CN108687350B - 自蔓延反应制备金刚石刀头的方法及金刚石刀头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自蔓延反应制备金刚石刀头的方法及金刚石刀头，属于金刚石工具的技术领域。本发明所述的自蔓延反应制备金刚石刀头的方法，其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由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉，并且所述铝热反应粉中还含有氧化亚铁粉；还涉及由上述方法制备得到的金刚石刀头。本发明采用在加热烧结过程中可自蔓延放热的冷态球磨铝铁合金粉，无需加压烧结即可得到孔隙率小于10％且把持力高的金刚石刀头，而且由于可在隧道炉内无压致密烧结，与现有技术相比本发明的方法显著提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种自蔓延反应制备金刚石刀头的方法。
背景技术
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。
为了提高生产效率并提高金刚石刀头的产品质量，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、10～30％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Al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Al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
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蔓延反应制备金刚石刀头的方法及金刚石刀头。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种自蔓延反应制备金刚石刀头的方法，其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由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉，并且所述铝热反应粉中还含有氧化亚铁粉。
其中，所述金属结合剂中铝热反应粉的重量百分比为10～65wt％，优选为20～60wt％，更优选为25～55wt％。
其中，所述金属结合剂包括10～65wt％的铝热反应粉，和余量的选自Fe、Cu、Sn和Ni 中的至少一种组分。
其中，所述铝热反应粉中铁粉和氧化亚铁粉中的Fe元素和铝粉中的Al元素的摩尔比为 3～5∶1。
其中，所述铝热反应粉在-100℃以下的低温环境下混合球磨得到。
其中，所述坯料的压实密度为理论密度的50～90％，优选为55～85％。
其中，冷压的压力为30～100MPa，自由烧结温度为760～880℃。
本发明的第二方面还包括一种由自蔓延反应制备得到的金刚石刀头。作为优选地，所述金刚石刀头的横截面中最大的孔隙尺寸小于20μm，优选小于10μm。
其中，所述金刚石刀头的HRB表面硬度为88～103，抗弯强度≥650MPa。
与最接近的现有技术相比，本发明所述的自蔓延反应制备金刚石刀头的方法及其制备方法具有以下有益效果：
本发明采用在加热烧结过程中可自蔓延放热的冷态球磨铝铁合金粉，无需加压烧结即可得到孔隙率小且把持力高的金刚石刀头，而且由于可在隧道炉内无压致密烧结，与现有技术相比本发明的方法显著提高了生产效率。
附图说明
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。
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
以下将结合具体实施例对本发明所述的自蔓延反应制备金刚石刀头的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。
本发明提供了一种高效制备金刚石刀头的方法，本发明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进行自由烧结，也可以获得类似于加压烧结的致密性；而且在铝热反应粉中添加少量的氧化亚铁FeO能够进一步提高金刚石的把持力，从而可以延长金刚石刀头的使用寿命。通过SEM图像分析可发现采用本发明的方法制备的金刚石刀头的横截面中最大的孔隙尺寸小于20μm，孔隙率约为10％左右。
作为一个无限制性地例子，本发明所述的铝热反应制备金刚石刀头的主要步骤如下：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉以及氧化亚铁粉按铝和铁的原子比为1∶3～5的比例在惰性气氛保护下冷态(-50℃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。其中，氧化亚铁约占整个铁原子的1.0～20.0％(mol)，如果氧化亚铁的含量超过20％(mol)会导致孔隙率显著增大，而如果氧化亚铁的含量低于1.0％(mol)，其改进金刚石把持力的效果不明显。
在惰性保护气氛中取料，出料粒度＜2μm。将得到的铝热反应粉按配方比例与其它金属粉末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。
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20上中在隧道炉或钟罩炉中自由烧结，烧结温度为750～850℃，烧结时间为15～60分钟，烧结后炉中缓冷至室温即可。
在实施例1和2中铝热反应粉通过以下方法制备得到：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉以及氧化亚铁按铝原子与铁原子比为1∶3的比例在惰性气氛保护下冷态(液氮-100℃以下)混合球磨，球料比为8∶1，球磨时间为12小时，其中羰基铁粉与氧化亚铁的摩尔比为9∶1。
实施例1
采用20重量份的羰基铁粉、52重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、20重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为50分钟。刀头的真实孔隙率约为10％，平均硬度HRB为109，平均抗弯强度为920MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.8m/min，切割寿命为1850米。
实施例2
采用10重量份的羰基铁粉、32重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、50重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为30分钟。刀头的真实孔隙率约为10％，平均硬度HRB为102，平均抗弯强度为900MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.6m/min，切割寿命为1750米。
在比较例1和2中铝热反应粉通过以下方法制备得到：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉按1∶3的摩尔比在惰性气氛保护下冷态(液氮 -100℃以下)混合球磨，球料比为8∶1，球磨时间为12小时。
比较例1
采用20重量份的羰基铁粉、52重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、20重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为50分钟。刀头的真实孔隙率约为10％，平均硬度HRB为105，平均抗弯强度为900MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.8m/min，切割寿命为1650米。
比较例2
采用10重量份的羰基铁粉、32重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、50重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为30分钟。刀头的真实孔隙率约为10％，平均硬度HRB为100，平均抗弯强度为880MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.6m/min，切割寿命为1600米。
在比较例3和4中铝热反应粉通过以下方法制备得到：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)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。
比较例3
采用20重量份的羰基铁粉、52重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、20重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为50分钟。刀头的真实孔隙率约为16％，平均硬度HRB为102，平均抗弯强度为870MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.5m/min，切割寿命为1350米。
比较例4
采用10重量份的羰基铁粉、32重量份的YA416预合金粉(500目的水雾化法制备的Fe-Cu-Ni-Sn系预合金粉末，购自秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司)、50重量份的铝热反应粉、8重量份的羰基镍粉的配方体系制备直径为400mm花岗岩锯片。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) ×15mm(高)×3.6mm(厚)的节块式刀头坯体(其外观结构如图2所示，金刚石体积浓度为38％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度850℃，烧结时间为30分钟。刀头的真实孔隙率约为16％，平均硬度HRB为100，平均抗弯强度为850MPa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的C25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.5m/min，切割寿命为1300米。
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 (5)
1.一种自蔓延反应制备金刚石刀头的方法，其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由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉，并且所述铝热反应粉中还含有氧化亚铁粉，所述氧化亚铁占整个铁原子的1.0～20.0％(mol)，所述铝热反应粉中铁粉和氧化亚铁粉中的Fe元素和铝粉中的Al元素的摩尔比为3～5∶1；所述金属结合剂中铝热反应粉的重量百分比为10～65wt％；冷压的压力为30～100MPa，自由烧结温度为760～880℃；其中，所述铝热反应粉在-100℃以下的低温环境下混合球磨得到。
2.根据权利要求1所述的自蔓延反应制备金刚石刀头的方法，其特征在于：所述坯料的压实密度为理论密度的50～90％。
3.一种金刚石刀头，其特征在于：所述金刚石刀头由权利要求1或2所述的自蔓延反应制备金刚石刀头的方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的金刚石刀头，其特征在于：所述金刚石刀头的横截面中最大的孔隙尺寸小于20μm。
5.根据权利要求4所述的金刚石刀头，其特征在于：所述金刚石刀头的HRB表面硬度为88～103，抗弯强度≥650MPa。
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