CN102001056A - 一种钎焊-热压烧结金刚石工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磨削工具，特别是一种钎焊-热压烧结金刚石工具，由钢基体和金刚石刀头组成，所述金刚石刀头结构为多层垂直于刀头工作面的合金层，该合金层由两种不同配方的合金胎体经真空热压烧结的方法制成，各合金胎体层内有预定排列的金刚石磨粒层；其中刀头两侧外层为钎焊合金胎体层(1)，钎焊合金胎体层(1)内有单层预定排列的金刚石磨粒层；刀头中间层为预合金胎体层(2)，预合金胎体层(2)内有单层或多层预定排列的金刚石磨粒层。本发明解决了多层钎焊工具被很厚的焊料层覆盖造成出刃效果不佳的问题，又解决了烧结金刚石工具对金刚石把持力不够，造成金刚石过早脱落的问题，从而大大提高了金刚石工具的使用寿命和加工效率。

Description

一种钎焊-热压烧结金刚石工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及磨削、抛光或刃磨用的工具，具体涉及一种钎焊-热压烧结金刚石工具及其制造方法。

背景技术

金刚石的高硬度和优良物理机械性能使得金刚石工具成为加工各种坚硬材料不可缺少的有效工具，主要用于石材、混凝土、PVC、玻璃、陶瓷、水晶、硬质合金等材料的切割，包括金刚石锯片、金刚石绳锯串珠、雕刻用金刚石指状铣刀、钻孔用金刚石钻头。金刚石工具目前按制造方法和工艺通常可分为电镀、烧结和钎焊工具产品，各种不同工艺制造的金刚石工具各有优劣。电镀金刚石工具电镀工艺简单，制作容易，但电镀金刚石工具上电沉积的镀层金属与磨料和磨具基体的界面上均不存在牢固的化学冶金结合，磨料只是被机械包覆在镀层与基体之间，因此金属镀层对金刚石磨粒的把持力小，极容易因磨料脱落和镀层成片剥离导致砂轮的整体失效。

烧结金刚石工具是预合金粉末胎体和金刚石颗粒混合压坯烧结而成，金刚石孕镶在预合金粉末胎体中，金刚石与一般金属合金之间具有很高的界面能，金刚石颗粒不能为一般低熔点合金所浸润，粘结性差。在传统的制造技术中，金刚石颗粒仅靠胎体收缩后产生的机械夹持力镶嵌于胎体金属基中，而没有形成牢固的化学键结或冶金结合，导致金刚石颗粒在工作中易与胎体金属基分离，大大降低了金刚石工具的寿命及性能水平。大部分孕镶式工具中金刚石的利用率较低，大量昂贵的金刚石在工作中脱落流失于废屑之中。因此，不少人致力于在烧结过程中实现金刚石表面金属化的研究，在胎体材料中添加或在金刚石表面预粘上强碳化物金属粉末(这种金刚石在未加热前，并未与镀层发生化学反应，只能属于金刚石包衣)，以期望它们在烧结过程中实现对金刚石的化学键结合。但在固相烧结条件下(有时有少量低强度低熔点的金属或合金液相)，胎体对金刚石的化学键结或冶金结合力非常弱甚至根本不会形成，镀覆后的金刚石在烧结成锯(钻)齿后，其折断面上暴露出的金刚石失去了镀层，而脱落金刚石的残留坑表面十分光滑，这种现象说明了金刚石与胎体还未能达到化学包镶的水平。因而即使实现了金刚石的表面预金属化，传统的固相粉末冶金烧结法也不可能实现金刚石与胎体材料间的牢固结合。因此这种工具表面上的金刚石磨料在重负荷作业时都会因把持力不够而过早脱落，磨料利用率低。同时，金刚石在刀头上分布没有规律，不能有效发挥工间形状结构特点，工具切削负荷不均匀，直接导致切削效率低。但从另一方面来讲，由于胎体包镶着多层无序排列的金刚石，因此烧结工具的切削寿命要比单层的电镀、钎焊工具高很多。

上个世纪八十年代末，人们开始探索钎焊技术用于金刚石工具制作。采用在金刚石表面涂覆某些过渡族元素(如Ti、Cr、W等)作为结合剂，并与其发生化学反应，在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是金刚石钎焊的原理。从已发表的专利和文章中可以看出，该技术可使金刚石最大出刃值达到粒径的2/3，工具寿命提高3倍以上，而常规下该值不足1/3，允许出刃值可用开刃作业达稳定出刃值时来获取。所以，采用钎焊技术可望实现胎体金属(钎料)、母体材料(金刚石)、钢基体之间的牢固结合。该方法中金刚石磨粒钎焊在金属基体周面上，解决了工具上金刚石磨粒把持力不够的问题，同时也带来新的问题：这种钎焊金刚石工具，由于金刚石钎焊锯片粘结金刚石的面仅为锯片外圆周面，单层超硬材料涂敷的产品仅有一层超硬材料，整体使用寿命很低；多层超硬材料涂敷的产品因超硬材料被很厚的焊料层所覆盖，其出刃效果不佳，影响切削效率。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种金刚石工具，该金刚石工具不仅实现了金刚石与结合剂、合金胎体间牢固的化学冶金结合，而且实现了金刚石在预合粉金胎体三维空间内的预定有序分布。

本发明的另一目的在于提供了一种金刚石工具的制造方法，采用钎焊和真空热压烧结相结合的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种钎焊-热压烧结金刚石工具，由钢基体和金刚石刀头两部分组成，其特征为：所述金刚石刀头结构为多层垂直于刀头工作面的合金层，该合金层由两种不同配方的合金胎体经真空热压烧结的方法制成，各个合金胎体层内有预定排列的金刚石磨粒层；其中：刀头两侧外层为钎焊合金胎体层1，钎焊合金胎体层1内有单层预定排列的金刚石磨粒层；刀头中间层为预合金胎体层2，预合金胎体层2内有单层或多层预定排列的金刚石磨粒层。所述钎焊合金胎体层1的成分按重量百分比为：Cr：3-20％，B：2-5％，Si：2-5％，其余为Ni。所述金刚石刀头中间层的预合金胎体层2的成分按重量百分比为：Co：8-12％，Cu：20-30％，Ni：12-18％，其余为Fe。所述金刚石刀头中间层的钎焊合金胎体层1与预合金胎体层2的厚度比为1∶1-1∶5。所述金刚石刀头中间层为单层金刚石磨粒的合金胎体层与单层金刚石磨粒的钎焊合金层交替分布。所述金刚石刀头中间层为多层金刚石磨粒的合金胎体层与单层金刚石磨粒的钎焊合金层交替分布。

一种钎焊-热压烧结金刚石工具的制造方法，采用钎焊和真空热压烧结结合的方法，其特征为：将钎焊合金粉及预合金胎体粉分别压制成预先设定的带圆坑的刀头小薄片，金刚石刀头毛坯由多个上述小薄片叠合而成，所述预先设定的圆坑位于多个刀头小薄片的相邻表面上；在上述圆坑中填入金刚石磨粒得到带金刚石的刀片毛坯，然后将不同成分的刀片毛坯按如下组合方式进行叠合成为刀头毛坯：刀头外层为单层钎焊合金层毛坯，刀头中间层为交替排列的钎焊合金层与预合金胎体粉层，这些钎焊合金层和预合金胎体粉层为单层小薄片或多层小薄片；将得到的刀头毛坯放入真空度为10^-3-10^-2MPa的真空炉热压烧结，先加热至650-750℃，保温15-25分钟，然后继续升温至850-920℃，保温40-50分钟，热压压力为20-25MPa，再带压随炉缓慢冷却至250℃以下。所述钎焊合金的成分按重量百分比为：Cr：3-20％，B：2-5％，Si：2-5％，其余为Ni。所述预合金胎体粉的成分按重量百分比为：Co：8-12％，Cu：20-30％，Ni：12-18％，其余为Fe。所述刀头中间层为单层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布。所述刀头中间层为多层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布。

烧结金刚石工具一般是由钢基体和金刚石刀头两部分组成，而金刚石刀头又是由金刚石颗粒和一种预合金胎体粉混合烧结而成，胎体金属基对金刚石的粘结性(胎体的包镶能力)是影响金刚石工具使用寿命和性能的主要因素之一，因此多层烧结金刚石工具中胎体材料的选择和热压工艺是其中较为关键的环节，基本要求为：烧结体应具有优良的冲击性能和适当的硬度，以保证对所包裹的金刚石形成良好的机械啮合和对岩石适度的抗磨损能力；能够在较低的烧结温度(一般不超过950℃)下和较短的保温时间(一般不超过5分钟)内完成满足上述性能要求的粉末冶金过程，以减缓金刚石单晶的劣化趋势。

常规的金刚石刀头在刀头厚度方向可视为多层无序排列的金刚石胎体层，在本发明的技术方案中，预合金胎体粉是由两种不同的胎体配方组成，其刀头结构为：刀头厚度方向由多层金刚石预定排列式胎体层组成，金刚石颗粒被均匀有序的布置在各层胎体里，在刀头外层的胎体配方的特征在于：钎焊合金胎体所含成分重量百分比为Ni：70-92％，Cr：3-20％，B：2-5％，Si：2-5％；Cr熔点低，并可与金刚石发生化学反应，在表面形成碳化物。刀头中间层胎体粉所含成分重量百分比为其粉金所含成分重量百分比为：Fe：45-52％，Co：8-12％，Cu：20-30％，Ni：12-18％，Co可以与金刚石界面形成冶金联结作用，提高金刚石的把持力，提高切削寿命，两种不同粉金压坯组合复压后放入真空炉热压烧结，在真空度10^-3-10^-2MPa条件下，将冷压成型后的刀头压坯起始烧结温度为650-750℃，保温15-25分钟，然后继续升温至850-920℃，保温40-50分钟，热压压力为20-25MPa，再带压随炉缓慢冷却至250℃以下。

本发明的钎焊-热压烧结金刚石工具按以下步骤制造如下：

首先将钎焊合金粉、预合金胎体粉和金刚石分别制成200-300目的颗粒状，然后，把钎焊合金粉及预合金胎体粉分别压制成预先设定的带圆坑的刀头小薄片，随后在这些薄片圆坑上布上金刚石，保证每个圆坑里正好掉入一颗金刚石，金刚石刀头毛坯由多层带金刚石的小薄片叠合而成；然后将不同成分的毛坯按本发明的组合方式进行叠合成为刀头毛坯：刀头外层为单层钎焊合金层毛坯，中间为交替排列钎焊合金层与预合金胎体粉层，这些钎焊合金层和/或预合金胎体粉层为单层小薄片或多层小薄片。即中间层为(1)单层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布；或(2)多层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布。

将上述组合得到的刀头毛坯经冷压成型后，将冷压成型后的刀头压坯放在真空度为10^-3-10^-2MPa的真空热压烧结炉内加热至650-750℃，保温15-25分钟，然后继续升温至850-920℃，保温40-50分钟，热压压力为20-25MPa，再带压随炉缓慢冷却至250℃以下，这样便造出本发明钎焊-热压烧结金刚石工具所需的刀头。

与现有技术相比，采用上述方案后，本发明得到的钎焊-热压烧结金刚石工具解决了烧结金刚石把持力低、多层钎焊出刃效果不好的工艺难题，实现刀头胎体材料与金刚石牢固的化学冶金结合，并保持了优良的出刃效果，大大提高了金刚石工具的切削寿命和切削速度。

附图说明

图1为本发明的实施例一的示意图及刀头结构的放大图。

图2为本发明实施例二的刀头结构图。

图3为本发明实施例三的刀头结构图。

图4为本发明实施例四的刀头结构图。

附图标记

1为钎焊合金胎体层

2为预合金胎体层

11为金刚石磨粒

具体实施方式

在传统的金刚石工具制造过程中，金刚石刀头是由金刚石磨粒与一种合金胎体粉混合均匀后经预压成型+热压烧结而成，本发明是结合钎焊工具与烧结金刚石工具的优势，实现刀头胎体材料与金刚石牢固的化学冶金结合。并保持了优良的出刃效果，金刚石在金刚石刀头的三维空间上恰当的排列金刚石。

下面结合附图介绍本发明的实施例。

本发明的钎焊-热压烧结金刚石工具在刀头厚度方向是由多层有序排列式金刚石、且至少两种不同配方的合金粉经真空热压烧结而成。

实施例一

如图1所示，该刀头结构中有三层金刚石，两种不同的合金粉组成，金刚石磨粒11可按设计者要求有序的分布在钎焊合金层1和预合金胎体粉2里，钎焊合金层在刀头外侧，本实施例的刀头结构经预压成型后放入真空炉中进行热压烧结，烧结过程中钎焊合金中的活性元素(如Cr、Ti)在金刚石磨粒与金属基体界面上发生溶解、扩散、化合之类的相互作用，从而在刀头外层胎体材料与金刚石形成牢固的化学冶金结合，而刀头内部的预合金胎体层牢牢的把金刚石包镶在金属基体里，该结构的金刚石工具切削过程中形成三明治结构，保持了优良的出刃效果。本发明解决了多层钎焊工具被很厚的焊料层覆盖造成出刃效果不佳的问题，又解决了烧结金刚石工具对金刚石把持力不够，造成金刚石过早脱落的问题。

实施例二

如图2所示，本实施例为一种五层金刚石，两种合金粉组成的刀头结构，金刚石磨粒11按设计者要求均匀有序的分布在钎焊合金粉及预合金胎体粉里，即单层金刚石的钎焊合金层与多层金刚石的预合金胎体层交替布置，钎焊合金1在刀头两侧面，预合金胎体2在刀头内部，该预合金胎体层由三层小薄片叠合而成，得到的刀头经冷压成型后放入真空炉中进行热压烧结。

实施例三

如图3所示，该发明由五层金刚石，两种合金粉组成的刀头结构，在该结构中单层金刚石的钎焊合金层与单层金刚石的预合金胎体层交替布置，外层为钎焊合金层1，第二层为预合金胎体合金层2，第三层又为钎焊合金层1，得到的刀头经冷压成型后放入真空炉中进行热压烧结。

实施例四

如图4所示，该发明有九层金刚石，两种合金粉的刀头结构，在该结构中单层钎焊合金层与多层预合金胎体层交替布置，外层为单层金刚石的钎焊合金层1，第二层为含三层金刚石的预合金胎体层(即三层预合金胎体小薄片)，第三层为单层金刚石的钎焊合金层1，该发明的刀头结构经冷压成型后放入真空炉中进行热压烧结。

最后要说的是，上述钎焊-热压烧结金刚石工具结构及其制造方法的实施例乃是为了方便说明本发明，并非用以限制本发明的范围。凡依本发明申请权利要求书及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (11)

1.一种钎焊-热压烧结金刚石工具，由钢基体和金刚石刀头两部分组成，其特征为：所述金刚石刀头结构为多层垂直于刀头工作面的合金层，该合金层由两种不同配方的合金胎体经真空热压烧结的方法制成，各个合金胎体层内有预定排列的金刚石磨粒(11)层；

其中：刀头两侧外层为钎焊合金胎体层(1)，钎焊合金胎体层(1)内有单层预定排列的金刚石磨粒层；刀头中间层为预合金胎体层(2)，预合金胎体层(2)内有单层或多层预定排列的金刚石磨粒层。

2.如权利要求1所述的钎焊-热压烧结金刚石工具，其特征为：所述钎焊合金胎体层(1)的成分按重量百分比为：Cr：3-20％，B：2-5％，Si：2-5％，其余为Ni。

3.如权利要求1所述的钎焊-热压烧结金刚石工具，其特征为：所述金刚石刀头中间层的预合金胎体层(2)的成分按重量百分比为：Co：8-12％，Cu：20-30％，Ni：12-18％，其余为Fe。

4.如权利要求1所述的钎焊-热压烧结金刚石工具，其特征为：所述金刚石刀头中间层的钎焊合金胎体层(1)与预合金胎体层(2)的厚度比为1∶1-1∶5。

5.如权利要求1所述金刚石刀头中间层为单层金刚石磨粒的合金胎体层与单层金刚石磨粒的钎焊合金层交替分布。

6.如权利要求1所述的钎焊-热压烧结金刚石工具，其特征为：所述金刚石刀头中间层为多层金刚石磨粒的合金胎体层与单层金刚石磨粒的钎焊合金层交替分布。

7.一种如权利要求1所述的钎焊-热压烧结金刚石工具的制造方法，采用钎焊和真空热压烧结结合的方法，其特征为：

将钎焊合金粉及预合金胎体粉分别压制成预先设定的带圆坑的刀头小薄片，金刚石刀头毛坯由多个上述小薄片叠合而成，所述预先设定的圆坑位于多个刀头小薄片的相邻表面上；

在上述圆坑中填入金刚石磨粒得到带金刚石的刀片毛坯，然后将不同成分的刀片毛坯按如下组合方式进行叠合成为刀头毛坯：刀头外层为单层钎焊合金层毛坯，刀头中间层为交替排列的钎焊合金层与预合金胎体粉层，这些钎焊合金层和预合金胎体粉层为单层小薄片或多层小薄片；

将得到的刀头毛坯放入真空度为10^-3-10^-2MPa的真空炉热压烧结，先加热至650-750℃，保温15-25分钟，然后继续升温至850-920℃，保温40-50分钟，热压压力为20-25MPa，再带压随炉缓慢冷却至250℃以下。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征为：所述钎焊合金的成分按重量百分比为：Cr：3-20％，B：2-5％，Si：2-5％，其余为Ni。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征为：所述预合金胎体粉的成分按重量百分比为：Co：8-12％，Cu：20-30％，Ni：12-18％，其余为Fe。

10.如权利要求7所述的制造方法，其特征为：所述刀头中间层为单层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布。

11.如权利要求7所述的制造方法，其特征为：所述刀头中间层为多层金刚石预定排列式合金胎体层与单层金刚石预定排列式钎焊合金层交替分布。

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