CN106964779A - 自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法 - Google Patents

自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,属于金刚石工具的技术领域。本发明所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其是将金属结合剂与金刚石混合均匀、冷压得到刀头坯料后经自由烧结而成,所述金属结合剂中包括铝热反应粉和预合金化粉,所述铝热反应粉由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉。本发明的方法中采用的金属结合剂采用了预合金粉和冷态球磨铝铁合金粉,无需加压烧结即可得到孔隙率低且把持力高的金刚石刀头,本发明的方法由于可在隧道炉内无压致密烧结,不仅保证了产品质量而且与现有技术相比大大还提高了生产效率。

Description

自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金刚石工具的技术领域,更具体地说,本发明涉及一种自发热式自由 烧结金刚石刀头的制备方法。
背景技术
[0002] 在现有技术中,焊接类金属结合剂超硬材料制品刀头均采用粉末冶金生产工艺制 备,其方法是将金属粉末与金刚石磨粒混合均匀,然后冷压成型、热压/无压烧结。冷压成型 坯体通常采用两种烧结生产工艺:最普遍的是将坯体在热压烧结机上组装于石墨模具中加 压烧结;另外一种是将坯体置于具有还原气氛的连续式隧道炉或钟罩炉中自由烧结。这两 种生产方式所需能量完全由外部设备提供,刀头性能受原材料及工艺参数的变化影响极 大,尤其是锋利度的调控难度较大。热压烧结工艺胎体对金刚石的把持力强,寿命长,但锋 利度受限,且能耗高,效率低。在隧道炉或钟罩炉中自由式烧结的能耗低,效率非常高,但烧 结坯体在无压条件下的致密度及其对金刚石的把持力有限,切割过程中金刚石易脱落失 效,这是金刚石制品无压烧结工艺所普遍存在的技术难题,也是无压烧结难以推广应用的 障碍瓶颈,因而,未能在行业中普遍应用。
[0003] 为了提高生产效率并提高金刚石刀头的产品质量,而引进新的烧结机制开发新的 材料体系,增强胎体对金刚石的收缩固结把持力,是金刚石制品无压烧结技术的迫切需求。 中国发明专利申请公布CN101342686A公开了一种自蔓延高温制备金刚石模块的方法,其利 用TiCo或TiNi的自蔓延反应来提高与镀镍的金刚石刀头之间的把持力,但该方法采用的是 稀缺且价高的Ti、Co和Ni粉,为了保证把持力还要预先对金刚石进行镀镍处理,从而导致成 本高,难以推广应用。中国发明专利申请公布CN103521774A公开了一种自蔓延制备金刚石 节块工具的方法,其中采用40〜70%的Ni、10〜3〇%的Al、5〜20%的Cr、5〜25%的Ti、0〜 5 %的Co、0 •5〜1 %的稀土 Ce合金作为结合剂,其中利用了Ni和A1的自蔓延反应并利用元素 Cr和Ti元素在金刚石表面形成Cr-C、Ti-C等化学冶金结合来提高胎体与金刚石的把持力, 其中Ni、Cr、Ti等成本高,而且其中反应迅速容易导致过多的孔隙,从而导致其切削性能差, 切削使用寿命较低。由于A1和Fe与金刚石的亲和力较差,采用常规的铝和铁的铝热反应方 法制备的金刚石刀头其把持力差,尤其是应用于金刚石切削刀头的使用寿命仅有常规热压 方法的1/3〜1/5,因而被认为无实际应用和使用价值。
发明内容
[0004] 为了降低成本、提高生产效率并克服现有技术中的技术难题,本发明的提供了一 种自发热式自由烧结金刚石刀头及其制备方法。
[0005] 为了实现上述发明目的,本发明采用了以下技术方案:
[0006] —种自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,所述制备方法是将金属结合剂与 金刚石混合均匀、冷压得到刀头坯料后经自由烧结而成,其特征在于:所述金属结合剂中包 括铝热反应粉和预合金化粉。
[0007]其中,所述铝热反应粉由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉。
[0008] 其中,所述金属结合剂包括10〜65wt%的铝热反应粉,和余量的预合金粉。
[0009]其中,所述金属结合剂包括10〜65wt%的铝热反应粉、15〜60wt%的预合金粉,和 5〜30wt%的金属粉组成。
[0010] 其中,所述预合金粉选自Fe、Cu、Sn和Ni中的至少两种组分。
[0011]其中,所述铝热反应粉中铁粉和铝粉的摩尔比为3〜5:1,优选为3:1。
[0012] 其中,所述坯料的压实密度为理论密度的50%〜90%,优选为55%〜80%。
[0013]其中,所述铝热反应粉在-HKTC以下的低温和保护气氛下混合球磨得到。
[0014] 其中,7令压的压力为30〜lOOMPa,自由烧结的温度为760〜880°C。
[0015]与最接近的现有技术相比,本发明的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法具 有以下有益效果:
[0016]本发明采用的金属结合剂采用了预合金粉和冷态球磨铝铁合金粉,无需加压烧结 即可得到孔隙率低且把持力高的金刚石刀头,本发明的方法由于可在隧道炉内无压致密烧 结,不仅保证了产品质量而且与现有技术相比大大还提高了生产效率。
附图说明
[0017] 图1为金刚石刀头坯料在隧道炉中无压排列烧结的示意图。
[0018] 图2为本发明制备的金刚石刀头坯料的立体结构示意图。
具体实施方式
[0019] 以下将结合具体实施例对本发明所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方 法做进一步的阐述,以期对本发明的技术方案做出更完整和清楚的说明。
[0020] 本发明的自发热式自由烧结金刚石刀头是在传统的金属粘结剂配方体系中引入 铝热反应粉(Al-Fe自蔓延组分),利用其自蔓延反应形成FeAl金属间化合物的键合过程中 产生的放热效应,为胎体金属提供内部烧结能量。而且本发明的发明人发现采用冷态球磨 的铝热反应粉不仅可以降低体系的烧结温度,而且能够显著促进胎体的自由烧结致密化, 从而可以使得预制的金刚石刀头坯体可以自由烧结;且结合铝热反应粉和预合金粉可提高 金刚石颗粒与金属基质的把持力,从而可以获得类似于加压烧结的致密性,并且进一步提 高刀具的使用寿命。
[0021] 作为一个无限制性地例子,本发明所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的主要步 骤如下:
[0022] 将细粒度铝粉(粒径幻0wn)与羰基铁粉按1:3的摩尔比在惰性气氛保护下冷态(-5〇°C以下,可以利用液氮、干冰等控制球磨机在规定的温度以下)混合球磨,球料比为(8〜 10) :1,球磨时间为8〜24小时。
[0023] 在惰性保护气氛中取料,出料粒度<2wii。将得到的铝热反应粉按配方比例与预合 金粉等以及金刚石磨粒在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5-2.5小时,混合均匀后,装料于 自动冷压机料槽中,在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸,坯料的压实密度通常为理论密度 的50%以上。
[0024] 如图1所示例的那样,将冷压坯体30排列组装于托架模具10的石墨隔板2〇上中在 隧道;):尸现钾阜炉中目由烧结,焼结温度为750〜850°C,烧结时间为15〜60分钟,烧结后炉中 缓冷至室温即可。
[0025]在以下的实施例1〜2以及比较例1〜2中铝热反应粉通过以下方法制备得到:
[0026] 将细粒度铝粉(粒径彡i〇ym)与羰基铁粉按丨:3的摩尔比在惰性气氛保护下冷态 (液氮_l〇(TC以下)混合球磨,球料比为8:1,球磨时间为12小时。
[0027] 实施例1
[0028]采用65重量份的铁铜预合金粉、30重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和3重量 份的镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。其中,铁铜预合金粉为水雾化法制备的 500目预合金粉末,并且铁铜的摩尔比为7:3。锡粉为400目的雾化粉末,镍粉为羰基粉末。在 自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸,还料的压实密度为理论密度的60%, 制备规格为40mm (长)X 15mm (高)X3_6mm (厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示,其 中金刚石体积浓度为26 %)。在隧道炉中自由烧结,最高烧结温度83(rc,烧结时间为3〇分 钟。刀头的真实孔隙率约为12%,平均硬度HRB为9f5,平均抗弯强度为750MPa。将烧制刀头钎 焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为2〇mm的三花(中等 硬度花岗岩)板材,水冷切割。锯片的平均切割速度为8 • 2m/min,切割寿命为183米。
[0029] 实施例2
[0030]采用70重量份的铁铜预合金粉、20重量份的铝热反应粉、3重量份的锡粉和7重量 份的镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。其中,铁铜预合金粉为水雾化法制备的 500目预合金粉末,并且铁铜的摩尔比为7:3。锡粉为400目的雾化粉末,镍粉为羰基粉末。在 自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至还体设计尺寸,±5料的压实密度为理论密度的60%, 制备规格为40mm(长)X 15mm(高)X3.6mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示,其 中金刚石体积浓度为26%)。在隧道炉中自由烧结,最高烧结温度83〇°C,烧结时间为60分 钟。刀头的真实孔隙率约为10%,平均硬度HRB为%,平均抗弯强度为760MPa。将烧制刀头钎 焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等 硬度花岗岩)板材,水冷切割。锯片的平均切割速度为8.3m/min,切割寿命为187米。
[0031] 比较例1
[0032] 采用45.5重量份的铁粉、19.5重量份的铜粉、30重量份的铝热反应粉、2重量份的 锡粉和3重量份的镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。其中,铜粉和锡粉为400目 的雾化粉末,铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺 寸,还料的压实密度为理论密度的6〇%,制备规格为40mm(长)X15mm(高)X3.6mra(厚)的冷 压刀头坯体(其外观结构如图2所示,其中金刚石体积浓度为13 %)。在隧道炉中自由烧结, 取尚烧结温度830 C,烧结时间为30分钟。刀头的真头孔隙率约为26%,平均硬度HRB为96, 平均抗弯强度为750MPa。将烧制刀头奸焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式 切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材,水冷切割。锯片的平均切割速度 为8. lm/min,切割寿命为166米。
[0033] 比较例2
[0034]采用49重量份的铁粉、21重量份的铜粉、20重量份的铝热反应粉、3重量份的锡粉 和7重量份的镍粉的配方体系制备直径为4〇〇mm花岗岩锯片。其中,铜粉和锡粉为400目的雾 化粉末,铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸,坯 料U、」达头1£、皮为埋论峦度的60%,制备规格为40mm (长)X 15mm (高)X 3.6mm (厚)的冷压刀 头坯体(其外观结构如图2所示,其中金刚石体积浓度为26 %)。在隧道炉中自由烧结,最高 烧结温度830°C,烧结时间为⑼分钟。刀头的真实孔隙率约为1〇 %,平均硬度HRB为96,平均 抗弯强度为760MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割 机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材,水冷切割。据片的平均切割速度为 8.0m/min,切割寿命为171米。
[0035]在比较例3和仲锅热反应粉通过以下方法制备得到:
[0036]将细粒度铝粉(粒径<l〇wn)与羰基铁粉按1:3的摩尔比在惰性气氛保护下在常温 下混合球磨,球料比为8:1,球磨时间为30分钟。
[0037] 比较例3
[0038]采用65重量份的铁铜预合金粉、30重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和3重量 份的镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。其中,铁铜预合金粉为水雾化法制备的 500目预合金粉末,并且铁铜的摩尔比为7:3。锡粉为400目的雾化粉末,镍粉为羰基粉末。在 自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸,坯料的压实密度为理论密度的60%, 制备规格为40ram (长)X 15mm (高)X 3.6mm (厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示,其 中金刚石体积浓度为26%)。在隧道炉中自由烧结,最高烧结温度83(TC,烧结时间为30分 钟。刀头的真实孔隙率约为1S%,平均硬度HRB为則,平均抗弯强度为702MPa。将烧制刀头钎 焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等 硬度花岗岩)板材,水冷切割。锯片的平均切割速度为7.9m/min,切割寿命为141米。
[0039] 比较例4
[0040]采用70重量份的铁铜预合金粉、20重量份的铝热反应粉、3重量份的锡粉和7重量 份的镍粉的配方体系制备直径为4〇〇mm花岗岩锯片。其中,铁铜预合金粉为水雾化法制备的 500目预合金粉末,并且铁铜的摩尔比为7:3。锡粉为400目的雾化粉末,镍粉为羰基粉末。在 自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸,坯料的压实密度为理论密度的60%, 制备规格为40mm (长)X 15mm (高)X3_6mm (厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示,其 中金刚石体积浓度为26%)。在隧道炉中自由烧结,最高烧结温度S3(TC,烧结时间为60分 钟。刀头的真实孔隙率约为21 %,平均硬度HRB为92,平均抗弯强度为705MPa。将烧制刀头钎 焊于钢质基体上,制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等 硬度花岗岩)板材,水冷切割。锯片的平均切割速度为7.8m/min,切割寿命为143米。
[0041]对于本领域的普通技术人员而言,具体实施例只是对本发明进行了示例性描述, 显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进 行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合 的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,所述制备方法是将金属结合剂与金 刚石混合均匀、冷压得到刀头坯料后经自由烧结而成,其特征在于:所述金属结合剂中包括 铝热反应粉和预合金化粉。
2. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 铝热反应粉由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉。
3. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 金属结合剂包括10〜65wt%的铝热反应粉,和余量的预合金粉。
4. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 金属结合剂包括10〜65wt%的招热反应粉、15〜60wt%的预合金粉,和5〜3〇wt%的金属粉 组成。
5. 根据权利要求3所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 预合金粉选自Fe、Cu、Sn和Ni中的至少两种组分。
6. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 铝热反应粉中铁粉和铝粉的摩尔比为3〜5:1。
7. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 坯料的压实密度为理论密度的50%〜90%。
8. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:所述 铝热反应粉在-10(TC以下的低温和保护气氛下混合球磨得到。
9. 根据权利要求1所述的自发热式自由烧结金刚石刀头的制备方法,其特征在于:冷压 的压力为30〜lOOMPa,自由烧结的温度为760〜880°C。
10. —种用于磨削工具和/或切削工具的金刚石刀头,其特征在于所述金刚石刀头由权 利要求1〜9中任一项所述的制备方法制备得到。
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