CN1918312A - 制备切削工具用的金刚石切割部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备切削工具用的金刚石切割部件的方法。根据本发明，使用锻造，以将高压施加至从金属粉末预成型的和达到高温的部件，由此使得能够完全闭合所述材料的孔隙。借助于热动态能量传送对金属进行致密化。上述锻造技术特别适合使用低成本的金属粉末制备金刚石切割部件。上述锻造操作包括机械压力的闭模施加，所述机械压力为400MPa至700MPa之间，所述压力的施加时间为约几秒钟，以及锻造温度为小于1000℃。

Description

制备切削工具用的金刚石切割部件的方法
技术领域
本发明涉及通过烧结制备切削工具用的金刚石切割部件(diamondsegment)的方法，所述方法包括连续进行以下操作：
-混合金属粉末与金刚石颗粒，
-通过冷压预成型所述混合物，获得可处理的预成型件，以及
-热预烧结所述预成型件，以消除压紧残余物(compaction residues)和对所述预成型件进行脱氧，同时进行烧结的初期阶段(beginning ofsintering)。
背景技术
切削工具金刚石切割部件的制造基于粉末冶金学，其包括：通过热和机械效应，固结预定组成的金属粉末与天然或合成金刚石颗粒。获得的产物为由烧结金属构成的物体，其性能取决于基本金属粉末的性质和烧结条件。
下述不同技术常用于制造金刚石切割部件：
-自由烧结：在中性或还原气氛下于炉中进行固结，而没有提供任何机械能，
-加压烧结：在中性或还原气氛下于炉中进行固结，通过压力(气体压力或机械压力)提供额外的能量。
自由烧结技术在900-1200℃之间的温度和大气压力下进行。制造周期时间相当长(数小时)，并且所述烧结材料获得的紧密度(compactness)为约92-95％。然后，烧结后部件的残余孔隙率易于损害烧结材料和金刚石的机械强度。当低压下的温度超过1000℃时，金刚石的热稳定性实际上受到相当大的影响。
机械加压烧结技术在700-1200℃之间的温度和250-400巴(25-40MPa)的压力下进行。周期时间为约15分钟，紧密度为97-99％。这种技术要求相当多的人力，并且使用石墨活塞施加负载，这增加了消耗品的成本。
气体加压烧结技术在700-1000℃的温度和2000-2500巴(200-250MPa)的压力下进行。获得的紧密度为99％-100％，周期时间为数小时。这种技术也要求相当多的人力，以及制造设备需要昂贵的投资。
无论使用哪种烧结技术，通过烧结制造金刚石切割部件的的标准制造步骤如下：
-混合金属粉末和金刚石颗粒，
-通过冷压预成型所述产品，以压实所述混合物，
-组装烧结单元，
-自由烧结或加压烧结，
-回收烧结的产品，
-精加工烧结的产品。
金刚石切割部件中存在金刚石意味着制造商必须在尽可能低的温度下加工，以避免损害金刚石。此外，为了具有恰当的寿命和切削质量，残余孔隙率必须低，显著地小于2％。
这两种必须性导致了下述限制：
·使用施加压力的烧结工艺；
·使用粒度分析小于50微米的昂贵微细粉末，这使得烧结条件降低。
与自由烧结相比，这导致了相当多的金刚石切割部件额外制造成本。
存在冶金中常用的低成本金属粉末，但是它们非常粗糙，特别是大于50微米。这些材料不能用于根据上述烧结技术制造的金刚石切削工具，因为使用的温度和压力太低，以致于不能恰当地降低烧结结构的孔隙率。
文献CH 471 641描述了使用含有硬质合金和黑色金属的冷压粉末制造金刚石工具的方法，浸渍温度最低等于铜的熔点，且最高等于1130℃。
发明内容
本发明的第一目的包括：基于烧结的金属粉末，开发一种制造切削工具用的金刚石切割部件的方法，使得能够获得具有低残余孔隙率的均匀结构，以及具有改进的机械性能。
根据本发明，该目的是通过以下事实获得的：在预烧结后，通过机械压力的闭模施加(closed die application)对所述预成型件进行锻造操作，所述机械压力为400MPa至700MPa之间，所述压力的施加时间为约几秒钟，以及锻造温度为小于1000℃。锻造部件的残余孔隙率小于2％。
将所述模预先加热至200℃至约450℃之间的温度，以及借助冲压装置(press stamp)，将机械锻造压力施加至所述预成型件。优选地，在预烧结前，在420℃至560℃之间的温度下，对所述预成型件进行脱蜡处理，然后在氮气流中冷却。
本发明的第二目的涉及含有铁的低成本金属粉末在通过热烧结制造金刚石切割部件中作为粘结料的用途，从而使得能够减小孔隙率，增加结构的密度。
为此，粘结料含有下述混合物：50-100重量％的粒度分析小于300微米的钢粉，所述钢粉含有Fe、C、Ni和Mo，以及0-50重量％的成分A，其可为青铜、碳化钨或者设计用来改变粘结料性能的任何其它成分或化合物。
钢粉的组成含有以重量百分比计的：
-90-97％的Fe，
-0.01-0.1％的C，
-1-3％的Ni，
-0.1-0.8％的Mo。
-可能的其它成分，例如铬、钒或锰。
在成分A是青铜的情况下，钢粉的组成优选以重量百分比计为：
-1.8-2％的Ni，
-含量小于0.06％的C，
-0.5-0.6％的Mo，
-0.15-0.25％的Mn，
-余量的Fe，
以及20％的青铜。成分A的青铜能够有利地为具有小于400目粒度分析的无规90/10青铜(irregular 90/10 branze)。
在成分A是碳化钨的情况下，钢粉的组成优选以重量百分比计为：
-1.5-2％的Ni，
-1.35-1.65％的Cu，
-含量小于0.01％的C，
-0.45-0.6％的Mo，
以及10％的碳化钨。成分A的碳化钨具有小于35微米的粒度分析。
附图说明
从下述本发明的具体实施方式的描述中，其它优点和特征将是清楚易见的，所述的具体实施方式仅以非限制性实例形式给出，并且表示在附图中，其中：
图1是本发明制备方法步骤的概图；
图2显示了密闭和加热的模锻造步骤的示意横截面图。
具体实施方式
本发明涉及使用锻造技术，将高压施加至加热至高温的由金属粉末制成的预成型部件，这使得完全闭合这些材料的孔隙。通过热动态能量传送(hot dynamic energy transmission)，实现了金属的致密化。这种锻造技术特别适合使用低成本的金属粉末代替常规的烧结粘结料，来制造金刚石切割部件。
以下给出本发明方法中使用的金属粉末组成的两个实施例。
实施例1：钢和青铜基粉末
具有下述组成的混合物：
80重量％的钢粉，所述钢粉含有：
·Fe：＞90％
·C：＜0.06％
·Ni：1-2％
·Mo：0.5-0.6％
·Mn：0.15-0.25％
粒度分析：+250μ：0％
          150μ-250μ：＜18％
          45μ-150μ：余量
          ＜45μ：15-30％
以及，20重量％的无规90/10青铜＜400目。
该混合物特别适合制备切割干硬性混凝土用的工具。金刚石组成是可变的，且根据切割类型、工具的直径和机器的功率而改变。
实施例2：钢和碳化钨基粉末
具有下述组成的混合物：
90重量％的钢粉，所述钢粉含有：
·Fe：＞90％
·C：＜0.01％
·Ni：1.58-1.93％
·Cu：1.35-1.65％
·Mo：0.45-0.55％，
粒度分析：+212μ：0％
          180μ--212μ：＜2％
          150μ-180μ：余量
          150μ-212μ：＜12％
          45μ-150μ：余量
          ＜45μ：10-30％
以及10重量％的粒度分析小于35μ的碳化钨。
该混合物特别适合制备切割沥青用的工具。金刚石的组成是可变的，且根据切割类型、工具的直径和机器的功率而改变。添加各种成分，例如石墨、碳化或未碳化的铁合金、青铜、铜等，使得能够获得各种性质，从而使得这些粘结料适合任何使用金刚石工具的切削用途。
制备金刚石切割部件的方法的不同步骤如图1所示：
步骤1：制备和混合所述粉末
首先，将两实施例1或2之一的金属粉末混合在一起，并以预定比例与金刚石颗粒混合。
步骤2：冷压
使用合适的模具，在水力或机械压力机上，以常规的方式，通过冷压所述混合物，来进行该压紧操作，从而获得可处理的预成型件。压力通常为100-600MPa，取决于混合物中金属粉末的性质。
步骤3：预烧结
该操作实质上设计用来消除有机压紧残余物，对部件进行脱氧，以及进行烧结的初期阶段。
在420至560℃之间的温度进行预先脱蜡(prior dewaxing)5-30分钟。
然后，在还原气流下，于820-900℃的炉中进行预烧结3-30分钟。预烧结可以如同脱蜡在相同的密闭空间(enclosure)中进行。
冷却后，预烧结的切割部件能够获得氧化保护层。为此，使用D17A型石墨涂层(graphite spray)。如果已经冷却了部件，最后在中性或还原气体下，于锻造温度(例如870℃)下，进行加热。
步骤4：锻造以闭合孔隙
在预先加热至200-450℃和润滑过的冷模中施加压力，进行锻造操作。使用的压力机可为机械或水力螺杆压力机。
如图2所示，借助于冲压机(stamp)10，将机械压力施加至预烧结的部件PR上。压力随加工条件和材料而变化。对于上述实施例，其值如下：
-锻造压力在400MPa至700MPa之间，
-模入口处(die input)的有效锻造温度为约750℃-850℃，
-压力施加时间小于5秒。
步骤5：后处理
然后对烧结的部件进行砂磨并冷却，可能的话，进行热处理，以及最终加工。
使用本发明的锻造技术成本上比常规机械加压烧结低，因为本发明的锻造技术能够使用低成本的较粗糙粉末，大约大于50微米，同时保持相对温和的温度(约750℃至950℃)，以避免损害金刚石。而且，由于获得了大于98％的紧密度的事实，机械性能得以显著改进。
密度从7.6增加至7.85(100％密度)，使得抗张强度增加40％，而断裂伸长率增加4倍。孔隙率的减小使得弹性能够增加5倍，而在用常规烧结获得的95％至98％紧密度之间弹性几乎没有变化。
能够容易锻造上述实施例1或2的粉末的混合物，并且有利地代替常规烧结粘结料，以制备切削工具用的金刚石切割部件。
优选在气流中处理预成型件，以防止氧化。
粉末混合物含有50％-100重量％的粒度分析小于300微米的钢粉，其含有Fe、C、Ni和Mo。
此外，钢粉能够含有0.1％-0.8％的Mn或1％-2％的Cu。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.通过烧结制备切削工具用的金刚石切割部件的方法，所述方法包括连续进行以下操作：
-混合金属粉末与金刚石颗粒，
-通过冷压预成型所述混合物，获得可处理的预成型件，以及
-热预烧结所述预成型件，以消除压紧残余物和对所述预成型件进行
脱氧，同时进行烧结的初期阶段，
所述方法的特征在于：在预烧结后，通过机械压力的闭模施加对所述预成型件进行锻造操作，所述机械压力为400MPa至700MPa之间，所述压力的施加时间为约几秒钟，以及锻造温度为小于1000℃。
2.权利要求1的制备方法，其特征在于：将所述模预先加热至200℃至约450℃之间的温度。
3.权利要求1的制备方法，其特征在于：通过模-冲压组件，将机械锻造压力施加至所述预成型件。
4.权利要求1的制备方法，其特征在于：在预烧结前，在420℃至560℃之间的温度下，对所述预成型件进行脱蜡处理。
5.权利要求4的制备方法，其特征在于：冷却后，所述预成型件被石墨层覆盖，以防止氧化。
6.权利要求4的制备方法，其特征在于：在气流中处理所述预成型件，以防止氧化。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于金属粉末混合物含有：
-50-100重量％的粒度分析小于300微米的钢粉，所述钢粉含有Fe、C、Ni和Mo，以及
0-50重量％的成分A，其可为青铜、碳化钨或者设计用来改变金属压型性能的任何其它成分。
8.权利要求7的方法，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-90-97％的Fe，
-0.01-0.1％的C，
-1-3％的Ni，
-0.1-0.8％的Mo。
9.权利要求8的方法，其特征在于：钢粉还含有0.1-0.8％的Mn。
10.权利要求9的方法，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-1.8-2％的Ni，
-含量小于0.06％的C，
-0.5-0.6％的Mo，
-0.15-0.25％的Mn，
-余量的Fe，
20％的青铜。
11.权利要求8的方法，其特征在于：所述钢粉组成含有1-2％的Cu。
12.权利要求11的金刚石切割部件，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-1.5-2％的Ni，
-1.35-1.65％的Cu，
-含量小于0.01％的C，
-0.45-0.6％的Mo，
-以及10％的碳化钨。
13.权利要求10的方法，其特征在于：成分A青铜为无规90/10青铜。
14.权利要求12的方法，其特征在于：成分A碳化钨具有小于35微米的粒度分析。
15.权利要求1的制备方法，其特征在于：锻造温度优选为750-900℃之间。
16.权利要求1的制备方法，其特征在于：锻造部件的残余孔隙率小于2％。

Claims (16)

1.通过烧结制备切削工具用的金刚石切割部件的方法，所述方法包括连续进行以下操作：
-混合金属粉末与金刚石颗粒，
-通过冷压预成型所述混合物，获得可处理的预成型件，以及
-热预烧结所述预成型件，以消除压紧残余物和对所述预成型件进行
脱氧，同时进行烧结的初期阶段，
所述方法的特征在于：在预烧结后，通过机械压力的闭模施加对所述预成型件进行锻造操作，所述机械压力为400MPa至700MPa之间，所述压力的施加时间为约几秒钟，以及锻造温度为小于1000℃。
2.权利要求1的制备方法，其特征在于：将所述模预先加热至200℃至约450℃之间的温度。
3.权利要求1的制备方法，其特征在于：通过模-冲压组件，将机械锻造压力施加至所述预成型件。
4.权利要求1的制备方法，其特征在于：在预烧结前，在420℃至560℃之间的温度下，对所述预成型件进行脱蜡处理。
5.权利要求4的制备方法，其特征在于：冷却后，所述预成型件被石墨层覆盖，以防止氧化。
6.权利要求4的制备方法，其特征在于：在气流中处理所述预成型件，以防止氧化。
7.切削工具用的金刚石切割部件，其是由热烧结金属粉末混合物而制成的，所述金属粉末混合物含有：
-50-100重量％的粒度分析小于300微米的钢粉，所述钢粉含有Fe、
C、Ni和Mo，以及
-0-50重量％的成分A，其可为青铜、碳化钨或者设计用来改变金属
压型性能的任何其它成分，
特征在于：金刚石切割部件是由权利要求1-6中任一项方法制备的。
8.权利要求7的金刚石切割部件，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-90-97％的Fe，
-0.01-0.1％的C，
-1-3％的Ni，
-0.1-0.8％的Mo。
9.权利要求8的金刚石切割部件，其特征在于：钢粉还含有0.1-0.8％的Mn。
10.权利要求9的金刚石切割部件，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-1.8-2％的Ni，
-含量小于0.06％的C，
-0.5-0.6％的Mo，
-0.15-0.25％的Mn，
-余量的Fe，
以及20％的青铜。
11.权利要求8的金刚石切割部件，其特征在于：所述钢粉组成含有1-2％的Cu。
12.权利要求11的金刚石切割部件，其特征在于：所述钢粉的组成以重量百分比计为：
-1.5-2％的Ni，
-1.35-1.65％的Cu，
-含量小于0.01％的C，
-0.45-0.6％的Mo，
-以及10％的碳化钨。
13.权利要求10的金刚石切割部件，其特征在于：成分A青铜为无规90/10青铜。
14.权利要求12的金刚石切割部件，其特征在于：成分A碳化钨具有小于35微米的粒度分析。
15.权利要求1的制备方法，其特征在于：锻造温度优选为750-900℃之间。
16.权利要求1的制备方法，其特征在于：锻造部件的残余孔隙率小于2％。
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