CN108656363B - 复合多层金刚石刀头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合多层金刚石刀头，属于金刚石烧结工具的技术领域。本发明的复合多层金刚石刀头包括多层金刚石切割层，相邻的金刚石切割层之间通过金属层粘结，金刚石切割层由胎体以及孕镶在胎体中的金刚石颗粒构成，位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度大于位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度；位于中间的金刚石切割层中的胎体硬度小于位于两侧的金刚石切割层中的胎体硬度。本发明的复合多层金刚石刀头用于金刚石锯片应用于花岗岩、大理石等石材的加工以及混凝土路面的切割，具有切割速度快，切割锋利度高，性能稳定，且有利于降低能耗，而且使用的金刚石较少不含稀缺的Co元素等成分，有利于降低工具成本。

Description

复合多层金刚石刀头及其制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石烧结工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种复合多层金刚石刀头及其制备方法。

背景技术

自1953年美国G.E.公司开始合成人造金刚石以来，人类使用金刚石工具的种类、规格得到了大幅度发展，而我国自1963年成功合成人造金刚石以来，我国金刚石工具经历了从无到有，从小到大，从分散到集约，从产品到产业的发展道路。在加工硬脆类非金属材料的金刚石工具方面，我国已成为世界生产大国。金刚石锯片、金刚石钻头和金刚石砂轮是金刚石工具的三大主要品种，其中，金刚石锯片是金刚石工具中的主导产品，按数量统计，金刚石锯片占据金刚石工具的90％以上，金刚石锯片一般用于切割脆硬性非金属材料和切削金属材料，例如金刚石锯片一般用于花岗岩、大理石、混凝土、沥青、耐火材料的切割以及硅、铝合金、镁合金等金属材料的切削。现有技术中用于切割脆硬性非金属材料的金刚石锯片通常由圆形钢基体以及焊接在其外圆周上的多个金刚石刀头而成，所述金刚石刀头通常由金刚石颗粒和金属粉末混合，然后通过冷压或热压，并经过烧结而成。目前的金刚石切割刀头与20世纪80 年代相比，使用寿命和切割效率大约分别提高了1倍和3倍。为了提高切割效率，现有技术中开发了三明治与多明治结构刀头，这种刀头与普通的块状刀头相比，增加了脆硬性非金属材料例如石材被锯切的自由面，使得石材破碎更容易，提高了锯切的锋利度，从而提高了切割效率，同时也降低了电耗，降低了锯切成本，然而这种三明治与多明治结构刀头虽然提高了切割效率，但由于中心与外侧的金刚石层受力不均衡，切割的稳定性需要提高，而且对于石材的切割工艺而言，金刚石锯片的消耗占据了较多的成本，因此也有必要进一步提高金刚石锯片的使用寿命。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种复合多层金刚石刀头及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种复合多层金刚石刀头，包括多层金刚石切割层，并且相邻的金刚石切割层之间通过金属层粘结，所述金刚石切割层由胎体以及孕镶在胎体中的金刚石颗粒构成，其特征在于：位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度大于位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度；并且位于中间的金刚石切割层中的胎体硬度小于位于两侧的金刚石切割层中的胎体硬度。

其中，所述金刚石切割层的层数为3层或5层，所述金属层的层数为2层或4层；所述金刚石切割层的厚度为1.5～3.0mm；所述金属层的厚度为0.5～1.2mm。

其中，所述复合多层金刚石刀头用于与圆形钢基体焊接形成金刚石圆锯片，并且所述金刚石切割层与金属层沿着垂直于所述圆形钢基体表面的方向间隔设置。

其中，位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的2.5～3.5wt％，位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的2.0～3.0wt％，所述位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度比位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度高0.3～0.6 wt％。

其中，位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为93～100，位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为100～108，所述位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度比所述位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度高5～8。

其中，位于中间的金刚石切割层以及位于两侧的金刚石切割层均由金刚石颗粒与胎体粉末通过热压烧结而成，并且热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间为150～250秒。

其中，位于中间的金刚石切割层所采用的胎体粉末由30-40wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、 0.10-0.15wt％的石墨粉、0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。

其中，位于两侧的金刚石切割层所采用的胎体粉末由10-15wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、 0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。

其中，所述预合金粉末为FeCuSnNi预合金粉，并且所述预合金粉末中含有35.5-36.5wt％的Cu、7.5-9.0wt％的Sn、11.5-12.2wt％的Ni，以及余量的Fe，所述预合金粉末的费氏粒度为 6-8μm。

本发明的第二方面还涉及复合多层金刚石刀头的制备方法。

本发明所述的复合多层金刚石刀头的制备方法包括以下步骤：

(1)按照配比将金刚石颗粒与胎体粉末混合均匀并冷压成位于中间的金刚石坯层以及位于两侧的金刚石坯层；

(2)将青铜粉冷压形成金属坯层；

(3)将位于中间的金刚石坯层、位于两侧的金刚石坯层与金属坯层依据顺序形成叠层结构；

(4)对叠层结构进行热压烧结，热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间150～250秒。

与现有技术相比，本发明所述的复合多层金刚石刀头具有以下有益效果：

本发明的复合多层金刚石刀头用于金刚石锯片应用于花岗岩、大理石等石材的加工以及混凝土路面的切割，具有切割速度快，切割锋利度高，性能稳定的特点；并且有利于降低能耗，且使用的金刚石较少不含稀缺的Co元素等成分，有利于降低工具成本。

附图说明

图1为采用本发明的复合多层金刚石刀头制成的锯片的剖面示意图。

图2为本发明的复合多层金刚石刀头的结构示意图。

图3为本发明的锯片典型的切割锋利度波动图(额定电压恒定)。

图4为比较例的锯片典型的切割锋利度波动图(额定电压恒定)。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明所述的复合多层金刚石刀头做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明涉及一种金刚石锯片上使用的复合多层金刚石刀头，如图1所示，所述的金刚石锯片10包括一个圆形钢基体11，该圆形钢基体11根据预先设计由钢板等加工成预定直径和厚度的圆盘状，并且其中心加工有安装孔12用于安装通过电机驱动的传动轴，所述圆形钢基体11 的外圆周上还等间距的开设有排屑槽13，而复合多层金刚石刀头20焊接在所述圆形钢基体11 的外圆周上，所述焊接方法例如可以采用高频焊接工艺或激光焊接工艺。

如图2所示，本发明的复合多层金刚石刀头20，包括位于中间的金刚石切割层22、位于两侧的金刚石切割层21，并且相邻的金刚石切割层之间通过金属层23粘结，所述金刚石切割层由胎体以及孕镶在胎体中的金刚石颗粒构成。具体来说，位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度大于位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度；并且位于中间的金刚石切割层中的胎体硬度小于位于两侧的金刚石切割层中的胎体硬度。采用上述复合多层金刚石刀头与现有技术常规的三明治或多明治多层金刚石刀头相比，不仅可以减少金刚石颗粒的用量，而且锯片的切割锋利度更稳定，不仅有利于节约电能，而且使用寿命也显著提高。

在本发明中，所述金刚石切割层的层数为3层或5层，所述金属层的层数为2层或4层；所述金刚石切割层(单层)的厚度为1.5～3.0mm；所述金属层(单层)的厚度为0.5～1.2mm。位于中间的金刚石切割层以及位于两侧的金刚石切割层均由金刚石颗粒与胎体粉末通过热压烧结而成，并且热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间为150～250秒。

具体来说，位于中间的金刚石切割层所采用的胎体粉末由30-40wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、0.10-0.15wt％的石墨粉、0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。位于两侧的金刚石切割层所采用的胎体粉末由10-15wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。所述预合金粉末为FeCuSnNi预合金粉，并且所述预合金粉末中含有35.5-36.5wt％的Cu、7.5-9.0wt％的Sn、11.5-12.2wt％的Ni，以及余量的Fe，所述预合金粉末的费氏粒度为6-8μm。位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的 2.5～3.5wt％，位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的2.0～3.0wt％，所述位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度比位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度高0.3～0.6wt％。位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为93～100，位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为100～108，所述位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度比所述位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度高5～8。

在本发明中，所述复合多层金刚石刀头的制备方法包括以下步骤：

(1)按照配比将金刚石颗粒与胎体粉末混合均匀并冷压成位于中间的金刚石坯层以及位于两侧的金刚石坯层；

(2)将青铜粉冷压形成金属坯层；

(3)将位于中间的金刚石坯层、位于两侧的金刚石坯层与金属坯层依据顺序形成叠层结构；

(4)对叠层结构进行热压烧结，热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间150～250秒。

在本发明的实施例以及比较例中，采用的金刚石颗粒的粒度为50/60(对应的颗粒尺寸为 300～250μm)。

在本发明的实施例以及比较例中，采用的预合金粉末为FeCuSnNi预合金粉，并且所述预合金粉末中含有36.0wt％的Cu、8.1wt％的Sn、12.0wt％的Ni，以及余量的Fe，所述预合金粉末的费氏粒度为6-8μm。

在本发明的实施例以及比较例中，采用的青铜粉的组成为10wt％的Sn，1.2wt％的Ni、 0.9wt％的Ti以及余量的Cu，所述青铜粉由雾化粉制备得到，并且在780℃热处理30min，得到的青铜粉的平均粒径约为35μm，且最大粒径为75μm以下。

在本发明的实施例以及比较例制备高度为30mm、宽度为40mm的复合多层金刚石刀头，每个复合多层金刚石刀头包括3个厚度为3.0mm的金刚石薄片，相邻的金刚石薄片之间设置厚度为1.0mm的青铜粉粘结层。

实施例1

取3.0kg的青铜粉、0.3kg的锡粉、0.01kg的石墨粉以及6.64kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入0.05kg的液体石蜡以及0.35kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到位于中间的金刚石坯层；

取1.0kg的青铜粉、0.3kg的锡粉以及8.65kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入 0.05kg的液体石蜡以及0.30kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到位于两侧的金刚石坯层；

将青铜粉灌入模具中冷压成型得到金属坯层；

将上述金刚石坯层与金属粘结剂坯层间隔设置形成叠层结构(3层金刚石坯层以及2层金属粘结剂坯层)，然后进行热压烧结，热压烧结的温度为760℃，压力为270kg/cm²，保温时间为200秒。热压烧结后采用砂轮砂带打磨金刚石刀头的工作面使金刚石颗粒暴露出来即可。

实施例2

取4.0kg的青铜粉、0.4kg的锡粉、0.01kg的石墨粉以及5.55kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入0.04kg的液体石蜡以及0.30kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到位于中间的金刚石坯层；

取1.5kg的青铜粉、0.5kg的锡粉以及7.95kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入 0.05kg的液体石蜡以及0.30kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到位于两侧的金刚石坯层；

将青铜粉灌入模具中冷压成型得到金属坯层；

将上述金刚石坯层与金属粘结剂坯层间隔设置形成叠层结构(3层金刚石坯层以及2层金属粘结剂坯层)，然后进行热压烧结，热压烧结的温度为750℃，压力为280kg/cm²，保温时间为210秒。热压烧结后采用砂轮砂带打磨金刚石刀头的工作面使金刚石颗粒暴露出来即可。

比较例1

取3.0kg的青铜粉、0.3kg的锡粉、0.01kg的石墨粉以及6.64kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入0.05kg的液体石蜡以及0.35kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到金刚石坯层；将青铜粉灌入模具中冷压成型得到金属坯层；将上述金刚石坯层与金属粘结剂坯层间隔设置形成叠层结构(3层金刚石坯层以及2层金属粘结剂坯层)，然后进行热压烧结，热压烧结的温度为760℃，压力为270kg/cm²，保温时间为200秒。热压烧结后采用砂轮砂带打磨金刚石刀头的工作面使金刚石颗粒暴露出来即可。

比较例2

取1.0kg的青铜粉、0.3kg的锡粉以及8.65kg的预合金粉末放入混料桶中混30分钟后，加入 0.05kg的液体石蜡以及0.30kg的金刚石颗粒，继续混料3小时后将粉料灌入模具中冷压成型得到金刚石坯层；将青铜粉灌入模具中冷压成型得到金属坯层；将上述金刚石坯层与金属粘结剂坯层间隔设置形成叠层结构(3层金刚石坯层以及2层金属粘结剂坯层)，然后进行热压烧结，热压烧结的温度为760℃，压力为270kg/cm²，保温时间为200秒。热压烧结后采用砂轮砂带打磨金刚石刀头的工作面使金刚石颗粒暴露出来即可。

采用实施例1～2以及比较例1～2制备的复合多层金刚石刀头通过焊接与直径为340mm的圆形钢基体组装成金刚石圆锯片，每件金刚石锯片上焊接有24个复合多层金刚石刀头。然后采用恒定的额定电压，并在相同的速率(0.8m/min)条件下对混凝土(耐压强度为360kgf/cm²) 进行切割实验(切深为50mm)，每个金刚石锯片的切割总长度为100m。图3和图4分别示出了实施例1以及比较例1的锯片中切割电流随着切割距离的波动图(反映了七个锋利度的波动)，可见采用比较例1的刀头制备的锯片在初始阶段所需施加的切割电流较小，但随着切割距离的增加，切割电流也波动升高，反映了切割阻力的增大，并且使得维持相应切割速率条件下所需的能耗增加，同时由于切割性能波动大，也使得切割的稳定性较差，而采用实施例1制备的刀头制备得到的锯片，切割电流随距离的增加波动较小，而且平均切割电流稳定在14A左右，由此可见实施例1制备的刀头锋利性好，而且切割性能稳定。虽未图示，实施例1与比较例2 相比，也显示出了类似的规律，即实施例1制备的刀头锋利性好，而且切割性能更加稳定。

另外，表1示出了根据上述切割实验计算的磨损性能。

表1

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，但本发明的范围并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的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 (7)

1.一种复合多层金刚石刀头，包括多层金刚石切割层，并且相邻的金刚石切割层之间通过青铜层粘结，所述金刚石切割层由胎体以及孕镶在胎体中的金刚石颗粒构成，其特征在于：位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度大于位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度；并且位于中间的金刚石切割层中的胎体硬度小于位于两侧的金刚石切割层中的胎体硬度；位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的2.5～3.5wt％，位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度为胎体重量的2.0～3.0wt％，并且所述位于中间的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度比位于两侧的金刚石切割层中的金刚石颗粒的浓度高0.3～0.6wt％；所述金刚石切割层的层数为3层或5层，所述青铜层的层数为2层或4层；所述金刚石切割层的厚度为1.5～3.0mm；所述青铜层的厚度为0.5～1.2mm；所述复合多层金刚石刀头用于与圆形钢基体焊接形成金刚石圆锯片，并且所述金刚石切割层与青铜层沿着垂直于所述圆形钢基体表面的方向间隔设置。

2.根据权利要求1所述的复合多层金刚石刀头，其特征在于：位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为93～100，位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度为100～108，并且所述位于两侧的金刚石切割层中的胎体HRB硬度比所述位于中间的金刚石切割层中的胎体HRB硬度高5～8。

3.根据权利要求1所述的复合多层金刚石刀头，其特征在于：位于中间的金刚石切割层以及位于两侧的金刚石切割层均由金刚石颗粒与胎体粉末通过热压烧结而成，并且热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间为150～250秒。

4.根据权利要求1所述的复合多层金刚石刀头，其特征在于：位于中间的金刚石切割层所采用的胎体粉末由30-40wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、0.10-0.15wt％的石墨粉、0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。

5.根据权利要求1所述的复合多层金刚石刀头，其特征在于：位于两侧的金刚石切割层所采用的胎体粉末由10-15wt％的青铜粉、1-5wt％的锡粉、0.1-0.6wt％的液体石蜡以及余量的预合金粉末组成。

6.根据权利要求4或5所述的复合多层金刚石刀头，其特征在于：所述预合金粉末为FeCuSnNi预合金粉，并且所述预合金粉末中含有35.5-36.5wt％的Cu、7.5-9.0wt％的Sn、11.5-12.2wt％的Ni，以及余量的Fe，所述预合金粉末的费氏粒度为6-8μm。

7.一种权利要求1所述的复合多层金刚石刀头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)按照配比将金刚石颗粒与胎体粉末混合均匀并冷压成位于中间的金刚石坯层以及位于两侧的金刚石坯层；

(2)将青铜粉冷压形成金属坯层；

(3)将位于中间的金刚石坯层、位于两侧的金刚石坯层与金属坯层依据顺序形成叠层结构；

(4)对叠层结构进行热压烧结，热压烧结的温度为725～800℃，压强为250～300kg/cm²，保温时间150～250秒。

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