CN106378715B - 一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自蔓延金刚石雕刻磨头，结构包括工作层和基体两个部分，所述的工作层组分包括结合剂和磨料；所述结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为10~45份，Al粉末重量份数为10~25份，Ni粉末重量份数为5~10份，Cu粉末重量份数为15~60份，Sn粉末重量份数为2~5份，Co粉末重量份数为0~10份；所述的磨料为金刚石，浓度为60~130%，粒度为25/30~230/270目；本发明还公开了其制造方法，通过本方法使得金刚石与金属结合剂之间形成化学结合，同时通过自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，提高金属结合剂对金刚石磨料的把持强度。

Description

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法

技术领域

本发明属于金刚石磨头领域，具体指一种自蔓延金刚石雕刻磨头及其制造方法。

背景技术

目前，金刚石雕刻磨头制作方法主要有电镀法、烧结法和高温钎焊法三种。

当使用电镀法法制作金刚石雕刻磨头时，由于金刚石磨料只是被机械镶嵌在镀层金属中，镀层金属对金刚石磨料把持强度低，金刚石出露高度低，并且其表面仅有不多于三层的磨料，使得加工效率和使用寿命受到了限制。此外，在制造过程中产生的电镀废液会对环境造成严重污染。

当使用烧结法制作金刚石雕刻磨头时，由于金刚石磨料与胎体金属难以形成化学结合，金刚石磨料也只是被机械包埋在胎体金属中，胎体金属对金刚石把持强度低，金刚石不易出露，限制了其锋利度、使得其使用寿命不能够得到提高。此外，热压烧结过程中所使用的石墨模具容易损坏，成本高。

当使用钎焊法制作金刚石雕刻磨头时，单层钎焊金刚石雕刻磨头利用高温钎焊方法，通过磨料、钎料和基体三者之间的化学冶金反应实现对磨料的牢固把持，使其具有磨料把持强度高、容屑空间大、加工效率高等显著优势，但是由于受到钎焊工艺过程本身的限制，单层磨料消耗完后没有后继磨料补充，使其使用寿命得不到进一步提高。

目前，自蔓延高温合成技术成为人们的研究热点，该技术是在外部能量诱发局部化学反应(点燃)后，利用化学反应自身放热，使反应持续进行，同时合成出新材料。该技术因其耗能少, 设备和工艺简单, 生产效率高, 成本低，原位合成、产物纯度高等优点得到了广泛应用。

因此，设计一种加工效率高，同时金刚石雕刻磨头使用寿命高，在制作金刚石雕刻磨头的同时又不会对环境、成本低，又不会损坏模具的金刚石雕刻磨头的制造方法意义重大，将自蔓延高温合成技术应用到金刚石雕刻磨头的制造领域应运而生。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种自蔓延金刚石雕刻磨头及其制造方法，通过该方法可以快速制造金刚石工具，使金刚石与金属结合剂之间形成化学结合，提高金属结合剂对金刚石磨料的把持强度。

为解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种自蔓延金刚石雕刻磨头，结构包括工作层和基体两个部分，所述的工作层组分包括结合剂和磨料；所述结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为10~45份，Al粉末重量份数为10~25份，Ni粉末重量份数为5~10份，Cu粉末重量份数为15~60份，Sn粉末重量份数为2~5份，Co粉末重量份数为0~10份；所述的磨料为金刚石，浓度为60~130%，粒度为25/30~230/270目。

进一步，所述的雕刻磨头外径为4~12mm。

进一步，所述的Ti、Ni、Sn、Co粉末的纯度高于99.7％，粒度小于75μm；所述的Al、Cu粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

本发明还公开了一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末按照比例称量，之后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料；

2）将上述步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得整体式雕刻磨头坯体；

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体置于自蔓延反应装置中，通过自蔓延反应并最终获得金刚石雕刻磨头。

进一步，所述的步骤3）的自蔓延反应具体方法为将整体式雕刻磨头坯体放置于工作台上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管，高频感应机放置于载物台上，高频感应机中的感应线圈绕在石英管的外壁，感应线圈位置低于整体式雕刻磨头坯体工作层，感应线圈位置低于整体式雕刻磨头坯体工作层，通过高频感应机加热整体式雕刻磨头坯体基体，使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层，引发整体式雕刻磨头坯体工作层发生自蔓延反应，加热反应时通过氩气或氮气保护，整体式雕刻磨头坯体工作层依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。

进一步，所述的步骤1）中球磨机转速为100～200r/min,球磨时间4～6h,球料比为1:（5~10），钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

进一步，所述的步骤2）中整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为50~70%理论密度。

进一步，所述的步骤2）中压制模具材料为Cr12MoV，压力不小于300MPa。

进一步，所述步骤3）中石英管外径为10~30mm，石英管与工作台的接触处有一孔径为3~6mm的进气口，加热时以氩气或氮气作为保护气氛，保护气从进气口(1)进入。

进一步，所述的工作台或载物台通过电机驱动丝杠螺母副实现升降。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明的金刚石雕刻磨头通过高频感应加热引发自蔓延反应制成，自蔓延反应自身放热，使反应持续进行，利用自蔓延反应产生的短时间高温使得金刚石磨料与金属结合剂形成化学结合，金属结合剂对金刚石磨料把持强度高，金刚石强度损失小，加工效率高。

（2）本发明的自蔓延金刚石雕刻磨头具有锋利度高、耐磨性好、使用寿命长的优点。

（3）本发明自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法具有投资和生产成本低、高效、能耗低和工艺简单等优点。

附图说明

图1为本发明一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法中自蔓延反应平台示意图。

其中，1-进气口，2-工作台，3-感应线圈，4-整体式雕刻磨头坯体基体,5-整体式雕刻磨头坯体工作层，6-石英管，7-高频感应机，8-载物台。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作详细说明。

实施例1

一种自蔓延金刚石雕刻磨头，该雕刻磨头外径为4mm，工作层组分包括结合剂和磨料，结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn粉末，其中Ti粉末重量份数为45份，Al粉末重量份数为25份，Ni粉末重量份数为10份，Cu粉末重量份数为15份，Sn粉末重量份数为2份，磨料为金刚石，浓度为130%，粒度为230/270目。

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将上述质量份数的Ti、Al、Ni、Cu、Sn放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为100r/min,球磨时间4h,球料比为1:5，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

2）将步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入Cr12MoV压制模具中压制成型，压力为300MPa，获得整体式雕刻磨头坯体，整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为50%理论密度。

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体放置于工作台2上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管6，石英管6外径为10mm，高频感应机7放置于载物台8上，高频感应机7中的感应线圈3绕在石英管6的外壁，感应线圈3位置稍低于整体式雕刻磨头坯体工作层5，通过高频感应机7加热整体式雕刻磨头坯体基体4使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层5，引发整体式雕刻磨头坯体工作层5发生自蔓延反应，整体式雕刻磨头坯体工作层5依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。加热时以氮气作为保护气氛，石英管6顶端有一孔径为3mm的排气口，氮气进气口1进入，通过电机驱动丝杠螺母副实现工作台2或载物台8的升降。

实施例2

一种自蔓延金刚石雕刻磨头，该雕刻磨头外径为6mm，工作层组分包括结合剂和磨料，结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为35份，Al粉末重量份数为20份，Ni粉末重量份数为8份，Cu粉末重量份数为25份，Sn粉末重量份数为3份，Co粉末重量份数为2份，磨料为金刚石，浓度为115%，粒度为120/140目。

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将上述质量份数的Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为125r/min,球磨时间4.5h,球料比为1:6，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

2）将步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入Cr12MoV压制模具中压制成型，压力为325MPa，获得整体式雕刻磨头坯体，整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为50%理论密度。

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体放置于工作台2上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管6，石英管6外径为14mm，高频感应机7放置于载物台8上，高频感应机7中的感应线圈3绕在石英管6的外壁，感应线圈3位置稍低于整体式雕刻磨头坯体工作层5，通过高频感应机7加热整体式雕刻磨头坯体基体4使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层5，引发整体式雕刻磨头坯体工作层5发生自蔓延反应，整体式雕刻磨头坯体工作层5依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。加热时以氮气作为保护气氛，石英管6顶端有一孔径为4mm的排气口，氮气进气口1进入，通过电机驱动丝杠螺母副实现工作台2或载物台8的升降。

实施例3

一种自蔓延金刚石雕刻磨头，该雕刻磨头外径为8mm，工作层组分包括结合剂和磨料，结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为30份，Al粉末重量份数为20份，Ni粉末重量份数为6份，Cu粉末重量份数为35份，Sn粉重量份数为4份，Co粉末重量份数为5份，磨料为金刚石，浓度为100%，粒度为80/100目。

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将上述质量份数的Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为150r/min,球磨时间5h,球料比为1:8，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

2）将步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入Cr12MoV压制模具中压制成型，压力为350MPa，获得整体式雕刻磨头坯体，整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为60%理论密度。

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体放置于工作台2上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管6，石英管6外径为20mm，高频感应机7放置于载物台8上，高频感应机7中的感应线圈3绕在石英管6的外壁，感应线圈3位置稍低于整体式雕刻磨头坯体工作层5，通过高频感应机7加热整体式雕刻磨头坯体基体4使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层5，引发整体式雕刻磨头坯体工作层5发生自蔓延反应，整体式雕刻磨头坯体工作层5依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。加热时以氮气作为保护气氛，石英管6顶端有一孔径为4mm的排气口，氮气进气口1进入，通过电机驱动丝杠螺母副实现工作台2或载物台8的升降。

实施例4

一种自蔓延金刚石雕刻磨头，该雕刻磨头外径为10mm，工作层组分包括结合剂和磨料，结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为20份，Al粉末重量份数为15份，Ni粉末重量份数为6份，Cu粉末重量份数为45份，Sn粉末重量份数为5份，Co粉末重量份数为7份，磨料为金刚石，浓度为80%，粒度为50/60目。

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将上述质量份数的Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为175r/min,球磨时间5.5h,球料比为1:9，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

2）将步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入Cr12MoV压制模具中压制成型，压力为375MPa，获得整体式雕刻磨头坯体，整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为70%理论密度。

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体放置于工作台2上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管6，石英管6外径为25mm，高频感应机7放置于载物台8上，高频感应机7中的感应线圈3绕在石英管6的外壁，感应线圈3位置稍低于整体式雕刻磨头坯体工作层5，通过高频感应机7加热整体式雕刻磨头坯体基体4使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层5，引发整体式雕刻磨头坯体工作层5发生自蔓延反应，整体式雕刻磨头坯体工作层5依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。加热时以氮气作为保护气氛，石英管6顶端有一孔径为5mm的排气口，氮气进气口1进入，通过电机驱动丝杠螺母副实现工作台2或载物台8的升降。

实施例5

一种自蔓延金刚石雕刻磨头，该雕刻磨头外径为10mm，工作层组分包括结合剂和磨料，结合剂包括Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末，其中Ti粉末重量份数为10份，Al粉末重量份数为10份，Ni粉末重量份数为5份，Cu粉末重量份数为60份，Sn粉末重量份数为5份，Co粉末重量份数为10份，磨料为金刚石，浓度为60%，粒度为25/30目。

一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，包括以下步骤：

1）将上述质量份数的Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为175r/min,球磨时间5.5h,球料比为1:9，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

2）将步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入Cr12MoV压制模具中压制成型，压力为375MPa，获得整体式雕刻磨头坯体，整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为70%理论密度。

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体放置于工作台2上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管6，石英管6外径为25mm，高频感应机7放置于载物台8上，高频感应机7中的感应线圈3绕在石英管6的外壁，感应线圈3位置稍低于整体式雕刻磨头坯体工作层5，通过高频感应机7加热整体式雕刻磨头坯体基体4使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层5，引发整体式雕刻磨头坯体工作层5发生自蔓延反应，整体式雕刻磨头坯体工作层5依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。加热时以氮气作为保护气氛，石英管6顶端有一孔径为5mm的排气口，氮气进气口1进入，通过电机驱动丝杠螺母副实现工作台2或载物台8的升降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将Ti、Al、Ni、Cu、Sn、Co粉末按照比例称量，之后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加金刚石再充分混合均匀，获得工作层粉料；

2）将上述步骤1）所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得整体式雕刻磨头坯体；

3）将步骤2）所获得的整体式雕刻磨头坯体置于自蔓延反应装置中，通过自蔓延并最终获得金刚石雕刻磨头，具体为：

将整体式雕刻磨头坯体放置于工作台(2)上，整体式雕刻磨头坯体外面套上石英管(6)，高频感应机(7)放置于载物台(8)上，高频感应机(7)中的感应线圈(3)绕在石英管(6)的外壁，感应线圈(3)位置低于整体式雕刻磨头坯体工作层(5)，通过高频感应机(7)加热整体式雕刻磨头坯体基体(4)，使热量迅速传递给整体式雕刻磨头坯体工作层(5)，引发整体式雕刻磨头坯体工作层(5)发生自蔓延反应，加热反应时通过氩气或氮气保护，整体式雕刻磨头坯体工作层(5)依靠自身的自蔓延反应完成雕刻磨头坯体的致密化，并获得金刚石雕刻磨头。

2.根据权利要求1所述的自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，所述的步骤1）中球磨机转速为100～200r/min,球磨时间4～6h,球料比为1:（5~10），钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

3.根据权利要求1所述的自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，所述的步骤2）中整体式雕刻磨头坯体的压坯密度为50~70%理论密度。

4.根据权利要求1所述的自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，所述的步骤2）中压制模具材料为Cr12MoV，压力不小于300MPa。

5.根据权利要求1所述的自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，所述步骤3）中石英管(6)外径为10~30mm，石英管(6)与工作台(2)的接触处有一孔径为3~6mm的进气口（1）。

6.根据权利要求1所述的自蔓延金刚石雕刻磨头的制造方法，其特征在于，所述的工作台(2)或载物台(8)通过电机驱动丝杠螺母副实现升降。