CN110026913A - 金刚石磨具刀头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金刚石磨具刀头及其制备方法，属于金刚石工具的技术领域。本发明的金刚石磨具刀头的水平投影为由同心的外圆弧边、内圆弧边，和连接所述外圆弧边和内圆弧边的两个侧边围成的弧面形状，并且两个侧边相互平行；所述外圆弧边和内圆弧边的圆心角≤20°，并且磨具刀头由包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂组成的混合粉末通过冷压、烧结成型。本发明的金刚石磨具刀头在高速旋转打磨的条件下，不仅具有良好的锋利度，而且稳定性好，而且能够显著提高打磨的质量，有利于降低表面粗糙度并且降低表面平整度。

Description

金刚石磨具刀头及其制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种金刚石磨具刀头及其制备方法。
背景技术
金刚石磨具是以金刚石颗粒作为磨粒，用各种不同结合剂(主要包括金属、陶瓷以及树脂)将其粘结成具有一定几何形状的磨料制品的总称。金刚石磨具可对硬质合金、玻璃、陶瓷、混凝土、石材等各种加工材料进行高效磨削，且磨削工具有着最长时间的使用寿命。近几十年来，随着“高、精、尖”技术的发展，对磨具的加工要求也越来越严苛，随之而来，金刚石模具也得到了广泛的发展和应用，不但在难加工材料领域取得了不可替代的主导地位，而且在普通磨料加工(碳化硅、刚玉等)领域也取得了显著的发展。
由于金刚石磨料具有硬度高、强度大以及优异的耐磨性等力学性能，在磨削加工中，金刚石磨粒的尺寸、形状和形貌变化小，磨削质量较好。而且金刚石磨具的磨粒能够长时间保持良好的微刃性，良好的切削性能保证了磨削过程中较小的磨削力，显著减少了摩擦热，可避免工件表面的烧伤和开裂。对于混凝土等路面的加工，为了保证磨削效率，通常选择粒度等级为45/50～100/120目的金刚石颗粒，但是随着施工标准要求的逐渐提高，采用常规的金刚石磨盘对高等级要求的混凝土路面，尤其是对表面粗糙度和平整度要求较高的混凝土路面进行打磨时，因达不到施工要求而经常出现返修返工的情况，导致施工效率低下，不仅增加了磨具的消耗，而且也显著增加了人工成本。
发明内容
为了降低打磨表面的粗糙度水平并提高表面平整度，本发明的目的在于提供一种金刚石磨具刀头及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的第一方面采用了以下技术方案：
一种金刚石磨具刀头，所述磨具刀头的水平投影为由同心的外圆弧边、内圆弧边，和连接所述外圆弧边和内圆弧边的两个侧边围成的弧面形状，并且所述两个侧边相互平行；其特征在于：所述外圆弧边和内圆弧边的圆心角≤20°，并且所述磨具刀头由包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂组成的混合粉末通过冷压、烧结成型。
其中，所述金刚石颗粒的含量为所述金属结合剂重量的1.4～2.1％。所述金刚石颗粒的粒径为0.125～0.425mm。
其中，所述石墨颗粒的含量为所述金属结合剂重量的0.25～1.0％。所述石墨颗粒的粒径为5.0～200μm。
其中，所述金属卤化物添加剂的含量为所述金属结合剂重量的0.10～0.50％。所述金属卤化物添加剂选自CoCl2、LaF3、CeF3、NaF或CaF2中的至少一种，优选选择CoCl2。
其中，所述金属结合剂可以选择常用的铁基金属结合剂，也可以选择铁基预合金化粉末，在本发明中并无具体限制。例如含有：30～45wt％的Fe、20～32wt％的Cu、5～15wt％的Ni、13～23wt％的WC、2～10wt％的Sn。
作为优选地，所述金属结合剂含有：35～39wt％的Fe、24～30wt％的Cu、5～15wt％的Ni、13～23wt％的WC、2～10wt％的Sn。
其中，所述铁基金属结合剂作为可选地，还可以含有以总量计不超过15wt％的Co、Al、Mn、Ag、Zn、Cr、Ti、Mo，并且每一种元素的添加量不超过3wt％。
本发明的第二方面还涉及上述金刚石磨具刀头的制备方法。
本发明的制备方法包括以下步骤：
(1)准备包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂，混匀得到混合粉末；
(2)将所述混合粉末在模具中冷压成型得到刀头坯体；
(3)将所述刀头坯体热压烧结成型，热压烧结温度为780-850℃，压力为200-300kg/cm2，并且热压烧结在贫氧气氛下进行。
其中，所述贫氧气氛是指含有1-20v％的空气以及余量的氮气气氛。
与最接近的现有技术相比，本发明的金刚石磨具刀头具有以下有益效果：
本发明的金刚石磨具刀头在高速旋转打磨的条件下，不仅具有良好的锋利度，而且稳定性好，而且能够显著提高打磨的质量，有利于降低表面粗糙度并且降低表面平整度。
附图说明
图1为本发明的金刚石磨具刀头的结构示意图。
图2为应用本发明的金刚石磨具刀头的磨盘的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的金刚石模具刀头及其制备方法做进一步的阐述，以期对本发明的技术方案做出更完整和清楚的说明。
为了提高在高速旋转的工作条件下，对硬质加工对象例如硬混凝土、岩石等的打磨表面质量，本发明提供了一种金刚石磨具刀头。所述磨具刀头的水平投影为由外圆弧边、内圆弧边，和连接所述外圆弧边和内圆弧边的两个侧边围成的弧面形状，并且所述两个侧边相互平行。图1为本发明的金刚石磨具刀头的立体结构示意图，其外圆弧面的半径为R1，内圆弧面的半径为R2，并且所述外圆弧面的长度≤πR1/9，内外圆弧面的长度≤πR2/9，进而可以使得外圆弧边和内圆弧边的圆心角≤20°。当采用图1所示形状和弧度的刀头应用于图2所示的金刚石磨盘中，有利于提高高速打磨条件下的稳定性，并且提高打磨表面的平整度和表面粗糙度。
在本发明中，所述磨具刀头由包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂组成的混合粉末通过冷压、热压烧结成型。作为示例性地，制备方法可包括以下步骤：(1)准备包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂，混匀得到混合粉末；(2)将所述混合粉末在模具中冷压成型得到刀头坯体；(3)将所述刀头坯体热压烧结成型，热压烧结温度为780-850℃，压力为200-300kg/cm2，并且热压烧结在贫氧气氛下进行。所述贫氧气氛是指含有1-20v％的空气以及余量的氮气气氛。热压烧结在贫氧气氛下进行，一方面可以使得部分石墨颗粒氧化反应形成孔隙，可以起到弱化胎体的研磨性，并提高磨具刀头的孔隙率，有利于胎体中的金刚石快速出刃，提高磨盘的锋利度。
在本发明中，添加的石墨可以在金刚石表面形成润滑膜，提高了金刚石与打磨对象之间接触的润滑性，并且有利于提高刀头的散热，而且在本发明中通过添加金属卤化物的添加剂在贫氧的气氛下热压烧结，能够促进石墨在金刚石工作表面形成转移膜层，具体来说，在本发明中，所述金属卤化物添加剂的含量为所述金属结合剂重量的0.10～0.50％。当金属卤化物的添加量少于0.10％的含量时，对提高石墨形成转移膜层的影响较小，而当含量超过0.50％时，对促进石墨转移形成完整的转移膜层的作用已经达到饱和。所述金属卤化物添加剂选自CoCl2、LaF3、CeF3、NaF或CaF2中的至少一种，优选选择CoCl2。
在本发明中，所述金刚石颗粒的含量为常规添加量，通常为所述金属结合剂重量的1.4～2.1％。所述金刚石颗粒的粒径为0.125～0.425mm，对应于金刚石颗粒的等级为35/45-100/120的范围。在本发明中，所述石墨颗粒的含量为所述金属结合剂重量的0.25～1.0％。所述石墨颗粒的粒径为5.0～200μm。
在本发明中，所述金属结合剂可以选择常用的铁基金属结合剂，也可以选择铁基预合金化粉末，在本发明中并无具体限制。例如含有：30～45wt％的Fe、20～32wt％的Cu、5～15wt％的Ni、13～23wt％的WC、2～10wt％的Sn。作为优选地，所述金属结合剂含有：35～39wt％的Fe、24～30wt％的Cu、5～15wt％的Ni、13～23wt％的WC、2～10wt％的Sn。可选地，还可以含有以总量计不超过15wt％的Co、Al、Mn、Ag、Zn、Cr、Ti、Mo，并且每一种元素的添加量不超过3wt％，通过添加上述组分可以调整胎体的强度、韧性等物理性能。
在以下实施例和比较例中，为了便于比较混合粉末的烧结性能，制备如图1相同形状的各磨具刀头，其中外圆弧面的半径R1为125mm，内圆弧面的半径R2约为110mm，H值为5mm，W值为15mm，L值为35mm。选取金属结合剂、金刚石颗粒(以下实施例和比较例中，粒度为40/45，抗压强度为25kg)、石墨颗粒(以下实施例和比较例中平均粒径为35μm)以及金属卤化物添加剂(以下实施例和比较例中平均粒径30μm)，称量后混匀通过冷压成型，热压烧结，砂轮砂带打磨制备金刚石刀头。
实施例1
取铜粉3.2kg，铁3.2kg，镍0.8kg，碳化钨2kg，锡0.8kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，CoCl20.02kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括10v％的空气，余量为N2。
实施例2
取铜粉2.5kg，铁4.1kg，镍1.5kg，碳化钨1.5kg，锡0.4kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，LaF30.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括20v％的空气，余量为N2。
实施例3
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.4kg，锌0.1kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，CeF30.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括5v％的空气，余量为N2。
实施例4
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.5kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，NaF0.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括10v％的空气，余量为N2。
实施例5
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.5kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，CaF20.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括10v％的空气，余量为N2。
对比例1
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.5kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛为空气。
对比例2
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.5kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛包括10v％的空气，余量为N2。
对比例3
取铜粉3.2kg，铁3.2kg，镍0.8kg，碳化钨2kg，锡0.8kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，CoCl20.02kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛为空气。
对比例4
取铜粉2.5kg，铁4.1kg，镍1.5kg，碳化钨1.5kg，锡0.4kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，LaF30.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛为空气。
对比例5
取铜粉2.7kg，铁3.9kg，镍1.2kg，碳化钨1.7kg，锡0.4kg，锌0.1kg放入混料桶中混30分钟后，添加石墨颗粒0.08kg，CeF30.03kg，金刚石0.15kg，继续混料2小时后将粉料灌入模具中冷压成型，热压烧结，热压烧结温度为850℃，压力220kg/cm2，保温时间5分钟，烧结气氛为空气。
将上述实施例以及对比例烧结得到的磨具刀头采用砂轮砂带打磨，将刀头与银焊片一起放在按图2的位置放置在直径为250mm的65Mn钢基体上，调整好焊接位置加热融化银焊片，使刀头和基体焊接在一起，然后以600N/mm2强度标准对每个金刚石刀头进行焊接强度检测，将焊接后的金刚石磨盘用喷砂机去除焊接造成的基体表面氧化皮，然后用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来得到实施例以及比较例的金刚石磨盘。
将通过实施例1-5以及对比例1-5的磨具刀头制备得到的金刚石磨盘制安装在打磨机上对强度等级为C55的水泥混凝土路面以干磨方式进行打磨试验(切入式顺磨，切深0.2mm，转速5000r/min)进行打磨测试。
随机选择1m×1m的测试路面进行表面粗糙度和平整度测试。在测试路面选定100mm×10mm的中心面测试粗糙度，沿着该中心面的边长以10mm为间距截取10个纵截面，用粗糙度测定的触针沿着第i个纵截面的长度方向行进画出一条凹凸曲线，并通过该截面最高点画一条平行于横截面的水平线，该水平线与凹凸曲线所围的面积为Ai，则第i个纵截面的表面粗糙度即为Ai/100mm，然后取该10个纵截面的表面粗糙度的平均值即为测定的表面粗糙度。而在该1m×1m的测试路面上沿着边长以0.1m的间距截取纵截面，一共取10个纵截面，用触针沿着截取第i个纵截面的长度方向画出一条凹曲曲线，该凹曲曲线的最高点和最低点之间的间距为该第i个纵截面的平整度值，然后取该10个纵截面的平整度的平均值即为测定的平整度值。而上述测试结果如表1和2所示。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
表面粗糙度(mm) 0.25 0.29 0.28 0.30 0.27
平整度(mm/m) 0.96 1.02 1.05 1.20 1.04
表2
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
表面粗糙度(mm) 0.39 0.38 0.36 0.37 0.39
平整度(mm/m) 1.52 1.55 1.49 1.56 1.53
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石磨具刀头，所述磨具刀头的水平投影为由同心的外圆弧边、内圆弧边，和连接所述外圆弧边和内圆弧边的两个侧边围成的弧面形状，并且所述两个侧边相互平行；其特征在于：所述外圆弧边和内圆弧边的圆心角≤20°，并且所述磨具刀头由包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂组成的混合粉末通过冷压、烧结成型。
2.根据权利要求1所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述金刚石颗粒的含量为所述金属结合剂重量的1.4～2.1％，所述金刚石颗粒的粒径为0.125～0.425mm。
3.根据权利要求1所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述石墨颗粒的含量为所述金属结合剂重量的0.25～1.0％。
4.根据权利要求1所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述石墨颗粒的粒径为5.0～200μm。
5.根据权利要求1所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述金属卤化物添加剂的含量为所述金属结合剂重量的0.10～0.50％。
6.根据权利要求5所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述金属卤化物添加剂选自CoCl2、LaF3、CeF3、NaF或CaF2中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述铁基金属结合剂含有：30～45wt％的Fe、20～32wt％的Cu、5～15wt％的Ni、13～23wt％的WC、2～10wt％的Sn。
8.根据权利要求7所述的金刚石磨具刀头，其特征在于：所述铁基金属结合剂还含有以总量计不超过15wt％的Co、Al、Mn、Ag、Zn、Cr、Ti、Mo，并且每一种元素的添加量不超过3wt％。
9.一种金刚石磨具刀头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)准备包含碳化钨的金属结合剂、金刚石颗粒、石墨颗粒以及金属卤化物添加剂，混匀得到混合粉末；
(2)将所述混合粉末在模具中冷压成型得到刀头坯体；
(3)将所述刀头坯体热压烧结成型，热压烧结温度为780-850℃，压力为200-300kg/cm2，并且热压烧结在贫氧气氛下进行。
10.根据权利要求9所述的金刚石磨具刀头的制备方法，其特征在于所述贫氧气氛是指含有1-20v％的空气以及余量的氮气的气氛。
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