CN101934501B - 自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，主要包括工作层和非工作层，工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下，磨料为金刚石，粒度为：70/80～600/700，浓度20％～100％；非工作层的金属粉末与工作层金属粉末的组分及组分含量相同。自蔓延反应烧结与上述传统的烧结工艺相比，具有节约能源，生产效率高的优点，并能够降低投资和生产成本。

Description

自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及到一种金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法，尤其是一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法。

背景技术

金刚石砂轮通常采用金属结合剂、陶瓷结合剂或树脂结合剂制造。其中，金属结合剂砂轮具有良好的型面保持能力、理想的使用寿命和较高的磨削效率，广泛用于石材、陶瓷、耐火材料、硬质合金、磁性材料、半导体材料等非金属材料及有色金属材料等加工领域。

金属结合剂金刚石砂轮通常采用粉末冶金法制造，其制造工艺主要包括：混料、压制成型、烧结、后加工等。制造工艺对金属结合剂金刚石砂轮的使用性能具有直接的影响。现有金属结合剂砂轮毛坯的生产方法，主要有以下三种：冷压成型-烧结法、热压烧结法和半热压烧结法。

冷压成型-烧结法是将成型料在钢模具中施加一定压力压制成毛坯，卸模后在炉中进行无压烧结。其主要缺点是：成型压力大、烧结时间长、能耗高、力学性能和使用性能差。特别是，无压烧结过程中需要提供大量能源使坯体达到烧结的目的，烧结保温时间在1至2小时，生产周期长，所以现在一般较少采用这种方法。

热压烧结法通常分为中频感应加热和大电流电阻加热两种方式。此方法一般是在石墨模具中将成型料同时加热和加压(即直接热压烧结)，或先将成型料在钢模具中冷压成一定密度和强度的毛坯，然后在石墨模具中热压烧结，其主要缺点：1、制备的磨具大小受到石墨模具的限制，一般直径在300mm以下；2、采用中频感应和大电流电阻加热升温过程中消耗大量的能源；3、每次烧结的产品有限，生产效率较低。

半热压烧结法是先在钢模具中将成型料预压制成具有一定密度和强度的毛坯，然后随模具或更换外模进行无压烧结，烧结结束后出炉加压，将毛坯压制到设计密度。此法一般适合生产较大尺寸的磨具，其主要缺点：需要保温加热30分钟左右，并且一次烧结的产品数量在1-10个左右，这就造成的能源的大量消耗，生产效率减低。

目前以上述方法生产金属结合剂金刚石砂轮所采用的结合剂体系，主要有：Cu-Sn体系，例如日本专利特开昭58-217271所采用的；Ni-Cu-Sn体系，例如中国专利号200410031285.1所采用的；Al-Cu体系，例如中国专利号200610037510.1所采用的。上述结合剂体系采用的烧结方法为直接热压烧结或半热压，都是外部提供热量达到烧结的目的。为防止金刚石的石墨化，烧结温度一般控制在900℃以下。烧结过程中上述体系结合剂不能产生放热反应，并且结合剂与金刚石磨粒之间不能形成碳化物，因而不能实现牢固结合。虽然在金属结合剂中添加的强碳化物形成元素，有可能与金刚石表面形成碳化物层，提高结合剂对金刚石的把持，但通常碳化物层的形成需要在1200℃的高温下才能实现。所以，在通常的烧结条件下，强碳化物形成元素与金刚石表面很难形成连续均匀的碳化物层。

发明内容

本发明的目的是提供一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法，解决目前金属结合剂金刚石砂轮烧结工艺能量消耗大，生产效率低的问题，同时通过使结合剂与磨料之间形成碳化物，提高金属结合剂对金刚石的把持力，进而提高砂轮的磨削效率和使用寿命。

为了达到上述目的采用以下技术方案：一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，主要包括工作层和非工作层，所述的工作层和非工作层分别包含以下重量份的原料：

工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下，磨料为金刚石，粒度为：70/80～600/700，浓度20％～100％；

非工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份，Al 3～20份，Ti 5～20份，Ni 5～20份，Sn 4～10份，Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下；

以上粒度参见中华人民共和国国家标准GB/T6406-1996的规定，以上浓度参见中华人民共和国国家标准GB/T6409.1-94的规定；

非工作层结合剂的金属粉末与工作层结合剂的金属粉末的组分及组分含量相同。

结合剂的金属粉末为Cu 63～70份、Al 5～10份、Ni 5～12份、Ti 10～15份、Sn 6～10份、Co 3～5份；金刚石浓度75％～100％，粒度80/100～325/400。

结合剂的金属粉末为Cu 63份、Al 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份、Co 3份；金刚石浓度100％，粒度80/100。

制备方法包括以下步骤：

A：将结合剂的金属粉末按照比例称量后放入混料机中充分混合均匀，然后称量非工作层所需结合剂得到非工作层料，称量工作层所需结合剂并加入金刚石充分混合得到工作层料；

B：将砂轮非工作层料和工作层料分别均匀地投入到模具预留的模腔中刮平；并置于压机上压制成型，得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

C：将马弗炉升温至500℃～650℃，迅速将步骤B得到的金刚石砂轮的压坯置于马弗炉中，引发自蔓延反应，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到金刚石砂轮产品。

本发明采用的烧结方法为自蔓延烧结，其主要原理是通过引燃结合剂中的活性成分产生放热化学反应，并依靠放出的热量继续反应，同时通过控制反应的放热温度、反应速度等条件，直接完成所需形状和尺寸的产品的烧结。其过程为：将粉末或压坯直接点燃，点燃后断电，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化。自蔓延烧结的优点主要有：烧结过程所需设备简单，投资少；反应时间短，反应完成快，烧结效率高；整个烧结过程只需点燃即可利用自身放出的热量完成，无需外界再提供能量，能量消耗很少；自蔓延烧结瞬间放出的热量高，有利于形成新物质和提高产物纯度。

本发明主要是利用高温装炉来点燃原材料之间的反应，利用反应放出的热量来达到烧结的目的。结合剂由Cu、Al、Ti、Ni、Sn、Co组成，其中放热反应主要是指Al与Ti、Ni之间的反应，利用他们放出的热量来维持烧结的进行。同时，Cu基金属结合剂中加入Ti元素能够降低胎体与金刚石的接触角，改善胎体与金刚石的粘接强度；Ti元素的加入还能通过对金刚石的化学作用生成碳化物，提高对金刚石的把持力，提高金刚石砂轮的磨削性能和使用寿命。Ni能够与Al发生反应，为整个烧结过程提供更多的热量，Ni还能够对结合剂起到弥散强化的作用，提高结合剂强度，从而提高结合剂对金刚石的把持力。Ni元素加入到Cu-Ti合金中能够进一步提高材料的机械性能。Sn元素为低熔点金属，它的加入能够改善Cu基结合剂自身性能以及结合剂对金刚石的把持力，适应磨削加工要求。Co的加入是为了提高结合剂的强度，以满足磨削加工不同工件的需要。

非工作层的金属粉末与工作层金属粉末体系一致，主要是考虑到使磨具在烧结过程中工作层和非工作层在反应过程中放热一致，避免因工作层放热非工作层不发生放热反应而吸收工作层放出的热量，并有可能导致烧结不彻底；使工作层与非工作层收缩膨胀率一致，防止磨具形状发生变化。

自蔓延反应烧结与上述传统的烧结工艺相比，具有节约能源，生产效率高的优点，并能够降低投资和生产成本；另外，自蔓延烧结过程中瞬间产生高温，金刚石表面与结合剂中的强碳化物形成元素Ti有效形成碳化钛，显著提高结合剂对金刚石的把持力，从而提高砂轮的磨削效率和使用寿命。

具体实施方式

实施例1

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，主要包括工作层和非工作层，所述的工作层和非工作层分别包含以下重量份的原料：

工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下，磨料为金刚石，粒度为：70/80～600/700，浓度20％～100％；

非工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份，Al 3～20份，Ti 5～20份，Ni5～20份，Sn 4～10份，Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下；

非工作层的金属粉末与工作层金属粉末的组分及组分含量相同。

其中，粒度为磨粒可以通过和不能通过的两个相邻筛网的筛孔尺寸，以2.54厘米(1英寸)长度中的筛孔数目，并简称为目，参见中国国家标准GB/T6406-1996；浓度为金刚石在工作层胎体中分布的密度(即单位体积内所含金刚石的重量)，国标GB/T6409.1-94规定，每立方厘米工作层胎体中含4.4克拉的金刚石时，其浓度为100％，含3.3克拉的金刚石时，其浓度为75％。

制备方法为：将结合剂的金属粉末按照比例称量后放入混料机中充分混合均匀，然后称量非工作层所需结合剂得到非工作层料，称量工作层所需结合剂并加入金刚石充分混合得到工作层料；将砂轮非工作层料和工作层料分别均匀地投入到模具预留的模腔中，刮平；并置于压机上压制成型，得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；将金刚石砂轮的压坯置于升温至500℃～650℃的炉中，使其快速升温，引燃砂轮工作部分和非工作部分成型料中Al与Ti、Al与Ni之间的反应，当红外测温系统显示温度超过炉温50℃即可以判定反应开始，断开电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，进而达到烧结的目的，即自蔓延反应，随炉冷却至室温，即得到金刚石砂轮产品。

其中，混料机可以是磨料磨具行业现有技术中已知的任何形式的混料机。

实施例2

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为

(砂轮厚度)×10mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 63份、Al 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份。

金刚石浓度：100％，粒度70/80。

制备方法包括以下步骤：

1.将结合剂中各种金属粉末按照比例称量后，放入到混料机中，加入湿润剂液体石蜡混合均匀，时间为40分钟；

2.称出工作层所需结合剂，加入金刚石充分混合均匀，时间30分钟；

3.将得到的工作层料和非工作层料按照模具预留的位置，装入钢模中压制成型，得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

4.将压坯置于升温至550℃的马弗炉中，引发坯体发生自蔓延反应，在空气中自由烧结，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到所需的金刚石砂轮。

其他同实施例1。

实施例3

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为(砂轮厚度)×10mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 69份、Al 5份、Ni 10份、Ti 5份、Sn 8份、Co 3份。

金刚石浓度：75％，粒度140/170。

制备方法包括以下步骤：

1.将各种结合剂金属粉末按照配方的份额称量后，放入到混料机中，加入湿润剂液体石蜡混合均匀，时间为40分钟；

2.称出工作层所需结合剂，加入金刚石充分混合均匀，时间30分钟；

3.将得到的工作层料和非工作层料按照模具预留的位置，装入钢模中压制成型，得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

4.将压坯置于升温至500℃的马弗炉中，引发坯体发生自蔓延反应，在空气中自由烧结，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到所需的砂轮。

其他同实施例1。

实施例4

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为

(砂轮厚度)×10mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 66份、Al 10份、Ni 6份、Ti 12份、Sn 6份。

金刚石浓度：75％，粒度80/100。

具体的制备方法如下：

1.将上述配方所需要的各种结合剂粉末按照配方的份额称量后，放入到混料机中，加入湿润剂液体石蜡混合均匀，时间为40分钟；

2.称出工作层所需结合剂，加入金刚石充分混合均匀，时间30分钟；

3.将步骤2得到的工作层和非工作层结合剂按照模具预留的位置，装入钢模中压制成型得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

4.将步骤3得到的坯体，置于升温至600℃的马弗炉中，引发坯体发生自蔓延反应，在空气中自由烧结，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到所需的砂轮。

其他同实施例1。

实施例5

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为

(砂轮厚度)×10mm(内孔)×3mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 67份、Al 7份、Ni 10份、Ti 10份、Sn 6份。

金刚石浓度：100％，粒度325/400。

具体的制备方法如下：

1.将上述配方所需要的各种结合剂粉末按照配方的份额称量后，放入到混料机中，加入湿润剂液体石蜡混合均匀，时间为40分钟；

2.称出工作层所需结合剂，加入金刚石充分混合均匀，时间30分钟；

3.将步骤2得到的工作层和非工作层结合剂按照模具预留的位置，装入钢模中压制成型得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

4.将压坯置于升温至650℃的马弗炉中，引发坯体发生自蔓延反应，在空气中自由烧结，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到所需的砂轮。

其他同实施例1。

实施例6

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为

(砂轮厚度)×20mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 51份、Al 15份、Ni 18份、Ti 12份、Sn 4份。金刚石浓度：50％，粒度450/500。

其他同实施例1。

实施例7

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为(砂轮厚度)×25.4mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 74份、Al 10份、Ni 5份、Ti 7份、Sn 4份。金刚石浓度：25％，粒度270/325。

其他同实施例1。

实施例8

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，砂轮规格为

(砂轮厚度)×20mm(内孔)×5mm(工作层环宽)；

结合剂中含有以下重量份的金属粉末：Cu 58份、Al 6份、Ni 10份、Ti 18份、Sn 5份、Co 3份。金刚石浓度：50％，粒度500/600。

其他同实施例1。

实施例9

一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，结合剂的金属粉末为Cu 63～70份、Al 5～10份、Ni 5～12份、Ti 10～15份、Sn 6～10份、Co 3～5份；金刚石浓度75％～100％，粒度80/100～325/400。

其他同实施例1。

Claims (4)

1.一种自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，主要包括工作层和非工作层，其特征是所述的工作层和非工作层分别包含以下重量份的原料：

工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下，磨料为金刚石，粒度为：70/80～600/700，浓度20％～100％；

非工作层结合剂的金属粉末为Cu 50～80份，Al 3～20份，Ti 5～20份，Ni 5～20份，Sn 4～10份，Co 0～5份，金属粉末平均粒径为38微米以下；

以上粒度参见中华人民共和国国家标准GB/T6406-1996的规定，以上浓度参见中华人民共和国国家标准GB/T6409.1-94的规定；

非工作层结合剂的金属粉末与工作层结合剂的金属粉末的组分及组分含量相同。

2.根据权利要求1所述的自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，其特征是：结合剂的金属粉末为Cu 63～70份、Al 5～10份、Ni 5～12份、Ti 10～15份、Sn 6～10份、Co 3～5份；金刚石浓度75％～100％，粒度80/100～325/400。

3.根据权利要求1所述的自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，其特征是：结合剂的金属粉末为Cu 63份、Al 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份、Co 3份；金刚石浓度100％，粒度80/100。

4.根据权利要求1或2或3所述的自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮，其特征是制备方法包括以下步骤：

A：将结合剂的金属粉末按照比例称量后放入混料机中充分混合均匀，然后称量非工作层所需结合剂得到非工作层料，称量工作层所需结合剂并加入金刚石充分混合得到工作层料；

B：将砂轮非工作层料和工作层料分别均匀地投入到模具预留的模腔中刮平；并置于压机上压制成型，得到金属结合剂金刚石砂轮的压坯；

C：将马弗炉升温至500℃～650℃，迅速将步骤B得到的金刚石砂轮的压坯置于马弗炉中，引发自蔓延反应，然后关闭电源，不加外来载荷，凭自身反应放热进行烧结和致密化，最后随炉冷却至室温，即得到金刚石砂轮产品。