CN109202060A - 烧结金刚石工具及其用途和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烧结金刚石工具及其用途和制备方法，以解决有效降低对氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等硬脆材料机械加工难度的技术问题。烧结金刚石工具包括含有胎体和固着在胎体上的金刚石颗粒的粉末烧结体，其中，所述胎体主要由按质量份计5‑50份的Cu、3‑30份的Co、0.5‑10份的W和30‑80份的Fe构成。烧结金刚石工具的制备方法包括备料、成型及烧结工序，所述备料工序包括获得含有胎体粉末原料和金刚石颗粒原料的混合粉的操作，其中，所述胎体粉末原料主要由按质量份计5‑50份的Cu、3‑30份的Co、0.5‑10份的W和30‑80份的Fe构成。

Description

烧结金刚石工具及其用途和制备方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石工具，具体涉及一种烧结金刚石工具及其用途和制备方法。

背景技术

目前，对氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等硬脆陶瓷材料的应用需求越发广泛。由于上述陶瓷材料具有极高的硬度和熔点但韧性又很差，故对它们的机械加工难度非常之高，目前主要采用粉末冶金法和单晶制成法来制造由上述陶瓷材料构成的零件。但是，粉末冶金法和单晶制成法均难以对零件进行精确、完整的一次成型，特别是零件上的沉孔结构、台阶结构和内腔结构等更是难以成型。因此，针对目前的市场需求与制造水平之间的矛盾，一种期望的解决途径，是通过寻找合适的机械加工工具和机械加工工艺，配合现有加工机床或设备，降低对上述陶瓷材料的机械加工难度。

由于上述陶瓷材料硬度极高，采用高速钢、硬质合金、金属陶瓷的机械加工工具均难以满足要求，故一般只能选择金刚石工具。从金刚石工具的制备工艺上划分，金刚石工具主要可分为烧结金刚石工具和电镀金刚石工具。其中，烧结金刚石工具是一种将含有胎体粉末原料和金刚石颗粒的混合粉通过成型、烧结等工序后制备而成的粉末烧结体，混合粉中的胎体粉末原料在烧结后形成可将金刚石颗粒紧紧包镶其上的胎体。然而，现有的烧结金刚石工具主要是锯片等锯切工具和钻头类工具，因而无法用于成型沉孔结构、台阶结构和内腔结构等通常所需的铣削加工；即便改变这些工具的形状和结构使之能够用于特定加工类型，但由于受力、温度等工作条件的变化，往往难以满足特定加工类型下的要求。

因此，如要进行沉孔结构、台阶结构和内腔结构等的铣削加工，目前只能使用电镀金刚石工具。电镀金刚石工具依靠化学沉积的一层金属结合剂将一层金刚石颗粒牢牢固定在基体金属表面，金属结合剂的厚度约是金刚石颗粒层高度的1/2-2/3，因此具有优异的出刃高度，但在加工上述陶瓷材料时却表现出以下不足：金刚石颗粒层易剥落导致工具使用寿命较短，进而导致加工过程中换刀次数频繁，而过多的换刀次数不仅降低工作效率，同时易产生二次对刀误差和接刀痕迹以致工件报废；较高的出刃高度容易导致低韧性的陶瓷材料崩缺；加工后工件表面光洁度较差、工件表面质量不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烧结金刚石工具及其用途和制备方法，以解决有效降低对氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等硬脆材料机械加工难度的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种烧结金刚石工具。所述烧结金刚石工具，包括含有胎体和固着在胎体上的金刚石颗粒的粉末烧结体，其中，所述胎体主要由按质量份计5-50份的Cu、3-30份的Co、0.5-10份的W和30-80份的Fe构成。

进一步地是，所述胎体由按质量份百分比计5-50％的Cu、3-30％的Co、0.5-10％的W、0.1-15％的Si和余量的Fe以及不可避免的杂质构成。

进一步地是，所述胎体含有按质量份百分比计10-30％的Cu、5-25％的Co、2-10％的W和2-15％的Si。

进一步地是，所述金刚石颗粒为单晶金刚石颗粒。

进一步地是，所述粉末烧结体具有与该粉末烧结体进行切削加工工作时的旋转轴相垂直的端面，该端面为铣削加工工作面。

进一步地是，所述粉末烧结体是一个空心圆柱体且该空心圆柱体的一端面为铣削加工工作面；所述铣削加工工作面上开有至少一个横向贯通空心圆柱体内外部的凹槽。其中，所述凹槽可以包括一对以所述旋转轴的轴心为中心的十字槽。

进一步地是，所述粉末烧结体的外径为5-12mm、内径为2-8mm、高度为5-15mm，所述凹槽的深度为0.5-2.5mm。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了上述任意一种烧结金刚石工具在硬脆材料机械加工中的用途。

其中，所述硬脆材料是指氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种或硬质相的硬度和韧性与氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种相同或类似的材料。

为了实现上述目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种烧结金刚石工具的制备方法。该方法包括备料、成型及烧结工序，所述备料工序包括获得含有胎体粉末原料和金刚石颗粒原料的混合粉的操作，其中，所述胎体粉末原料主要由按质量份计5-50份的Cu、3-30份的Co、0.5-10份的W和30-80份的Fe构成。

上述胎体粉末原料具有很高的压制成型性和压制强度，成型时不易出现分层和崩缺。并且，该胎体粉末原料具有较好的烧结活性和烧结致密性能。此外，该胎体粉末原料与金刚石颗粒原料之间具有高温化学惰性，烧结时不会出现金刚石颗粒原料的高温碳化。上述胎体粉末原料烧结转变为粉末烧结体的胎体，该胎体表现出对金刚石颗粒较好的把持力和结合力，保证了烧结金刚石工具后续良好的加工寿命。在加工硬脆材料时会产生大量的硬质磨屑和热量，该胎体具有良好的散热性能和抗磨屑磨损能力；而Co的加入确保了粉末烧结体的耐高温能力，而Cu的加入则增加了粉末烧结体的导热性。因此，本发明的烧结金刚石工具适于对氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等硬脆材料进行机械加工。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的烧结金刚石工具的一个实施例的结构示意图。

图2为图1中A-A向剖视图。

图3为图1、2所示的烧结金刚石工具中的粉末烧结体的SEM显微图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“含有”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明中的其他相关术语和单位，均可基于本发明相关内容得到合理的解释。

图1为本发明的烧结金刚石工具的一个实施例的结构示意图。图2为图1中A-A向剖视图。图3为图1、2所示的烧结金刚石工具中的粉末烧结体的SEM显微图。如图1-3所示，烧结金刚石工具包括含有胎体101和固着在胎体101上的金刚石颗粒102的粉末烧结体100。

上述粉末烧结体100需要被加工成特定形状和结构，从而适应特定的加工类型。例如，当烧结金刚石工具用于锯切时，粉末烧结体100通常需要被加工为锯片的形状和结构。又如，当烧结金刚石工具作为钻头时，粉末烧结体100需要被加工为钻头的形状和结构。

在实际使用时，上述的粉末烧结体100一般还需要安装在与该粉末烧结体100相适应的连接构件200上，从而通过该连接构件200将烧结金刚石工具安装到特定的加工机床或设备上。例如，当烧结金刚石工具作为铣刀的切削部件时，粉末烧结体100一般需要安装在一钢柄上，进而通过该钢柄将烧结金刚石工具安装在机床的主轴上并传递主轴的旋转运动。

粉末烧结体100是现有烧结金刚石工具所具备的共同特征。在本说明书以下的实施例中，将专门针对用于在硬脆材料上铣削加工沉孔结构、台阶结构和内腔结构等的烧结金刚石工具，主要从粉末烧结体的形状和结构、烧结金刚石工具的制备以及烧结金刚石工具的使用几个方面对本发明进行说明。

需要指出的是，上述硬脆材料是指氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种或硬质相的硬度和韧性与氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种相同或类似的材料。本说明书以下的实施例中将以部分硬脆材料为例说明。

一、粉末烧结体的形状和结构

通过使用烧结金刚石工具在硬脆材料上铣削加工沉孔结构、台阶结构和内腔结构的过程分析和试验研究，发明人发现：烧结金刚石工具工作时承受复杂的法向力和水平力的交互作用且处于疲劳往复的力学环境，此时由于硬脆材料较低的断裂韧性，切屑极易断裂而以微粉状态存在，这种微粉很容易堵塞烧结金刚石工具并影响散热，从而增大加工难度。

因此，对于粉末烧结体的形状和结构设计，除了满足铣削加工本身的要求外，还需要特别考虑排屑和散热问题。而这样的问题，是以往使用电镀金刚石工具在硬脆材料上进行沉孔结构、台阶结构和内腔结构等的铣削加工时容易忽略的。以解决上述问题为出发点，本发明以下的实施例中，具体将粉末烧结体100设计为如下形状和结构。

如图1-2所示，烧结金刚石工具的粉末烧结体100是一个空心圆柱体(圆柱体中含有内孔110)且该空心圆柱体的一端面为铣削加工工作面130，进行切削加工工作时粉末烧结体100绕该空心圆柱体的旋转轴(如图2中点划线所示)旋转，该空心圆柱体的旋转轴与铣削加工工作面130垂直。

此外，所述铣削加工工作面130上还开有横向贯通空心圆柱体内外部的凹槽120。而作为凹槽120的优选实施方式，如图1所示，所述凹槽120构成一对以空心圆柱体的旋转轴的轴心为中心的十字槽。

一般而言，上述粉末烧结体100的外径可以为5-12mm、内径可以为2-8mm(内孔110为圆孔且与空心圆柱体100的外径同轴设置时)，高度可以为5-15mm，所述凹槽120的深度为可以0.5-2.5mm、宽度可以为0.5-3mm。

如图2所示，上述粉末烧结体100(即烧结金刚石工具)安装在一轴状的连接构件200(作用同上述的钢柄)上，该连接构件200与粉末烧结体100的空心圆柱体是同轴设置的，其中，连接构件200的轴肩210与空心圆柱体的内孔110的一部分配合。

通过上述连接构件200能够将烧结金刚石工具安装到数控机床的主轴上，在工作时将数控机床主轴的旋转运动通过连接构件200传递到烧结金刚石工具上，并利用铣削加工工作面130实现对硬脆材料的铣削加工。

由于粉末烧结体100设置为空心圆柱体且铣削加工工作面130上开有横向贯通空心圆柱体内外部的凹槽120，因此该粉末烧结体100具备了铣削加工时较好的排屑、散热效果。

针对粉末烧结体的形状和结构，实施例1-8中的烧结金刚石工具的相关信息如表1所示。

表1

需要指出的是，表1中所列出的实施例编号所对应的内容，与在本说明书以下部分中存在的相同的实施例编号所对应内容，属于同一实施例。

二、烧结金刚石工具的制备

本发明的实施例中，烧结金刚石工具的制备工艺流程包括备料、成型、脱脂、烧结、安装连接构件和开槽修型共六个步骤。下面分别对这六个步骤进行具体说明。

【备料】

A.混料

采用气雾化球形粉末为胎体粉末原料，胎体粉末原料中的氧含量不大于0.15％(重量百分比)。

将胎体粉末原料与金刚石颗粒原料同时在滚筒式球磨机中进行均匀混合，得到混合粉。

以8mm氧化锆球为球磨磨球，采用氩气保护气氛进行干式球磨，球料比为1:1，混合粉和球磨磨球的总体积装填系数小于1/2，球磨机转速80转每分钟，混料时间为12小时。

期间，球磨机设置每5分钟反转，直到球磨过程完成。

实施例1-8中针对胎体粉末原料与金刚石颗粒原料的具体成分和相关要求如表2所示。

表2

备注：金刚石颗粒原料的粒度可根据加工需要进行选择。金刚石颗粒原料的含量一般为：每立方厘米的混合粉中金刚石颗粒含量1-7克拉。

B.造粒

停止球磨后，利用容器缓慢盛出混合粉。在转运过程中避免震荡，防止出现粉料偏析。

另外，球磨后混合粉静止时间不超过2小时，期间须尽快进行掺胶造粒，以避免偏析。

采用硬脂酸为造粒粘结剂，加入比例为1％(质量比)，以酒精为溶剂加热融化硬脂酸后加入，酒精与硬脂酸的质量比为10:1。

在造粒机中搅拌干燥造粒，搅拌时间为1小时。

用50目不锈钢筛过滤掉粒径小于50目的不成粒粉末，造粒后粉末的松装密度为1.9-2.8g/cm³。

【成型】

对造粒后粉末进行模压成型，得到粉末烧结体压坯。

模压成型时压力为50MPa，保压时间3秒。

【脱脂】

将粉末烧结体压坯放置于带孔钢板上，在氢气网带炉中进行脱脂。

最高温脱脂温度为450℃，最高温脱脂保温时间为30分钟。

在300℃至400℃温区采用20℃/h的升温速率进行缓慢升温，在400℃至450℃温区采用50℃/h的升温速率。

脱脂完成后冷却得到脱脂压坯。

【烧结】

采用热压烧结技术。具体为：

采用组合式石墨模具进行压制，压制压力为20Mpa(一般可以为10-25MPa)，石墨模具内径比脱脂压坯外径大0.15mm，热压温度为900℃(一般可以为850-950℃)，温保压时间为8分钟(一般可以为2-10分钟)，采用50℃/min的速率进行快速升温。

烧结完成后进行冷却并脱出芯杆，得到热压坯。

【安装连接构】

先对热压坯的内孔进行进行清理。

然后采用环氧树脂和固化剂型AB胶(1:1型)进行热压坯与连接构件200的粘结，热压坯内孔与连接构件200的轴肩210外径的间隙为0.03-0.05mm，粘接面上均匀涂覆一层薄胶。

粘胶后，将热压坯与连接构件200夹紧固定，防止出现松动和偏心位移，放入烘箱中100℃固化2小时。

【开槽修型】

采用电火花铜电极分别在热压坯上进行十字槽或一字槽开槽，得到粉末烧结体。

之后，通过砂轮对粉末烧结体进行外圆修整。

修型后，通过砂轮对粉末烧结体的铣削加工工作面进行开刃处理。

此后，对连接构件200外圆磨削精加工。

最后得到成品。

根据上述方法，分别得到实施例1-10的烧结金刚石工具。如图2所示，这些烧结金刚石工具分别安装在连接构件200上，形成类似铣刀的机械加工刀具。

三、烧结金刚石工具的使用

准备10块氧化铝陶瓷板(氧化铝质量百分比99％)，分别使用实施例1-10的刀具在不同的氧化铝陶瓷板上铣削加工出一个长60mm、宽28mm、深度5mm的盲槽。

加工工艺参数设定为：吃刀量0.006mm、进给速度800mm/min、刀具转速7800rpm；采用S型平面走刀，每次往返侧向进刀量为4mm。每一层走刀距离为56*6＝336mm。

根据上述加工工艺参数，假设中途不换刀且刀具不发生磨损，则每25秒加工完一层，即机床主轴带动刀具向下移动0.006mm，故加工5mm深度盲槽的理论时间为361分钟。

在中途不换刀的情况下，根据加工5mm深度盲槽的实际时间可以计算出机床主轴下行的实际距离，该实际距离与盲槽的5mm深度之间的差值就是刀具磨损的厚度。进而可以计算出工件去除体积与刀具磨损体积之比，该比值越大，说明刀具的抗磨损能力越强，反之越弱。

例如，若加工5mm深度盲槽的实际时间为380min，可计算出主轴下行约5.43mm。故刀具磨损厚度为0.43mm。工件去除体积约为8400mm³，刀具磨损体积为10.34mm³，故工件去除体积与刀具磨损体积之比为812:1。

实施例1-10的刀具使用情况参见表3所示。

表3

四、对比例

采用带150目(粒径D107微米)电镀金刚石工具的刀具，使用与上述加工工艺相同的加工工艺，在氧化铝陶瓷板(氧化铝质量百分比99％)加工出一个长60mm、宽28mm、深度5mm的盲槽。整个加工过程使用了6支刀具(其中报废5支)。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他优选实施方式和实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.烧结金刚石工具，包括含有胎体和固着在胎体上的金刚石颗粒的粉末烧结体，其特征在于：所述粉末烧结体中，所述胎体主要由按质量份计5-50份的Cu、3-30份的Co、0.5-10份的W和30-80份的Fe构成。

2.如权利要求1所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述胎体由按质量份百分比计5-50％的Cu、3-30％的Co、0.5-10％的W、0.1-15％的Si和余量的Fe以及不可避免的杂质构成。

3.如权利要求2所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述胎体含有按质量份百分比计10-30％的Cu、5-25％的Co、2-10％的W和2-15％的Si。

4.如权利要求1、2或3所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述金刚石颗粒为单晶金刚石颗粒。

5.如权利要求1、2或3所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述粉末烧结体具有与该粉末烧结体进行切削加工工作时的旋转轴相垂直的端面，该端面为铣削加工工作面。

6.如权利要求5所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述粉末烧结体是一个空心圆柱体且该空心圆柱体的一端面为铣削加工工作面；所述铣削加工工作面上开有至少一个横向贯通空心圆柱体内外部的凹槽。

7.如权利要求6所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述凹槽包括一对以所述旋转轴的轴心为中心的十字槽。

8.如权利要求5所述的烧结金刚石工具，其特征在于：所述粉末烧结体的外径为5-12mm、内径为2-8mm、高度为5-15mm，所述凹槽的深度为0.5-2.5mm、宽度为0.5-3mm。

9.如权利要求1-8中任意一项权利要求所述的烧结金刚石工具在硬脆材料机械加工中的用途；所述硬脆材料是指氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种或硬质相的硬度和韧性与氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化锆陶瓷中的任意一种相同或类似的材料。

10.烧结金刚石工具的制备方法，包括备料、成型及烧结工序，其特征在于：所述备料工序包括获得含有胎体粉末原料和金刚石颗粒原料的混合粉的操作，其中，所述胎体粉末原料主要由按质量份计5-50份的Cu、3-30份的Co、0.5-10份的W和30-80份的Fe构成。