CN103878375B - 一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法 - Google Patents

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本发明属于超硬工具制造领域，特别涉及一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法。首先利用激光打孔机在纯铜箔上制作阵列形式的微孔，孔径为金刚石颗粒或CBN颗粒粒径的（1/3）~（2/3）；利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布金刚石颗粒或CBN颗粒，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒；然后喷涂有机粘结剂和过渡层粉末，干燥后得到铜箔层；利用滚压或轧制法制备预合金胎体薄层，并与铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中压制成刀头生坯，放入热压炉中烧结得到定位排列的超硬工具刀头。本发明制备的刀头具有成本低、锋利度高、超硬颗粒与胎体界面结合牢固、寿命长等特点，适合于批量工业化生产。<!--1-->

Description

一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法
技术领域
本发明属于超硬工具制造领域，特别涉及一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法。
背景技术
超硬工具通常采用粉末冶金工艺，将金刚石或CBN（立方氮化硼）颗粒与粘结胎体粉末通过热压或冷压烧结而成，广泛应用于石材、建材、耐火材料、陶瓷、汽车、机械、半导体、磁性材料、复合材料等领域。
传统超硬工具的制造工艺中，金刚石或CBN颗粒在胎体中是随机分布或无序排列的，虽然改进工艺采用包覆制粒和预合金胎体粉末三维混料，或者为了预防金刚石或CBN颗粒偏析而加入浸润剂液体石蜡或蒸馏水等，但都无法从根本上解决金刚石或CBN颗粒在胎体中随机分布的问题。胎体中随机分布的金刚石或CBN很容易产生堆积和偏析：在堆积区，金刚石或CBN得不到有效利用容易导致浪费，特别是零距离多颗粒金刚石或CBN由于把持力不够牢固，在切削过程中几乎不作为而自行脱落；在金刚石或CBN稀少区，由于单颗粒承受工作载荷过大，冲击力大，金刚石或CBN颗粒受冲击力破碎而过早脱落。因此如何使超硬工具在切削过程中，保持金刚石或CBN连续自锐、不断出刃以及工具性能自始自终保持稳定、不衰减；既提高工具切割效率又能保持其寿命不下降，是超硬工具设计者和制造者一直研究的关键问题。
国内外研究人员通过采用金刚石定位排列技术与工艺，使金刚石在工具中得到充分有效的利用，减少工具中金刚石用量，既能提高锯切效率，又能延长工具寿命，同时可以大大提高金刚石工具的加工精度。国外关于定位排列金刚石工具的研究处于快速发展阶段，已经将该技术成功应用于绳锯串珠、刀头、精密砂轮和高端数控刀具的制备中；国内关于金刚石定位排列技术还处在研究开发阶段，研究定位排列超硬工具刀头的制备技术并实现产业化，具有极大的意义。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法。
一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）铜箔的定位打孔：
针对具体定位排列方式，利用激光打孔机在纯铜箔上制作阵列形式的微孔，孔径为超硬颗粒粒径的（1/3）~（2/3）；
（2）超硬颗粒的定位排布：
利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布超硬颗粒，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒；
（3）过渡层粉末的喷涂：
首先在排布超硬颗粒的铜箔表面喷涂有机粘结剂，将过渡层粉末喷涂于铜箔表面，使过渡层粉末胶粘于铜箔表面，利用有机粘结剂使超硬颗粒与过渡层粉末粘结于铜箔上，在50℃～80℃温度下干燥2h～5h后，将铜箔另一面采取同样措施喷涂有机粘结剂和过渡层粉末，得到铜箔层；
（4）粘结合金薄层的压制成型：
采用预合金胎体粉末为原料，通过 辊压或轧制成厚度为0.8mm～1.2mm的薄片，得到粘结合金层；
（5）组合框压成型：
将步骤（4）所制备的粘结合金层与步骤（3）所制备的铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中，利用液压机压制成刀头生坯；
（6）热压烧结：
将压制的刀头生坯在热压炉中烧结，得到定位排列的超硬工具刀头。
所述纯铜箔的厚度为100μm～200μm。
所述超硬颗粒为金刚石颗粒或CBN颗粒，其粒度为100μm～500μm。
所述有机粘结剂为聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或两种。
所述过渡层粉末为由Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Cr、Ti和Si中的多种元素所组成的合金粉末或预合金粉末，其费氏粒度为1μm～10μm。
所述预合金胎体粉末为铁基、铜基或钴基预合金胎体粉末，其氧含量低于2500ppm。
所述热压炉烧结的升温速度为2℃/min～3℃/min，烧结温度为700℃～930℃，烧结时间为3min～10min。
本发明的有益效果为：
1、相比传统超硬工具刀头，发明了一种定位排列的超硬工具刀头，昂贵的超硬颗粒用量减少、成本降低，刀头锋利度提高，工具寿命提高2倍～5倍；
2、过渡层粉末在烧结时与超硬颗粒发生界面反应，提高超硬颗粒与粘结合金层之间的界面结合强度；
3、利用有机粘结剂使超硬颗粒、过渡层粉末与铜箔粘结，实现物料的均匀分布，进而提高工具的锋利度和切削性能；
4、采取的工艺过程简单，易于实现批量工业化生产。
具体实施方式
实施例1
选择平均粒度为300μm的金刚石颗粒为原料，利用激光打孔机在厚度为150μm的纯铜箔上制作W型排列方式的微孔，孔径为180μm。利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布金刚石，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒。然后依次喷涂质量分数为3％的聚乙烯醇溶液、粒度为3μm的CuSnTi过渡层粉末，过渡层厚度为0.2mm，于60℃温度下干燥3h，将铜箔另一面同样喷涂粘结剂和过渡层粉末，得到铜箔层。采取CuSn10预合金胎体粉末为原料， 辊压成厚度为1.0mm的薄片，得到粘结合金层。将所制备的粘结合金层与铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中，利用液压机压制成刀头生坯。将压制的刀头生坯在热压炉中烧结，升温速度为2℃/min，烧结温度为730℃，烧结时间为5min，得到定位排列的铜基金刚石工具刀头。
实施例2
选择平均粒度为350μm的金刚石颗粒为原料，利用激光打孔机在厚度为150μm的纯铜箔上制作V型排列方式的微孔，孔径为200μm。利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布金刚石，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒。然后依次喷涂质量分数为3％的聚乙烯醇溶液、粒度为3μm的CuSnTi过渡层粉末，过渡层厚度为0.2mm，于65℃温度下干燥2.5h，将铜箔另一面同样喷涂粘结剂和过渡层粉末，得到铜箔层。采取FeCuZnSn预合金胎体粉末为原料， 辊压成厚度为1.0mm的薄片，得到粘结合金层。将所制备的粘结合金层与铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中，利用液压机压制成刀头生坯。将压制的刀头生坯在热压炉中烧结，升温速度为2℃/min，烧结温度为820℃，烧结时间为7min，得到定位排列的铁基金刚石工具刀头。
实施例3
选择平均粒度为300μm的CBN颗粒为原料，利用激光打孔机在厚度为200μm的纯铜箔上制作M型排列方式不同阵列形式的微孔，孔径为150μm。利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布CBN颗粒，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒。然后依次喷涂质量分数为1％的聚乙二醇溶液、粒度为4μm的CuNiSnTiCr过渡层粉末，过渡层厚度为0.2mm，于70℃温度下干燥2h，将铜箔另一面同样喷涂粘结剂和过渡层粉末，得到铜箔层。采取CuNiZnSn预合金胎体粉末为原料，轧制成厚度为1.0mm的薄片，得到粘结合金层。将所制备的粘结合金层与铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中，利用液压机压制成刀头生坯。将压制的刀头生坯在热压炉中烧结，升温速度为2℃/min，烧结温度为710℃，烧结时间为3min，得到定位排列的CBN工具刀头。

Claims (6)

1.一种定位排列的超硬工具刀头的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)铜箔的定位打孔：
针对具体定位排列方式，利用激光打孔机在纯铜箔上制作阵列形式的微孔，孔径为超硬颗粒粒径的(1/3)～(2/3)；
(2)超硬颗粒的定位排布：
利用静电吸附原理，在已打孔的铜箔微孔处定位排布超硬颗粒，使每个微孔处设置一颗超硬颗粒；
(3)过渡层粉末的喷涂：
首先在排布超硬颗粒的铜箔表面喷涂有机粘结剂，将过渡层粉末喷涂于铜箔表面，使过渡层粉末胶粘于铜箔表面，利用有机粘结剂使超硬颗粒与过渡层粉末粘结于铜箔上，在50℃～80℃温度下干燥2h～5h后，将铜箔另一面采取同样措施喷涂有机粘结剂和过渡层粉末，得到铜箔层；
(4)粘结合金薄层的压制成型：
采用预合金胎体粉末为原料，通过辊压或轧制成厚度为0.8mm～1.2mm的薄片，得到粘结合金层；
(5)组合框压成型：
将步骤(4)所制备的粘结合金层与步骤(3)所制备的铜箔层交替叠加在一起，放入组合框压模具中，利用液压机压制成刀头生坯；
(6)热压烧结：
将压制的刀头生坯在热压炉中烧结，得到定位排列的超硬工具刀头；所述热压炉烧结的升温速度为2℃/min～3℃/min，烧结温度为700℃～820℃，烧结时间为3min～10min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纯铜箔的厚度为100μm～200μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超硬颗粒为金刚石颗粒或CBN颗粒，其粒度为100μm～500μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有机粘结剂为聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述过渡层粉末为由Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Cr、Ti和Si中的多种元素所组成的合金粉末或预合金粉末，其费氏粒度为1μm～10μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预合金胎体粉末为铁基、铜基或钴基预合金胎体粉末，其氧含量低于2500ppm。
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