自發熱式自由燒結金剛石刀頭的製備方法與流程

2023-05-02 17:45:31 2

本發明涉及金剛石工具的技術領域，更具體地說，本發明涉及一種自發熱式自由燒結金剛石刀頭的製備方法。

背景技術：

在現有技術中，焊接類金屬結合劑超硬材料製品刀頭均採用粉末冶金生產工藝製備，其方法是將金屬粉末與金剛石磨粒混合均勻，然後冷壓成型、熱壓/無壓燒結。冷壓成型坯體通常採用兩種燒結生產工藝：最普遍的是將坯體在熱壓燒結機上組裝於石墨模具中加壓燒結；另外一種是將坯體置於具有還原氣氛的連續式隧道爐或鐘罩爐中自由燒結。這兩種生產方式所需能量完全由外部設備提供，刀頭性能受原材料及工藝參數的變化影響極大，尤其是鋒利度的調控難度較大。熱壓燒結工藝胎體對金剛石的把持力強，壽命長，但鋒利度受限，且能耗高，效率低。在隧道爐或鐘罩爐中自由式燒結的能耗低，效率非常高，但燒結坯體在無壓條件下的緻密度及其對金剛石的把持力有限，切割過程中金剛石易脫落失效，這是金剛石製品無壓燒結工藝所普遍存在的技術難題，也是無壓燒結難以推廣應用的障礙瓶頸，因而，未能在行業中普遍應用。

為了提高生產效率並提高金剛石刀頭的產品質量，而引進新的燒結機制開發新的材料體系，增強胎體對金剛石的收縮固結把持力，是金剛石製品無壓燒結技術的迫切需求。中國發明專利申請公布cn101342686a公開了一種自蔓延高溫製備金剛石模塊的方法，其利用tico或tini的自蔓延反應來提高與鍍鎳的金剛石刀頭之間的把持力，但該方法採用的是稀缺且價高的ti、co和ni粉，為了保證把持力還要預先對金剛石進行鍍鎳處理，從而導致成本高，難以推廣應用。中國發明專利申請公布cn103521774a公開了一種自蔓延製備金剛石節塊工具的方法，其中採用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合金作為結合劑，其中利用了ni和al的自蔓延反應並利用元素cr和ti元素在金剛石表面形成cr-c、ti-c等化學冶金結合來提高胎體與金剛石的把持力，其中ni、cr、ti等成本高，而且其中反應迅速容易導致過多的孔隙，從而導致其切削性能差，切削使用壽命較低。由於al和fe與金剛石的親和力較差，採用常規的鋁和鐵的鋁熱反應方法製備的金剛石刀頭其把持力差，尤其是應用於金剛石切削刀頭的使用壽命僅有常規熱壓方法的1/3～1/5，因而被認為無實際應用和使用價值。

技術實現要素：

為了降低成本、提高生產效率並克服現有技術中的技術難題，本發明的提供了一種自發熱式自由燒結金剛石刀頭及其製備方法。

為了實現上述發明目的，本發明採用了以下技術方案：

一種自發熱式自由燒結金剛石刀頭的製備方法，所述製備方法是將金屬結合劑與金剛石混合均勻、冷壓得到刀頭坯料後經自由燒結而成，其特徵在於：所述金屬結合劑中包括鋁熱反應粉和預合金化粉。

其中，所述鋁熱反應粉由鐵粉和鋁粉經冷態混合球磨得到的鋁熱反應粉。

其中，所述金屬結合劑包括10～65wt％的鋁熱反應粉，和餘量的預合金粉。

其中，所述金屬結合劑包括10～65wt％的鋁熱反應粉、15～60wt％的預合金粉，和5～30wt％的金屬粉組成。

其中，所述預合金粉選自fe、cu、sn和ni中的至少兩種組分。

其中，所述鋁熱反應粉中鐵粉和鋁粉的摩爾比為3～5∶1，優選為3∶1。

其中，所述坯料的壓實密度為理論密度的50％～90％，優選為55％～80％。

其中，所述鋁熱反應粉在-100℃以下的低溫和保護氣氛下混合球磨得到。

其中，冷壓的壓力為30～100mpa，自由燒結的溫度為760～880℃。

與最接近的現有技術相比，本發明的自發熱式自由燒結金剛石刀頭的製備方法具有以下有益效果：

本發明採用的金屬結合劑採用了預合金粉和冷態球磨鋁鐵合金粉，無需加壓燒結即可得到孔隙率低且把持力高的金剛石刀頭，本發明的方法由於可在隧道爐內無壓緻密燒結，不僅保證了產品質量而且與現有技術相比大大還提高了生產效率。

附圖說明

圖1為金剛石刀頭坯料在隧道爐中無壓排列燒結的示意圖。

圖2為本發明製備的金剛石刀頭坯料的立體結構示意圖。

具體實施方式

以下將結合具體實施例對本發明所述的自發熱式自由燒結金剛石刀頭的製備方法做進一步的闡述，以期對本發明的技術方案做出更完整和清楚的說明。

本發明的自發熱式自由燒結金剛石刀頭是在傳統的金屬粘結劑配方體系中引入鋁熱反應粉(al-fe自蔓延組分)，利用其自蔓延反應形成feal金屬間化合物的鍵合過程中產生的放熱效應，為胎體金屬提供內部燒結能量。而且本發明的發明人發現採用冷態球磨的鋁熱反應粉不僅可以降低體系的燒結溫度，而且能夠顯著促進胎體的自由燒結緻密化，從而可以使得預製的金剛石刀頭坯體可以自由燒結；且結合鋁熱反應粉和預合金粉可提高金剛石顆粒與金屬基質的把持力，從而可以獲得類似於加壓燒結的緻密性，並且進一步提高刀具的使用壽命。

作為一個無限制性地例子，本發明所述的自發熱式自由燒結金剛石刀頭的主要步驟如下：

將細粒度鋁粉(粒徑≤10μm)與羰基鐵粉按1∶3的摩爾比在惰性氣氛保護下冷態(-50℃以下，可以利用液氮、乾冰等控制球磨機在規定的溫度以下)混合球磨，球料比為(8～10)∶1，球磨時間為8～24小時。

在惰性保護氣氛中取料，出料粒度＜2μm。將得到的鋁熱反應粉按配方比例與預合金粉等以及金剛石磨粒在充有氮氣的圓形混料桶中混合1.5-2.5小時，混合均勻後，裝料於自動冷壓機料槽中，在鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度通常為理論密度的50％以上。

如圖1所示例的那樣，將冷壓坯體30排列組裝於託架模具10的石墨隔板20上中在隧道爐或鐘罩爐中自由燒結，燒結溫度為750～850℃，燒結時間為15～60分鐘，燒結後爐中緩冷至室溫即可。

在以下的實施例1～2以及比較例1～2中鋁熱反應粉通過以下方法製備得到：

將細粒度鋁粉(粒徑≤10μm)與羰基鐵粉按1∶3的摩爾比在惰性氣氛保護下冷態(液氮-100℃以下)混合球磨，球料比為8∶1，球磨時間為12小時。

實施例1

採用65重量份的鐵銅預合金粉、30重量份的鋁熱反應粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預合金粉為水霧化法製備的500目預合金粉末，並且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為26％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為30分鐘。刀頭的真實孔隙率約為12％，平均硬度hrb為95，平均抗彎強度為750mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為8.2m/min，切割壽命為183米。

實施例2

採用70重量份的鐵銅預合金粉、20重量份的鋁熱反應粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預合金粉為水霧化法製備的500目預合金粉末，並且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為26％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為60分鐘。刀頭的真實孔隙率約為10％，平均硬度hrb為95，平均抗彎強度為760mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為8.3m/min，切割壽命為187米。

比較例1

採用45.5重量份的鐵粉、19.5重量份的銅粉、30重量份的鋁熱反應粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，銅粉和錫粉為400目的霧化粉末，鐵粉和鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為13％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為30分鐘。刀頭的真實孔隙率約為26％，平均硬度hrb為96，平均抗彎強度為750mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為8.1m/min，切割壽命為166米。

比較例2

採用49重量份的鐵粉、21重量份的銅粉、20重量份的鋁熱反應粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，銅粉和錫粉為400目的霧化粉末，鐵粉和鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為26％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為60分鐘。刀頭的真實孔隙率約為10％，平均硬度hrb為96，平均抗彎強度為760mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為8.0m/min，切割壽命為171米。

在比較例3和4中鋁熱反應粉通過以下方法製備得到：

將細粒度鋁粉(粒徑≤10μm)與羰基鐵粉按1∶3的摩爾比在惰性氣氛保護下在常溫下混合球磨，球料比為8∶1，球磨時間為30分鐘。

比較例3

採用65重量份的鐵銅預合金粉、30重量份的鋁熱反應粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預合金粉為水霧化法製備的500目預合金粉末，並且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為26％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為30分鐘。刀頭的真實孔隙率約為18％，平均硬度hrb為91，平均抗彎強度為702mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為7.9m/min，切割壽命為141米。

比較例4

採用70重量份的鐵銅預合金粉、20重量份的鋁熱反應粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系製備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預合金粉為水霧化法製備的500目預合金粉末，並且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動冷壓機料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設計尺寸，坯料的壓實密度為理論密度的60％，製備規格為40mm(長)×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結構如圖2所示，其中金剛石體積濃度為26％)。在隧道爐中自由燒結，最高燒結溫度830℃，燒結時間為60分鐘。刀頭的真實孔隙率約為21％，平均硬度hrb為92，平均抗彎強度為705mpa。將燒制刀頭釺焊於鋼質基體上，製備成品鋸片。鋸片裝於自動橋式切割機上切割厚度為20mm的三花(中等硬度花崗巖)板材，水冷切割。鋸片的平均切割速度為7.8m/min，切割壽命為143米。

對於本領域的普通技術人員而言，具體實施例只是對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍之內。