CN102267190A - 节块式复合超硬刀头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节块式复合超硬刀头及其制造方法，所述节块式复合超硬刀头包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片；在烧结形成刀头前，需要将制备用的原材料混合均匀，由于对节块式复合超硬刀头采用分层叠片设置，在每个叠片内极易混合均匀，烧结后整体刀头各部分的硬度和耐磨性一致性大大提高，从而延长了刀头的使用寿命。

Description

节块式复合超硬刀头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过烧结制造的节块式刀头(亦称工作齿)，主要涉及超硬材料切割/钻削工具中的节块式刀头，还涉及其该节块式刀头的制造方法。

背景技术

超硬材料制品大量应用于航空航天、汽车、机械、建筑、石材、陶瓷、电子、光学玻璃等众多行业，是国民经济的重要支柱行业之一。超硬材料工具(超硬材料锯片、工程钻头等)则更广泛应用于石材、陶瓷及钢筋混凝土构件的加工，是目前其它工具所无法取代的有效加工工具。目前，用于加工石材、钢筋混凝土及建筑陶瓷等超硬材料制品中的中小径锯片(＜Φ600mm)及工程薄壁钻的刀头结构型式基本为一体式刀头，如图3、图4、图5和图6所示，其缺点是整个刀头1的金属结合剂和超硬磨粒比重不同，很难混合均匀，烧结后造成刀头1各部分的硬度和耐磨性不一致，大大缩短了刀头的使用寿命。

但这类刀头目前普遍存在的突出问题是：(1)受原材料质量、制造工艺技术及配方设计技术等因素限制，金属结合剂烧结胎体对金刚石的机械把持力不足，在工作过程中金刚石极易脱落，导致金刚石工具的锋利度和使用寿命均达不到理想状态，金刚石的利用率不足30％，极大的限制了工具性能的发挥；(2)在切割/钻削过程中刀头1顶部外缘所受磨损大，磨耗较快，极易形成中凸外凹的尖顶倒U形，导致刀头1工作失稳，容易切偏/钻偏，切缝宽大，加工质量大幅度降低。同时，一旦刀头1磨损后呈倒“U”状，则刀头顶部中间的凸出部位在后续的连续工作过程中所受摩擦阻力及撞击力会更大，加速刀头胎体的磨损，金刚石脱落率也会随之增大，这就进一步降低了工具的锋利度和使用寿命。这种倒“U”状刀头体现在石材锯片上，在切割石板时会使切缝加大，加工精度降低，导致成品石板的宽度尺寸减小，废品率增加；体现在混凝土锯片上，切缝加宽，易切偏，切缝的直线度不易保证，操作人员的操控难度增加，同时，若产生偏切，刀头还会受到侧向力的挤压，很容易将刀头掰掉，导致锯片失效。倒“U”状刀头体现在薄壁钻上，会使钻隙加宽，钻头在压力作用下易产生横向摆动，影响直线钻进，经常出现钻削失稳、掉刀齿、憋钻、卡钻、钻芯卡塞等一系列弊病。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种刀头内超硬磨粒均匀布置、耐磨度高的节块式复合超硬刀头。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：节块式复合超硬刀头，包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片。

作为一种优选的技术方案，所述叠片包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼。

作为一种优选的技术方案，所述超硬磨粒在所述刀头中的体积比浓度为9％～60％。

作为一种优选的技术方案，所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20％～95％，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5％～80％。

作为一种优选的技术方案，所述金属结合剂的基础成分体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末。

作为一种优选的技术方案，所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素。

作为一种优选的技术方案，所述刀头的表层叠片超硬磨粒的体积比浓度高于所述刀头的内层叠片超硬磨粒的体积比浓度。

由于采用了上述技术方案，节块式复合超硬刀头，包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片；在烧结形成刀头前，需要将制备用的原材料混合均匀，由于对节块式复合超硬刀头采用分层叠片设置，在每个叠片内极易混合均匀，烧结后整体刀头各部分的硬度和耐磨性一致性大大提高，从而延长了刀头的使用寿命。

所述叠片包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼；金刚石对混凝土具有很好的切割性能，立方氮化硼对钢筋具有很好的切割性能，金刚石和立方氮化硼配合使用，金刚石主攻混凝土，立方氮化硼主攻钢筋，可大幅度提高超硬材料制品加工混凝土构件的效率及寿命，拓宽超硬材料制品的应用范围，不仅适合于湿切/湿钻，还能适合于干切/干钻，较好的满足现代条件下的家庭装修工程对干切/干钻的工况条件要求。

所述叠片的表层叠片的硬度大且耐磨性高，在使用过程中，不易被磨损，使用寿命长；所述内层叠片和所述表层叠片的差异化设计，使所述内层叠片的硬度和耐磨性低于所述表层叠片，导致刀头在使用过程中，所述内层叠片磨损要快于所述表层叠片的磨损，形成“U”状头部，减小刀头在加工过程中的切割/钻削阻力，使刀头在与被加工件紧密接触的连续加工过程中始终像车轮置于轨道上一样保持准确的加工轨迹和加工精度，提高超硬磨粒的利用率，改善工具的锋利度和使用寿命。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种节块式复合超硬刀头的制造方法。

节块式复合超硬刀头的制造方法，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述表层叠片胚体；

步骤二：将制造所述内层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述内层叠片胚体；

步骤三：将两个所述表层叠片胚体和至少一个所述内层叠片胚体按要求组装，然后将组装好的胚体放入热压烧结模具中烧结为一体，制成节块式复合超硬刀头。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供另一种节块式复合超硬刀头的制造方法。

节块式复合超硬刀头的制造方法，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤二：将制造所述内层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤三：将制造所述表层叠片和所述内层叠片的混合粉末分层投放到热压烧结模具中，直接热压烧制节块式复合超硬刀头。

上述两种制造方法较为简单，完全适用于制造本发明的节块式复合超硬刀头。

附图说明

图1是本发明实施例中锯片刀头的结构示意图；

图2是本发明实施例中薄壁钻刀头的结构示意图；

图3是现有技术中一体式刀头锯片的结构示意图；

图4是图3中一体式刀头的结构示意图；

图5是现有技术中一体式刀头薄壁钻的结构示意图；

图6是图5中一体式刀头的结构示意图；

图中：1-刀头；11-表层叠片；12-内层叠片；2-刀体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，节块式复合超硬刀头，包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片，所述叠片包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，在刀头1的所有叠片中，表层叠片11超硬磨粒的体积比浓度高于内层叠片12超硬磨粒的体积比浓度；所述金属结合剂的基础成分体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末；所述超硬磨粒在所述刀头1中的体积比浓度为9％～60％；所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼，所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20％～95％，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5％～80％。

为了增强刀头1的表面硬度，提高刀头1的耐磨性，所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素，在热压反应烧结刀头1的过程中，Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素与金属结合剂反应，在刀头1的侧表明形成硬质耐磨相，增强刀头1表面耐磨性，延长工具寿命，提高加工精度。

采用上述技术处理后，与其它常规工艺生产的刀头相比，本发明刀头1具备了下述突出优点：

①刀头1采用层叠式设计结构，内层叠片12和表层叠片11之间具有性能差异，表层叠片11超硬磨粒浓度高、金属结合剂烧结胎体的表面硬度高，因而表层叠片11的切割/钻削能力强，耐磨性好，可有效保证工具的加工精度、锋利度和使用寿命。

②采用层叠式设计结构，大大增加了工具的设计灵活性，拓宽了工具的适用范围。

③所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素后，刀头1外侧表面经热压反应生成的耐磨硬化层不仅具有较高的耐磨性，与胎体金属组分相比，还具有良好的耐热抗氧化性，可有效防止刀头表面的氧化烧蚀，在工具的连续加工过程中可有效增强烧结胎体对金刚石的机械把持力，提高金刚石的利用率，大大改善工具的加工效率和使用寿命。

④层叠式刀头在加工过程中所形成的U形结构，可有效保证工具的加工精度，提高工具的锋利度和使用寿命。

下面介绍两种节块式复合超硬刀头的制造方法。

方法一：

节块式复合超硬刀头的制造方法，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片11的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述表层叠片11胚体；

步骤二：将制造所述内层叠片12的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述内层叠片12胚体；

步骤三：将两个所述表层叠片11胚体和至少一个所述内层叠片12胚体按要求组装，然后将组装好的胚体放入热压烧结模具中烧结为一体，制成节块式复合超硬刀头。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供另一种制造节块式复合超硬刀头的制造方法。

方法二：

节块式复合超硬刀头的制造方法，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片11的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤二：将制造所述内层叠片12的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤三：将制造所述表层叠片11和所述内层叠片12的混合粉末分层投放到热压烧结模具中，直接热压烧制节块式复合超硬刀头。

下面结合实验数据对本发明做进一步的说明。

应用实例一：

Φ400mm层叠式刀头花岗岩锯片(内层叠片12为低浓度金刚石)

采取方法一，制造图1结构的(长)40mm×(高)10mm×(宽)3.2mm的层叠式花岗岩锯片刀头，金属结合剂基础合金体系确定为Fe-Ni-Cu-Sn，由预合金粉末与单质金属粉末混配应用。刀头结构为三层叠片，各层间的金属结合剂成分相同，但两个厚度为1.1mm的所述表层叠片11的金刚石体积浓度为22％，而厚度为1mm的所述内层叠片12的金刚石体积浓度为16％。各组分的叠片经冷压成型后，组装于热压模具中，在热压烧结机上860℃加压烧结，制造出成品烧结刀头。将成品烧结刀头经开刃后焊于材质为65Mn钢的圆形锯片刀体2上，生产出Φ400mm锯片，每片28粒刀头。外叠层刀头经热压烧结后，在外侧表面反应生成为厚度约为0.2mm的Fe₃C硬质耐磨层，外表面硬化区域的平均硬度为HRB112。

用此锯片湿切厚度为20mm的花岗岩板材，切机功率为4kw，转动线速度为36m/min。锯片的锋利度极好，刀头在切割过程中能始终保持为U形，厚度基本不变，外侧表面的金刚石基本无脱落，切割过程平稳顺畅，在切割电流为15～20A的条件下，切割速度可达5m/min以上，切割寿命为220m²。此锯片的突出特点是切割速度始终如一，切缝宽度基本不变，切割直线度好，切割板材的尺寸精度可始终保持在±1mm以内，板材的成品率可由90％左右提高至98％以上。

应用实例二：

Φ400mm层叠式刀头花岗岩锯片(内层叠片12不含超硬磨粒)

依据方法一，制造锯片刀头，刀头的金属结合剂成分、金刚石浓度、尺寸大小、结构形式及制造工艺与应用实例一相同，所不同的是，本应用实例中的所述内层叠片12不含超硬磨粒，仅为金属结合剂组分。将烧制后的此种刀头焊于钢质刀体2上，制造出成品锯片。用此锯片切割与实施例一相同的花岗岩板材，在相同的切割条件下，锯片的锋利度较应用实例一有所提高，其切割速度可超过5.5m/min，切割过程中刀头的U型槽较深，锯片切割过程十分平稳顺畅，板材的切缝平直，加工尺寸精度可始终保持在±1mm以内，板材的加工成品率可达99％，锯片的切割寿命为196m²。与应用实例一类似，此种结构型式刀头的锋利度较实施例一会有进一步的提高，切割加工精度高，但加工寿命有所降低。

应用实例三：

Φ400mm层叠式刀头混凝土锯片(内层叠片12为低浓度金刚石)

采用方法一，制造图1结构的(长)40mm×(高)12mm×(宽)3.6mm的层叠式混凝土锯片刀头。刀头金属结合剂的合金体系为Fe-Ni-Cu-Sn-W，超硬磨粒为单一组分的金刚石，冷压成型后组装的所述表层叠片11的金刚石体积浓度为25％，所述内层叠片12金刚石的体积浓度为18％。用此结构型式的刀头制作Φ400mm混凝土锯片。使用电机功率为4KW的切机，转动线速度为36m/min，湿切不含钢筋的厚度为70mm(上部为30mm厚的含砂石硬化的C35水泥混凝土层)的C25水泥地坪，切割电流为15～20A，切割速度可达1.5m/min，切割寿命为2300m。此锯片在切割过程中能始终保持良好的锋利度，切速平稳，切缝平直，效率高，寿命长。

应用实例四：

Φ400mm层叠式刀头钢筋混凝土锯片(内层叠片12为低浓度的金刚石与立方氮化硼CBN)

采用本发明的方法一制造图1结构的(长)40mm×(高)12mm×(宽)3.6mm的层叠式混凝土锯片刀头。刀头合金体系为Fe-Ni-Cu-Sn-W；超硬磨粒为金刚石与立方氮化硼CBN组合磨粒，表层叠片11超硬磨粒的总体积浓度为26％(70％金刚石，30％立方氮化硼CBN)，内层叠片12超硬磨粒的体积浓度为20％(60％金刚石，40％立方氮化硼CBN)。用此结构型式的刀头制造Φ400mm的钢筋混凝土锯片，湿切含两层φ8mm钢筋网的水泥预制板，切机条件与应用实例三相同，切割电流为15～20A，切割速度为0.6～0.8m/min，切割过程平稳，切速均匀稳定，钢筋切面平滑整齐，锯片寿命超过600延长米，锯片的整体效能及性价比优势较为明显。

应用实例五：

Φ63mm层叠式刀头薄壁钻(内层叠片12为低浓度金刚石)

根据本发明的技术方案设计三层叠层刀头，制造尺寸为12mm(长)×8mm(高)×3mm(厚)的刀头。采用方法二，将金属粉末结合剂与金刚石的混合粉体在热压模具中直接分层装料，制造图2型式的三叠层刀头。表层叠片11金刚石的体积浓度为22％，内层叠片12的金刚石体积浓度为16％，制作八齿均布的Φ63mm薄壁钻头。用此钻头在电机功率为3.8KW，转速为2200转/min的台式钻机上湿钻厚200mm、含四层φ16mm螺纹钢的C35水泥混凝土构件，其钻削速度为15min/孔，钻削数量超过60孔。钻头在工作过程中钻削平稳，速度均匀，遇到钢筋时不出现钻速骤减甚至打滑、钻不动的现象；钻芯表面及钢筋切面十分平滑，表明钻头具有良好的锋利性。用此种钻头干钻厚度为300mm砖墙，钻进速度平均为100mm/min，钻孔数量超过240个。

应用实例六：

Φ63mm层叠式刀头薄壁钻(内层叠片12为低浓度的金刚石和立方氮化硼CBN)

采用本发明的技术方案制造三叠层的图2型式的薄壁钻刀头，刀头尺寸为20mm(长)×10mm(高)×4mm(厚)。金属结合剂的基础合金体系设计为Fe-Co-Cu-Sn，超硬磨粒设计为金刚石和立方氮化硼CBN混配组合。表层叠片11超硬磨粒的体积浓度为20％(60％金刚石和40％立方氮化硼CBN)，内层叠片12超硬磨粒的体积浓度为16％(50％金刚石和50％立方氮化硼CBN)。采用方法一，将金属结合剂与超硬磨粒的混合粉体分层投料于钢制冷压模具中先进行冷压成型，然后再将冷压胚体置于热压模具中进行热压烧结，制造成品刀头，如图5所示，将刀头焊于圆形钢质刀体2上，制作成品薄壁钻头。用此钻头在与实施例五相同的工况条件湿钻厚200mm、含4层φ16mm螺纹钢的C35水泥混凝土构件，其钻削速度为15min/孔，钻削数量超过60孔。钻头在工作过程中锋利性较好，钻削平稳，遇到钢筋时也能保持匀速钻进。用此钻头在手持工程水钻机上钻厚度300mm的钢筋混凝土墙壁时，钻进过程平稳省力，平均钻速为15min/孔，钻削数量超过65孔。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.节块式复合超硬刀头，其特征在于：包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片。

2.如权利要求1所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述叠片包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼。

3.如权利要求2所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述超硬磨粒在所述刀头中的体积比浓度为9％～60％。

4.如权利要求3所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20％～95％，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5％～80％。

5.如权利要求2所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述金属结合剂的基础成分体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末。

6.如权利要求5所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素。

7.如权利要求2至6任一权利要求所述的节块式复合超硬刀头，其特征在于：所述刀头的表层叠片超硬磨粒的体积比浓度高于所述刀头的内层叠片超硬磨粒的体积比浓度。

8.如权利要求7所述的节块式复合超硬刀头的制造方法，其特征在于，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述表层叠片胚体；

步骤二：将制造所述内层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀，然后将混合粉末在模具中冷压成所述内层叠片胚体；

步骤三：将两个所述表层叠片胚体和至少一个所述内层叠片胚体按要求组装，然后将组装好的胚体放入热压烧结模具中烧结为一体，制成节块式复合超硬刀头。

9.如权利要求7所述的节块式复合超硬刀头的制造方法，其特征在于，包含下述步骤：

步骤一：将制造所述表层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤二：将制造所述内层叠片的金属结合剂和超硬磨粒材料按照比例混合均匀；

步骤三：将制造所述表层叠片和所述内层叠片的混合粉末分层投放到热压烧结模具中，直接热压烧制节块式复合超硬刀头。

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