本發(fā)明涉及金剛石工具的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭的制備方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中，焊接類金屬結(jié)合劑超硬材料制品刀頭均采用粉末冶金生產(chǎn)工藝制備，其方法是將金屬粉末與金剛石磨粒混合均勻，然后冷壓成型、熱壓/無(wú)壓燒結(jié)。冷壓成型坯體通常采用兩種燒結(jié)生產(chǎn)工藝：最普遍的是將坯體在熱壓燒結(jié)機(jī)上組裝于石墨模具中加壓燒結(jié)；另外一種是將坯體置于具有還原氣氛的連續(xù)式隧道爐或鐘罩爐中自由燒結(jié)。這兩種生產(chǎn)方式所需能量完全由外部設(shè)備提供，刀頭性能受原材料及工藝參數(shù)的變化影響極大，尤其是鋒利度的調(diào)控難度較大。熱壓燒結(jié)工藝胎體對(duì)金剛石的把持力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，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(jié)的能耗低，效率非常高，但燒結(jié)坯體在無(wú)壓條件下的致密度及其對(duì)金剛石的把持力有限，切割過(guò)程中金剛石易脫落失效，這是金剛石制品無(wú)壓燒結(jié)工藝所普遍存在的技術(shù)難題，也是無(wú)壓燒結(jié)難以推廣應(yīng)用的障礙瓶頸，因而，未能在行業(yè)中普遍應(yīng)用。

為了提高生產(chǎn)效率并提高金剛石刀頭的產(chǎn)品質(zhì)量，而引進(jìn)新的燒結(jié)機(jī)制開(kāi)發(fā)新的材料體系，增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的收縮固結(jié)把持力，是金剛石制品無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)的迫切需求。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布cn101342686a公開(kāi)了一種自蔓延高溫制備金剛石模塊的方法，其利用tico或tini的自蔓延反應(yīng)來(lái)提高與鍍鎳的金剛石刀頭之間的把持力，但該方法采用的是稀缺且價(jià)高的ti、co和ni粉，為了保證把持力還要預(yù)先對(duì)金剛石進(jìn)行鍍鎳處理，從而導(dǎo)致成本高，難以推廣應(yīng)用。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布cn103521774a公開(kāi)了一種自蔓延制備金剛石節(jié)塊工具的方法，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合金作為結(jié)合劑，其中利用了ni和al的自蔓延反應(yīng)并利用元素cr和ti元素在金剛石表面形成cr-c、ti-c等化學(xué)冶金結(jié)合來(lái)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(yīng)迅速容易導(dǎo)致過(guò)多的孔隙，從而導(dǎo)致其切削性能差，切削使用壽命較低。由于al和fe與金剛石的親和力較差，采用常規(guī)的鋁和鐵的鋁熱反應(yīng)方法制備的金剛石刀頭其把持力差，尤其是應(yīng)用于金剛石切削刀頭的使用壽命僅有常規(guī)熱壓方法的1/3～1/5，因而被認(rèn)為無(wú)實(shí)際應(yīng)用和使用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了降低成本、提高生產(chǎn)效率并克服現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)難題，本發(fā)明的提供了一種自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭的制備方法，所述制備方法是將金屬結(jié)合劑與金剛石混合均勻、冷壓得到刀頭坯料后經(jīng)自由燒結(jié)而成，其特征在于：所述金屬結(jié)合劑中包括鋁熱反應(yīng)粉和預(yù)合金化粉。

其中，所述鋁熱反應(yīng)粉由鐵粉和鋁粉經(jīng)冷態(tài)混合球磨得到的鋁熱反應(yīng)粉。

其中，所述金屬結(jié)合劑包括10～65wt％的鋁熱反應(yīng)粉，和余量的預(yù)合金粉。

其中，所述金屬結(jié)合劑包括10～65wt％的鋁熱反應(yīng)粉、15～60wt％的預(yù)合金粉，和5～30wt％的金屬粉組成。

其中，所述預(yù)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(yīng)粉中鐵粉和鋁粉的摩爾比為3～5∶1，優(yōu)選為3∶1。

其中，所述坯料的壓實(shí)密度為理論密度的50％～90％，優(yōu)選為55％～80％。

其中，所述鋁熱反應(yīng)粉在-100℃以下的低溫和保護(hù)氣氛下混合球磨得到。

其中，冷壓的壓力為30～100mpa，自由燒結(jié)的溫度為760～880℃。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭的制備方法具有以下有益效果：

本發(fā)明采用的金屬結(jié)合劑采用了預(yù)合金粉和冷態(tài)球磨鋁鐵合金粉，無(wú)需加壓燒結(jié)即可得到孔隙率低且把持力高的金剛石刀頭，本發(fā)明的方法由于可在隧道爐內(nèi)無(wú)壓致密燒結(jié)，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量而且與現(xiàn)有技術(shù)相比大大還提高了生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為金剛石刀頭坯料在隧道爐中無(wú)壓排列燒結(jié)的示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的金剛石刀頭坯料的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭的制備方法做進(jìn)一步的闡述，以期對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出更完整和清楚的說(shuō)明。

本發(fā)明的自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭是在傳統(tǒng)的金屬粘結(jié)劑配方體系中引入鋁熱反應(yīng)粉(al-fe自蔓延組分)，利用其自蔓延反應(yīng)形成feal金屬間化合物的鍵合過(guò)程中產(chǎn)生的放熱效應(yīng)，為胎體金屬提供內(nèi)部燒結(jié)能量。而且本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用冷態(tài)球磨的鋁熱反應(yīng)粉不僅可以降低體系的燒結(jié)溫度，而且能夠顯著促進(jìn)胎體的自由燒結(jié)致密化，從而可以使得預(yù)制的金剛石刀頭坯體可以自由燒結(jié)；且結(jié)合鋁熱反應(yīng)粉和預(yù)合金粉可提高金剛石顆粒與金屬基質(zhì)的把持力，從而可以獲得類似于加壓燒結(jié)的致密性，并且進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。

作為一個(gè)無(wú)限制性地例子，本發(fā)明所述的自發(fā)熱式自由燒結(jié)金剛石刀頭的主要步驟如下：

將細(xì)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(hù)下冷態(tài)(-50℃以下，可以利用液氮、干冰等控制球磨機(jī)在規(guī)定的溫度以下)混合球磨，球料比為(8～10)∶1，球磨時(shí)間為8～24小時(shí)。

在惰性保護(hù)氣氛中取料，出料粒度＜2μm。將得到的鋁熱反應(yīng)粉按配方比例與預(yù)合金粉等以及金剛石磨粒在充有氮?dú)獾膱A形混料桶中混合1.5-2.5小時(shí)，混合均勻后，裝料于自動(dòng)冷壓機(jī)料槽中，在鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)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排列組裝于托架模具10的石墨隔板20上中在隧道爐或鐘罩爐中自由燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750～850℃，燒結(jié)時(shí)間為15～60分鐘，燒結(jié)后爐中緩冷至室溫即可。

在以下的實(shí)施例1～2以及比較例1～2中鋁熱反應(yīng)粉通過(guò)以下方法制備得到：

將細(xì)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(hù)下冷態(tài)(液氮-100℃以下)混合球磨，球料比為8∶1，球磨時(shí)間為12小時(shí)。

實(shí)施例1

采用65重量份的鐵銅預(yù)合金粉、30重量份的鋁熱反應(yīng)粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預(yù)合金粉為水霧化法制備的500目預(yù)合金粉末，并且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為30分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為12％，平均硬度hrb為95，平均抗彎強(qiáng)度為750mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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(shí)施例2

采用70重量份的鐵銅預(yù)合金粉、20重量份的鋁熱反應(yīng)粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預(yù)合金粉為水霧化法制備的500目預(yù)合金粉末，并且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為60分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為10％，平均硬度hrb為95，平均抗彎強(qiáng)度為760mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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

采用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(yīng)粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為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(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為30分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為26％，平均硬度hrb為96，平均抗彎強(qiáng)度為750mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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

采用49重量份的鐵粉、21重量份的銅粉、20重量份的鋁熱反應(yīng)粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為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(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為60分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為10％，平均硬度hrb為96，平均抗彎強(qiáng)度為760mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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(yīng)粉通過(guò)以下方法制備得到：

將細(xì)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(hù)下在常溫下混合球磨，球料比為8∶1，球磨時(shí)間為30分鐘。

比較例3

采用65重量份的鐵銅預(yù)合金粉、30重量份的鋁熱反應(yīng)粉、2重量份的錫粉和3重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預(yù)合金粉為水霧化法制備的500目預(yù)合金粉末，并且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為30分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為18％，平均硬度hrb為91，平均抗彎強(qiáng)度為702mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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

采用70重量份的鐵銅預(yù)合金粉、20重量份的鋁熱反應(yīng)粉、3重量份的錫粉和7重量份的鎳粉的配方體系制備直徑為400mm花崗巖鋸片。其中，鐵銅預(yù)合金粉為水霧化法制備的500目預(yù)合金粉末，并且鐵銅的摩爾比為7∶3。錫粉為400目的霧化粉末，鎳粉為羰基粉末。在自動(dòng)冷壓機(jī)料槽的鋼模中冷壓成型至坯體設(shè)計(jì)尺寸，坯料的壓實(shí)密度為理論密度的60％，制備規(guī)格為40mm(長(zhǎng))×15mm(高)×3.6mm(厚)的冷壓刀頭坯體(其外觀結(jié)構(gòu)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(jié)，最高燒結(jié)溫度830℃，燒結(jié)時(shí)間為60分鐘。刀頭的真實(shí)孔隙率約為21％，平均硬度hrb為92，平均抗彎強(qiáng)度為705mpa。將燒制刀頭釬焊于鋼質(zhì)基體上，制備成品鋸片。鋸片裝于自動(dòng)橋式切割機(jī)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(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，具體實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。