CN202137854U - 具有高表面耐磨性的超硬材料刀头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，包括刀头，所述刀头的侧表面设有硬质耐磨相；刀头侧表面设有硬质耐磨相，大幅度提高了刀头表面耐磨性，保护内层胎体金属受磨损，维持刀头厚度尺寸，保障平稳的连续加工过程；刀头耐热抗氧化性增强，可有效避免因加工过程中产生的大量摩擦热而引起的胎体金属氧化失效，从而有效的增强了胎体对超硬磨料的机械把持力，提高工具的加工效率和使用寿命。

Description

具有高表面耐磨性的超硬材料刀头

技术领域

本实用新型涉及一种通过烧结制造的超硬材料刀头(亦称工作齿)，主要涉及超硬材料切割/钻削工具中的超硬材料刀头。

背景技术

目前，用于加工石材、钢筋混凝土及陶瓷等超硬材料制品(锯片及工程薄壁钻)的结构型式绝大多数为烧结型节块式工作齿，少数为圆周式连续齿，金属结合剂节刀头的制作工艺通常是将超硬磨料(金刚石或立方氮化硼)与若干种单质金属粉末或预合金粉末混合均匀后，在冷压成型设备上冷压成所需形状和尺寸的块体，热压烧结成具有较高致密度及一定硬度的成品节块。通过焊接或直接热压烧结于钢质基体上制备出成品工具，然后在开刃机上对工作齿进行磨削开刃，使超硬磨粒凸出一定高度，便于起始切割/钻削。

此种通用工艺所制备的刀头的特点是金属结合剂成分均匀的单体式节块，刀头在工作过程中易引发两个问题：①金属结合剂烧结胎体自身会逐渐磨损减薄，导致刀头厚度尺寸变小，常常会减薄至与钢质基体厚度相当；②刀齿胎体磨损后，其对超硬磨粒的把持力降低，会导致超硬磨粒过早脱落，降低工具效能。这样，在石材加工或钢筋混凝土的钻削过程中就会带来很大的弊端：在切割时会导致被加工工件的切缝宽度发生变化，工件的加工尺寸工精度变化较大，导致被加工件成品率的降低；而在钻削时，随着刀头厚度磨损减薄，易发生钻芯卡塞于钻筒内部，无法取出，或者，钻头本身卡塞于被加工件中，无法正常工作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的第一个技术问题是提供一种表面硬度高，耐磨性强的具有高表面耐磨性的超硬材料刀头。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，所述刀头的侧表面设有硬质耐磨相。

作为一种优选的技术方案，所述硬质耐磨相为设置在所述刀头表面的渗碳层、渗氮层或者强碳化物形成元素与金属结合剂反应形成的硬质耐磨层。

作为一种优选的技术方案，所述刀头包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片，所述叠片包括两个表层叠片和至少一个内层叠片，所述表层叠片的侧表面上设有硬质耐磨相。

作为一种优选的技术方案，所述叠片中包含有超硬磨粒。

作为一种优选的技术方案，所述刀头的表层叠片超硬磨粒的数量多于所述刀头的内层叠片超硬磨粒的数量。

由于采用了上述技术方案，具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，所述刀头的侧表面设有硬质耐磨相；刀头侧表面设有硬质耐磨相，大幅度提高了刀头表面耐磨性，保护内层胎体金属受磨损，维持刀头厚度尺寸，保障平稳的连续加工过程；刀头耐热抗氧化性增强，可有效避免因加工过程中产生的大量摩擦热而引起的胎体金属氧化失效，从而有效的增强了胎体对超硬磨料的机械把持力，提高工具的加工效率和使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型实施例锯片的结构示意图；

图2是本实用新型实施例叠片的超硬磨粒浓度均匀的刀头结构示意图，并且图2是图1中的A-A向视图；

图3是本实用新型实施例薄壁钻的结构示意图；

图4是本实用新型实施例叠片的超硬磨粒浓度不均的刀头结构示意图，并且图4是图3中的B-B向视图；

图5是图4中刀头使用一段时间后的结构示意图；

图6是图4中刀头设置排屑层后的结构示意图；

图7是图6中刀头使用一段时间后的结构示意图；

图中：1-刀头；2-表层叠片；3-内层叠片；4-硬质耐磨相；5-排屑层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，包括刀头1，所述刀头1包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述金属结合剂的基础成分体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末；所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼。所述超硬磨粒在所述刀头1中的体积比浓度为9％～60％。所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20％～95％，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5％～80％。

如图2所示，所述刀头1包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片，所述叠片包括两个表层叠片2和至少一个内层叠片3，所述表层叠片2的硬度和耐磨性高于所述内层叠片3的硬度和耐磨性，所述表层叠片2的侧表面上设有硬质耐磨相4，所述刀头1的表层叠片2超硬磨粒的数量多于所述刀头的内层叠片3超硬磨粒的数量。

如图4所示，以具有三层叠片的刀头为例，对表层叠片2和内层叠片3的超硬磨粒浓度进行差异化设计，表层叠片2和超硬磨粒浓度高于内层叠片3的超硬磨粒浓度，硬质耐磨相4设置于所述表层叠片2的外侧，使用过程中，内层叠片3最易磨损，表层叠片2次之，最外侧的硬质耐磨相4的耐磨性能最好，这样，在刀头1的端部呈现“U”状，如图5所示，能够减小刀头在加工过程中的切割/钻削阻力，使刀头在与被加工件紧密接触的连续加工过程中始终像车轮置于轨道上一样保持准确的加工轨迹和加工精度，提高超硬磨粒的利用率，改善工具的锋利度和使用寿命。

如图6所示，在表层叠片2和内层叠片3之间设置不含超硬磨粒的排屑层5，使用过程中，排屑层5最易被磨损，然后依次是内层叠片3、表层叠片2和硬质耐磨相4，这样的刀头使用一段时间后，端部呈现如图7所示的形状。

具有高表面耐磨性的超硬材料刀头与现有的刀头相比，本实用新型具备了下述突出优点：

①刀头的侧表面硬度明显提高，较常规工艺生产的刀头提高30％以上，可达HRB116以上，大幅度提高了刀头表面耐磨性，保护内层胎体金属受磨损，维持刀头厚度尺寸，保障平稳的连续加工过程。

②刀头侧表面的耐热抗氧化性增强，可有效避免因加工过程中产生的大量摩擦热而引起的胎体金属氧化失效，从而有效的增强了胎体对超硬磨料的机械把持力，提高工具的加工效率和使用寿命。

③可有效提高硬化耐磨层的致密度，增强硬化层对超硬磨料的固结包镶能力，降低超硬磨粒的脱落率，提高超硬磨粒的有效利用率。

④层叠式刀头可根据加工需要，将刀头表层叠片2和内层叠片3进行差别设计，内表层叠片2在金属结合剂的成分、比例及超硬磨粒的强度、粒度、浓度等方面实行差别调整，使内表层叠片2和内层叠片3间产生性能差异，表层叠片2耐磨性高，保型性好；内层叠片磨损速率适当提高，在加工过程中刀头形成外凸内凹的U型，这样，即可保持工具的整体锋利度，不“跑刀”，又可保证加工缝隙均匀一致，从而实现工具的高效、高精度加工。

下面结合实验数据对本实用新型做进一步的说明。

应用实例一：

Φ400mm单层刀头花岗岩锯片

制备(长)40mm×(高)10mm×(宽)3.2mm的花岗岩锯片刀头，如图1所示，锯片基体为65Mn钢，每片28粒刀头(为了使附图更清楚，图1中仅设置了20粒刀头，刀头的数量可以根据实际需要自由设置)。刀头金属结合剂成分体系确定为Fe-Ni-Cu-Sn，单质金属粉末与预合金粉末混配应用，金刚石体积浓度为22％(其中，粒度40/45(HWD60)占60％，粒度45/50(HWD40)占40％)。将金刚石与金属结合剂粉末混合均匀后，置于石墨模具中进行热压烧结，通过热压反应，在一定的温度和压力条件下，使石墨与刀头中的Fe反应，在成品刀头的外侧表面形成非连续分布、厚度约为0.2mm的Fe₃C硬质耐磨层，硬度为HRB116。

用此锯片切割厚度为30mm的600mm×600mm花岗岩(硬度为5级)石板，切割条件为：湿切，切机的电机功率为4KW，锯片转动线速度为36m/min，切割电流为23A。在此条件下，此锯片的切割速度可达5m/min连续切割253m²，而国内其它厂家的同类锯片平均切割速度一般为3.5～4.0m/min，切割寿命通常为200～220m²。金刚石锯片的性能指标通常体现为两个方面：锋利度(切割速度)及使用寿命，同时还要必须保证切缝质量(成品石板的棱角崩边小、加工尺寸误差小)。锋利度的好坏体现为：同等切割速度下，切机电流越小，表明切割阻力越小，则锯片的锋利度越好；同等切割电流情况下，切割速度越快，锋利度越好。而锯片的使用寿命则由切割板材的平方米数决定。

从上述切割情况比较，本实用新型的锯片刀头较其它同类产品在锋利度和使用寿命方面均有明显提高，更为突出的是：由于刀头外侧表面具有耐磨硬质相，在切割过程中刀头厚度基本不变，石板的切缝宽度变化小，石板的加工精度明显提高，成品板材的加工尺寸误差始终保持为±0.2mm，而同类其它锯片的切割尺寸误差通常为±0.5～1.0mm。

应用实例二：

Φ400mm单层刀头混凝土锯片

金刚石混凝土锯片的好坏也主要体现在切割锋利度和使用寿命两个方面。切割寿命通常以切割延长米来计算。

刀头的合金体系为Fe-Ni-Cu-Sn-WC，刀头中金刚石的体积浓度为25％(其中，粒度40/45(HWD60)占60％，粒度45/50(HWD40)占40％)。采用与应用实例一中相同的技术工艺，制备(长)40mm×(高)12mm×(宽)3.6mm的混凝土锯片刀头，同样，在刀头外侧表面上形成厚度＞0.3mm的Fe₃C+WC硬质耐磨层。将成品刀头焊于(钎焊或激光焊)钢质基体上，做成锯片。用此锯片切割厚度为80～100mm的表层带砂石硬化层的C35混凝土地坪。切割条件为：湿切，切机功率为5KW，锯片转动线速度为36m/min。在此条件下，锯片可连续切割2856m，切割速度为1.2m/min。此锯片的突出特点是：锋利度好(切割电流为23～26A，较常规锯片少7～10A)，使用寿命长，在切割过程中刀头厚度基本不变，侧面金刚石脱落极少，刀头切割面外缘始终保持为类直角状态，无明显的磨损圆钝现象，混凝土的切缝平直，推切顺畅，无切割“跑偏”现象。

应用实例三：

Φ600mm层叠式刀头混凝土锯片

制备(长)40mm×15mm(高)×4.6mm(厚)的层叠式混凝土锯片刀头：在厚度方向上由5层叠片组成，最外侧两层厚度为1.3mm，中间3层每片厚度均为1mm。刀头表层叠片2表面含有0.3mm厚的、非连续分布的WC+Fe₃C混合耐磨相，刀头外侧表面硬度可达HRB136，远高于常规普通的硬度值(通常在HRB115左右)，耐磨性极强。刀头中的金刚石体积浓度为28％，湿切300mm厚的C35钢筋混凝土路面(含四层φ8mm钢筋网)，寿命可达2200m，较其它锯片的寿命高20％左右。此锯片的使用特点是：湿切一段时间后，刀头呈外凸内凹的“U”形状，使锯片具有良好的锋利度；刀头外侧表面耐磨性好，切割过程中刀头厚度不减，路面切缝宽度均匀，锯切推进时能保持良好的切缝直线度，推进阻力小，高效省时。而普通工艺制备的刀头在切割过程中金属结合剂烧结胎体磨损较快，刀头顶端易因磨损而形成倒“U”形，切割推进时容易偏刀，切割不稳，推进阻力大，切缝直线度差，切割一段时间后锋利度衰减严重。

应用实例四：

Φ63mm单层刀头薄壁钻

制备20mm(长)×8mm(高)×4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头，如图3所示。刀头的合金体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti-Cr，超硬磨料为金刚石+立方氮化硼，通过热压反应烧结方式，在刀头外侧表面形成非连续分布的Cr₂C₃+Fe₃C的混合耐磨相，硬度可达HRB125。用此薄壁钻钻削厚度为200mm，含2层φ18mm螺纹钢的C60混凝土构件，可钻削钻孔50个以上(其它同类钻头钻孔数量一般不超过30个)，钻孔平均速度为15min/孔，较常规钻头的速度提高1倍以上，钻削效率及使用寿命的优势十分突出。此外，还有一个明显特点是：刀头外侧表面耐磨性好，钻削过程中刀头的厚度基本不变，锋利度好，钻削阻力小，钻削过程平稳快速，无钻头卡塞现象，钻芯容易取排，克服了同类产品因刀头厚度磨损减薄而带来的钻头卡塞、钻削失稳、憋机停钻、钻芯取排困难等弊端。

应用实例五：

Φ63mm单层刀头墙体用薄壁钻

制备20mm(长)×8mm(高)×4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头。刀头的合金体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为金刚石。通过热压反应烧结方式，在刀头外侧表面形成非连续分布的Fe₃C耐磨相，表面硬度为HRB118。用此薄壁钻钻削300mm厚的建筑砖墙，钻孔数量超过200孔，钻孔速度为1.5min/孔。其突出特点是：刀头表面耐磨性好，厚度自始至终基本不变，钻削速度快，推进轻松省力，排屑容易，使用寿命长，钻削效率和使用寿命较其它同类产品可提高30％以上，优势明显。

应用实例六：

Φ63mm单层刀头钢筋混凝土构件用薄壁钻

制备20mm(长)×8mm(高)×4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头。刀头的合金体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为金刚石+立方氮化硼，总体积浓度为18％。通过热压反应烧结方式，在刀头外侧表面形成非连续分布的Fe₃C耐磨相，侧表面硬度为HRB120。用此钻头钻削300mm厚、带有两层φ8mm钢筋网的建筑楼板，钻孔数量超过50孔，钻孔速度为10～20min/孔。其突出特点是：

①由于切削磨粒中含有立方氮化硼，适于切割黑色金属，因而钻头钻削含钢筋的混凝土构件时，可弥补金刚石不适于加工黑色金属的弊端，金刚石与立方氮化硼组合应用，可大幅度提高钻削效率。

②由刀头表面耐磨性好，厚度自始至终基本不变，钻削速度快，推进轻松省力，排屑容易，使用寿命长，钻削效率和使用寿命较其它同类产品可提高40％以上，优势明显。

应用实例七：

Φ63mm单层刀头高速公路维修用薄壁钻

制备20mm(长)×8mm(高)×4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头。刀头的合金体系为Fe-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为金刚石，体积浓度为20％。通过热压反应烧结方式，在刀头外侧表面形成非连续分布的Fe₃C耐磨相，侧表面硬度为HRB118。用此钻头钻削300mm厚的高速公路混凝土路面维修注浆孔，钻孔数量超过60孔，平均钻孔速度为10min/孔，较其它同类产品的钻削效率及使用寿命高20％以上。

应用实例八：

Φ63mm单层刀头高铁钢筋混凝土枕木用薄壁钻

制备20mm(长)×8mm(高)×4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头。刀头的合金体系为Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为金刚石+立方氮化硼，总体积浓度为22％。通过热压反应烧结方式，在刀头外侧表面形成厚度约为0.5mm的非连续分布的Fe₃C+WC复合耐磨相，侧表面硬度为HRB128。用此钻头钻削300mm厚、含2层φ18mm螺纹钢的高速铁路高强钢筋混凝土枕木，钻孔数量超过60孔，平均钻孔速度为5.0min/孔，较其它同类产品的钻削效率及使用寿命高50％以上。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，其特征在于：所述刀头的侧表面设有硬质耐磨相。

2.如权利要求1所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，其特征在于：所述硬质耐磨相为设置在所述刀头表面的渗碳层、渗氮层或者强碳化物形成元素与金属结合剂反应形成的硬质耐磨层。

3.如权利要求1或2所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，其特征在于：所述刀头包括平行设置且烧结在一起的至少三层叠片，所述叠片包括两个表层叠片和至少一个内层叠片，所述表层叠片的侧表面上设有硬质耐磨相。

4.如权利要求3所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，其特征在于：所述叠片中包含有超硬磨粒。

5.如权利要求4所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀头，其特征在于：所述刀头的表层叠片超硬磨粒的数量多于所述刀头的内层叠片超硬磨粒的数量。

Images