複合磨粒超硬材料節塊式刀頭的製作方法
2023-05-12 00:44:36
專利名稱：複合磨粒超硬材料節塊式刀頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過燒結製造的節塊式刀頭(亦稱工作齒)，主要涉及鋼筋混凝土構件切割/鑽削中使用的超硬材料切割/鑽削工具中的節塊式刀頭。
背景技術：
超硬材料製品是國民經濟的重要支柱行業之一，廣泛應用於航空航天、汽車、機械、建築、石材、陶瓷、電子、光學玻璃等行業領域。超硬材料鋸片及薄壁鑽在鋼筋混凝土構件的加工領域中具有不可替代的作用，尤其是隨著我國國民經濟的快速發展，涉及道路交通的建設、城鎮化進程的加速及老城區的改造等，此類超硬材料製品的消費量越來越大。目前，用於加工鋼筋混凝土構件的鋸片及工程薄壁鑽都是採用金剛石為超硬磨料，其特點是加工不含鋼筋的混凝土構件時具有較好的加工效率和壽命，但在加工含有鋼筋的混凝土構件時，由於金剛石在高溫摩擦熱量的作用下，即使是在有冷卻水的溼切/溼鑽的情況下，也極易與狗發生i^e+C — Fe3C的反應，導致金剛石碳化失效，失去加工鋼筋的作用，從而導致鋸片或薄壁鑽加工效率極低或失效，更不適於無冷卻水的幹切/幹鑽工況條件。同時，在切割/鑽削過程中，刀頭由於摩擦熱的集聚而溫度升高，會導致刀頭與基體間釺焊焊縫的軟化，焊縫的連接強度降低，在連續工作過程中易發生掉齒現象，導致工具失效。還有，常規鋼筋混凝土鋸片或薄壁鑽刀頭在工作一段時間後，常常會因金屬結合劑燒結胎體的磨損而減薄，胎體對金剛石的機械把持能力下降，金剛石極易脫落，刀頭的切削能力減弱，因而大大降低了工具的鋒利度和使用壽命，影響工具應有效能的發揮。近年來，隨著我國建築業、高速公路、高速鐵路的蓬勃發展，鋼筋混凝土構件的應用量越來越多，需要消耗越來越多的超硬材料加工工具，對超硬材料工具的性能要求也越來越高。目前，市售的鋼筋混凝土鋸片/薄壁鑽頭中的超硬磨粒均為金剛石單晶顆粒，含金剛石磨粒的刀頭可有效加工混凝土構件，但在遇有鋼筋的混凝土構件時，其加工效率和使用壽命則會大大降低，其原因在於金剛石不適合於加工黑色金屬，尤其是在高速切割/鑽削過程中摩擦熱量累積增加時，刀頭的溫度會迅速升高，在高溫下，金剛石更易鈍化失效， 導致工具的加工能力降低或失效。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種對鋼筋混凝土具有很好的切割性能的複合磨粒超硬材料節塊式刀頭。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，所述刀頭的組份包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼。作為一種優選的技術方案，所述超硬磨粒在所述刀頭中的體積比濃度為9% 60%。作為一種優選的技術方案，所述金剛石在所述超硬磨粒中的體積比濃度為20% 95 %，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的體積比濃度為5 % 80 %。作為一種優選的技術方案，所述金屬結合劑的基礎成分體系為 Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti中三種以上元素的組合，所述金屬結合劑的金屬粉末為三元以上的預合金粉末和/或單質金屬粉末。作為一種優選的技術方案，所述金屬結合劑內添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一種或一種以上的強碳化物/氮化物形成元素。由於採用了上述技術方案，複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，所述刀頭的組份包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼；金剛石對混凝土具有很好的切割性能，立方氮化硼對鋼筋具有很好的切割性能，金剛石和立方氮化硼配合使用，金剛石主攻混凝土，立方氮化硼主攻鋼筋，可大幅度提高超硬材料製品加工混凝土構件的效率及壽命，拓寬超硬材料製品的應用範圍，不僅適合於溼切/溼鑽，還能適合於幹切/幹鑽，較好的滿足現代條件下的家庭裝修工程對幹切/幹鑽的工況條件要求。
具體實施例方式下面結合實施例和應用實例，進一步闡述本發明。在下面的詳細描述中，只通過說明的方式描述了本發明的某些示範性實施例。毋庸置疑，本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實施例進行修正。因此，描述在本質上是說明性的，而不是用於限制權利要求的保護範圍。複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，所述刀頭的組份包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，所述金屬結合劑的基礎成分體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn中三種以上元素的組合，所述金屬結合劑的金屬粉末為三元以上的預合金粉末和/或單質金屬粉末；所述超硬磨粒在所述刀頭中的體積比濃度為9 % 60 % ；所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼，所述金剛石在所述超硬磨粒中的體積比濃度為20% 95%，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的體積比濃度為5% 80%。為了增強刀頭的表面硬度，提高刀頭的耐磨性，所述金屬結合劑內添加有Cr、W、V、 Si和Ti中的一種或一種以上的強碳化物/氮化物形成元素，在熱壓反應燒結刀頭的過程中，Cr、W、V、Si和Ti中的一種或一種以上的強碳化物/氮化物形成元素與金屬結合劑反應，在刀頭的側表明形成硬質耐磨相，增強刀頭表面耐磨性，延長工具壽命，提高加工精度。採用上述技術處理後，與其它常規工藝生產的刀頭相比，本發明刀頭具備了下述突出優點①由於刀頭中的超硬磨料採用金剛石與CBN組配應用，充分發揮了兩種不同磨料的性能特點，大大改善了鋸片或薄壁鑽對鋼筋混凝土構件的加工效能，其效率及使用壽命都較常規單一採用金剛石磨料的工具有大幅度提高。刀頭的側表面硬度明顯提高，較常規工藝生產的刀頭提高30%以上，可達HRB116 以上，大幅度提高了刀頭表面耐磨性，保護內層胎體金屬受磨損，維持刀頭厚度尺寸，保障平穩的連續加工過程。②由於刀頭中含有CBN磨料，大大增強了工具對鋼筋的加工能力，本發明刀頭不僅適用於有冷卻水的溼切/溼鑽工況，還適合於無冷卻水的幹切/幹鑽工況，這是以往常規含單一金剛石磨粒的工具所不及的。
③所述金屬結合劑內添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一種或一種以上的強碳化物/ 氮化物形成元素後，製造的刀頭側表面具有硬質耐磨相，刀頭表面硬化處理後，抗氧化性及耐磨性增強，燒結胎體對表層金剛石的機械把持力增強，金剛石的脫落率降低，有效利用率提高，刀頭在加工過程中不易磨損減薄，可保持良好的加工精度和加工效率。本發明將金剛石與立方氮化硼(CBN)有機組合，對二者實施優勢互補在加工無鋼筋的混凝土部位時，刀頭中的金剛石可充分發揮對混凝土的加工優勢，保證工具的加工效能；而當遇到鋼筋部位時，則可充分發揮立方氮化硼(CBN)對黑色金屬的加工優勢，保證快速切斷鋼筋，金剛石與立方氮化硼(CBN)交替發揮優勢作用，則會大大提高工具的整體加工效能，大幅度改善工具的加工效率和使用壽命。 下面結合實驗數據對本發明做進一步的說明。應用實例一Φ63πιπι單層刀頭薄壁鑽製備20mm(長)X8mm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鑽刀頭。刀頭的合金體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為65%金剛石和35 %立方氮化硼，其總的體積濃度為 18% 22%。刀頭的金屬結合劑採用預合金粉末與單質金屬粉末組合應用方式，先將金屬結合劑與超硬磨料混合均勻後冷壓成型為單層節塊胚體，然後再將冷壓胚體置於熱壓燒結模具中，在860°C熱壓反應燒結，燒製成緻密度>98. 5%的單層節塊刀頭，並使刀頭外側表面形成非連續分布的I^e3C耐磨相，表面局部硬度可達HRB127。將開刃後的燒制刀頭焊於鋼質基體上，成品薄壁鑽頭。用此薄壁鑽鑽削厚度為200mm，含4層Φ 18mm螺紋鋼的C50混凝土構件，可鑽削鑽孔70個以上，鑽孔平均速度為5 15min/孔，較常規鑽頭的速度提高1倍以上，鑽削效率及使用壽命的優勢十分突出。此外，由於刀頭外側表面耐磨性好，鑽削過程中刀頭不易磨損減薄，鋒利度好，鑽削過程平穩快速，無鑽頭卡塞現象，鑽芯容易取排，克服了同類產品因刀頭厚度磨損減薄而帶來的卡鑽、停鑽、取芯困難等問題。應用實例二 Φ 63mm層疊式刀頭薄壁鑽製備整體尺寸為20mm(長)X8mm(高)X3mm(厚)的薄壁鑽刀頭，其厚度方向為三個Imm厚的疊片疊加燒制而成。刀頭各層片的金屬結合劑的合金體系均為 Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti系，超硬磨料為70%金剛石和30%立方氮化硼(CBN)。外側兩片超硬磨料的體積濃度為20%，中間層片的體積濃度為16%。先將金屬結合劑與超硬磨料混合均勻後冷壓成胚，然後將冷壓胚體疊加組裝於熱壓燒結模具中，在熱壓機上於850°C燒制「三明治」式成品刀頭，再將開刃後的成品刀頭焊於鋼質基體上，製備出成品薄壁鑽頭。同樣，熱壓燒結過程中，在刀頭外側表面也可生成非連續分布的!^e3C硬質耐磨相。用此薄壁鑽溼鑽厚200mm，含4層Φ 18mm螺紋鋼的C60混凝土預製板，在臺式鑽機上的鑽削平均速度為2. 5min/孔，鑽孔數量超過90孔。而用手持式鑽機幹鑽厚度為300mm 的磚牆，其鑽孔數量超過200孔，平均鑽削速度為1. 5min/孔，其效率和壽命的優勢較為明顯。應用實例三 Φ 400mm單層刀頭鋼筋混凝土鋸片
刀頭金屬結合劑合金體系為i^-Ni-Cu-Co-Sn-Ti，超硬磨料為70%金剛石和30% 立方氮化硼(CBN)，製備(長)40mmX (高)12mmX (寬)3. 6mm的鋼筋混凝土單層鋸片刀頭， 刀頭中超硬磨料的總的體積濃度為25%。首先將金屬結合劑與超硬磨料混配均勻後冷壓成節塊胚體，然後將冷壓胚體置於燒結模具中在熱壓機上進行熱壓燒結，燒結溫度為860°C， 燒結刀頭的平均硬度為HRB115。最後，將燒制的成品刀頭經開刃後焊於鋼質基體上，製備出成品鋸片。用此鋸片溼切厚度為100mm，含2層Φ 8mm鋼筋網的混凝土預製板，切機功率為 4KW，轉動線速度為36m/min，鋸片的切割速度為1. lm/min，切割壽命為1200m。此鋸片在切割厚度為80mm無鋼筋的C25水泥地坪，切割速度為1. 3m/min,切割壽命超過2000延長米。應用實例四Φ 400mm層疊式刀頭混凝土鋸片製備尺寸為(長)20mmX (高)12mmX (寬)3. 6mm的三疊層鋼筋混凝土鋸片刀頭。 金屬結合劑合金體系為i^e-Ni-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為金剛石和立方氮化硼(CBN)的組合磨粒。外層片超硬磨料的體積濃度為26% (70%金剛石+30% CBN)，內層片超硬磨料的濃度為20% (70%金剛石+30% CBN)。在與應用實例三相同的工況條件下，溼切厚度100mm、含 2層Φ8πιπι的鋼筋混凝土預製板，平均切割速度為1. ;3m/min，切割過程平穩，遇到鋼筋時也能保持勻速切進，鋸片切割壽命超過1200延長米。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，所述刀頭的組份包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，其特徵在於所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼。
2.如權利要求1所述的複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，其特徵在於所述超硬磨粒在所述刀頭中的體積比濃度為9% 60%。
3.如權利要求2所述的複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，其特徵在於所述金剛石在所述超硬磨粒中的體積比濃度為20 % 95 %，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的體積比濃度為5% 80%。
4.如權利要求1所述的複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，其特徵在於所述金屬結合劑的基礎成分體系為 ^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti中三種以上元素的組合，所述金屬結合劑的金屬粉末為三元以上的預合金粉末和/或單質金屬粉末。
5.如權利要求4所述的複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，其特徵在於所述金屬結合劑內添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一種或一種以上的強碳化物/氮化物形成元素。
全文摘要
本發明公開了一種複合磨粒超硬材料節塊式刀頭，所述刀頭的組份包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼；金剛石對混凝土具有很好的切割性能，立方氮化硼對鋼筋具有很好的切割性能，金剛石和立方氮化硼配合使用，金剛石主攻混凝土，立方氮化硼主攻鋼筋，可大幅度提高超硬材料製品加工混凝土構件的效率及壽命，拓寬超硬材料製品的應用範圍，不僅適合於溼切/溼鑽，還能適合於幹切/幹鑽，較好的滿足現代條件下的家庭裝修工程對幹切/幹鑽的工況條件要求。
文檔編號B28D1/14GK102248604SQ20111019321
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者陳濤 申請人:山東日能超硬材料有限公司