烧结，使金刚石磨粒镶嵌、夹持在烧结成块体的金属结合剂中。这里有如下难以克服的问题：第一，大多数金属粉末比同种类的金属块体更易氧化(比表面积大)，金属粉末在使用前的还原处理及采用热压都是为解决这一问题，但事实证明，还是经常出现颗粒表面层氧化而影响复合体质量的问题。第二，几乎所有的金属粉末的价格都高于金属板材、管材等，并且粉末烧结后的性能都大大低于同类金属的块体(密度小于块体)，密度也相对较低，因而使复合体质量难以满足要求。第三，由于要考虑金刚石对温度的承受能力，在金属粉末烧结过程中及金属粉末成分配比时，往往受温度的限制而加入低熔点物质，如Sn、Zn等，因而牺牲了烧结后块体的性能。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种金属与金刚石复合体的制造方法，该方法可替代金属粉末热压烧结方法和冷压烧结方法，可获得比上述热压和冷压烧结更高的致密性和比常规方法更高的磨料含量；可在轧制过程中由于沿轧制方向流变使金属颗粒及表面保持新鲜而有利于烧结结合，可提高磨料与结合剂金属的结合强度，从而提高产品的使用性能。

本发明的技术方案是通过以下步骤实现的：

(1)将金属板去除锈、油及其它附着物，在两块金属板之间放置金刚石磨粒及起钎焊作用的金属粉末结合剂，并使其分布均匀；采用卷管机可在卷管过程中将计算量的金刚石及金属粉末加入，卷管机如能将卷管直接卷成扁圆形更好；

(2)将上述两块金属板周边进行钎焊，制成预制体备用；

(3)将预制体置于轧机上进行复合轧制，轧制过程中金刚石凭借其与金属材料悬殊的硬度差值，在轧制力作用下压入金属板中，轧制过程是一道次或多道次，直至复合后的复合板厚度大于金刚石磨粒粒径的1～15％；

(4)轧制过程在室温下进行，随后复合板在700～900℃下进行烧结。

所述的金属板是铜板或者是含碳量重量百分比≤0.1％的低碳钢板，起钎焊作用的金属粉末为铜、锡、锌的两种或三种混合粉末，或者是铜、锡、锌的合金粉末，熔点范围为700～900℃，所述金属粉末的体积为复合体体积的5～15％；金刚石磨粒粒径为1～800μm，轧制后的金刚石磨粒的体积为复合体体积的30～70％；所述的将金属板周边钎焊钎料是锡基合金。

按上述方法轧制烧结后，根据需要将复合体剪切成不同尺寸和形状，组合成所需要的锯片或者砂轮。轧制获得的复合体还可以叠加进行二次或多次复合轧制，制成多层的金属-金刚石磨粒复合体。

本发明的有益效果是：该发明摈弃了传统的类似粉末冶金的方法，直接利用金刚石与铜或低碳钢板硬度方面相差悬殊的性能特点，在轧制过程中金刚石以嵌入的形式进入铜或低碳钢的块体中，利用轧制特有的高速流变和大变形率，配合少量起钎焊作用的金属粉末，使金属板相互焊合，避免了传统方法金属粉末易于氧化、致密度差等所造成烧结质量下降的问题。有利于机械化、自动化生产，降低生产成本，提高制品质量。

附图说明

图1是制成预制体的结构示意图；

图2是钎焊后预制体横断面的结构示意图；

图3是送入轧机的示意图；

图4是轧制过程示意图；

图5是金属与金刚石复合体横断面金刚石分布示意图；

图6是金属与金刚石复合体剖开面金刚石分布情况示意图；

图7是金属与金刚石复合体剖开面金刚石嵌入状态示意图。

在上述附图中，1.金刚石磨粒，2.金属板，3.金属粉末，4.钎焊点，5.预制体，6.轧辊，7.复合体。

具体实施方式

实施例1

(1)取紫铜管一段，壁厚1mm，管内径6mm；(2)在压力机上压扁，留有2～3mm空腔；(3)管内壁经碱洗、酸洗及丙酮浸泡去油、锈及附着物，烘干备用；(4)将计算量的粒径为0.3mm的金刚石及起钎焊作用的金属粉末填入压扁紫铜管的空腔中，起钎焊作用的金属粉末所占体积为复合体的8％，成分为(Wt.％)20％Sn+80％Cu。计算量为预计轧制后复合体中金刚石所占体积为40％；(5)摇匀后将一端压合并置于二棍轧机的棍缝处，以0.2m/min的速度轧制；(6)每道次后用测量厚度；(7)三道次后轧制得到0.4mm的复合体，表面未见露出的金刚石。(8)然后将所得复合体置于760℃马弗炉中烧结15min。其断面及剖开后的状态如图5、6、7所示。硬度为HRB76。

实施例2

(1)取08F钢板，厚度1.2mm，宽10mm，按实施例1中(1)、(3)步骤处理，按(4)同样的金刚石及金属粉末均布于钢板上，取另一同样钢板覆于其上，按实施例1中(5)、(6)、(7)、(8)步骤处理，得到的复合体宽11.5mm，厚度0.48mm，磨去飞边后宽度为9.6mm，硬度为HRB106。

本发明的方法还可以将轧制后得到的单片复合体经软化退火并表面处理后进行多层复合轧制，以得到多层复合体。这种方法摒弃了传统方法的不足，使金属成本大为降低，提高了生产效率，使金刚石与金属的复合体制造过程简化，提高制品质量，其经济效益及社会效益十分显著。

Claims

1.一种金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

(1)将金属板去除锈、油及其它附着物，在两块等面积金属板之间放置金刚石磨粒及起钎焊作用的金属粉末结合剂，并使其分布均匀；

(2)将上述两块金属板周边进行钎焊，制成预制体备用；

(3)预制体置于轧机上进行复合轧制，轧制过程是一道次或多道次，直至复合后的复合板厚度大于金刚石磨粒粒径的1～15％；

2.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：所述的金属板是铜板或者是含碳量重量百分比≤0.1％的低碳钢板；

3.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：所述的起钎焊作用的金属粉末为铜、锡、锌的两种或三种混合粉末，或者是铜、锡、锌的合金粉末，熔点范围为700～900℃；所述金属粉末的体积为复合体体积的5～15％。

4.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：所述的金刚石磨粒粒径为1～800μm，轧制后的金刚石磨粒的体积为复合体体积的30～70％。

5.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：所述的将金属板周边钎焊钎料是锡基合金。

6.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：首先，将铜管或者是含碳量重量百分比≤0.1％的低碳钢管去除锈、油及其它附着物，压扁后在其空腔内装入金刚石磨粒及起钎焊作用的金属粉末结合剂，之后，按照1-(3)、1-(4)步骤进行轧制和烧结工序。

7.根据权利要求1所述的金属与金刚石复合体的制造方法，其特征是：首先，将金属板去除锈、油及其它附着物，在卷焊管过程中加入金刚石磨粒及起钎焊作用的金属粉末结合剂，制成预制体；或者直接卷成扁管加入金刚石磨粒及起钎焊作用的金属粉末结合剂，然后将卷管缝隙钎焊，制成预制体；之后，按照1-(3)、1-(4)步骤进行轧制和烧结工序。