CN113084718B - 一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，属于粉末冶金技术领域，所述工艺包括：将金刚石磨头粉料进行冷压成型，后进行烘烤，获得若干分体料坯；将若干所述分体料坯进行嵌合装配，获得金刚石磨头料坯；将所述金刚石磨头料坯进行真空烧结，获得金属结合剂金刚石磨头；其中，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂。该工艺采用分段成型‑嵌合烧结的方式，解决了长径比大的金属结合剂金刚石磨头烧结后出现的开裂和孔洞问题，提高了良率，降低了成本。

Description

一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺。

背景技术

蓝宝石、光学玻璃、晶体硅、氧化铝和氧化锆陶瓷等材料，同属于硬脆材料。由于其优越的光学、力学和电介质性能，广泛应用于包括光伏发电、半导体、消费电子等在内的诸多领域。硬脆材料的加工主要经过毛坯选材、定向切割、粗研磨、精密研磨、抛光、超精密抛光、检测和应用等环节，随着技术水平的不断提升，高硬脆材料加工可通过机床完成切割、研磨、抛光、钻孔等工序环节，最终实现加工要求。由于硬脆材料较难加工，行业内普遍采用金刚石磨头来进行钻铣，打孔，扫边加工。金刚石为自然界硬度最高的物质，通过电镀或结合剂键合的方式，固型在基体上，即可形成各式各样的金刚石磨头。电镀磨头特点是保形性较好，成本低，缺点是寿命太低，且生产过程造成较大污染。金属结合剂烧结磨头可以实现多层自锐，寿命很高，且生产过程不会造成环境污染，随着近年性能逐步提高，性价比逐渐具有竞争性，有取代落后电镀磨头的趋势。

在一些特殊要求的硬脆材料加工中，如光学玻璃倒边加工，加工方为了提高效率，往往采用多片光学玻璃层叠放置，然后使用一支金刚石磨头，用其侧面刃部对光学玻璃的边缘加工。这种加工方式效率提升极大，金刚石磨头的一次循环加工，即可完成对数十件光学玻璃的倒边加工。或者，加工方为了磨头成本考虑，往往会在磨头上沿轴向方向设计、排布多个不同形状要求的刃型区域，这样应对不同尺寸的加工，只需要设置不同的下刀深度，就可以做到一件磨头完成数件磨头的工作。

上述的两种磨头的应用场景，在产业中都有较为广泛的应用，目前大量应用的是电镀金刚石磨头，而烧结磨头较少。究其原因，是此类磨头轴向尺寸较长，长径比较大，电镀磨头制作工艺上自然没有任何问题，但若使用金属结合剂烧结磨头，必然涉及到压力成型-高温烧结工艺，而较大的长径比，使得压力成型过程中，压力难以在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强不一，在高温烧结时会出现开裂，破洞等现象，造成良率大大降低，成本提高。或者可通过热压/热等静压方式来制作磨头，但是设备成本极为巨大，工艺也非常复杂。因此成本问题大大限制了金属结合剂金刚石烧结磨头在此类加工场景中的应用，原本烧结磨头对电镀磨头的巨大技术优势，也难以在这个领域内发挥出来。

发明内容

为了解决现有成型烧结工艺难以制造出长径比大的金刚石磨头的技术问题，本发明提供了一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，该工艺采用分段成型-嵌合烧结的方式，解决了长径比大的金属结合剂金刚石磨头烧结后出现的开裂和孔洞问题，提高了良率，降低了成本。

本发明通过以下技术方案实现：

本申请提供一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，所述工艺包括：

将金刚石磨头粉料进行冷压成型，后进行烘烤，获得若干分体料坯；

将若干所述分体料坯进行嵌合装配，获得金刚石磨头料坯；

将所述金刚石磨头料坯进行真空烧结，获得金属结合剂金刚石磨头；

其中，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂。

可选的，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间通过连接头和连接槽相互嵌合，所述连接头和所述连接槽分别设置在相邻两个所述分体料坯的端面上，所述连接头和所述连接槽的径向接触面涂覆有所述混合剂。

可选的，所述连接头的外壁和所述连接槽的内壁之间具有间隙，所述间隙的尺寸与所述分体料坯的直径之间存在如下关系：

所述分体料坯的直径为6～12mm，所述间隙尺寸为0.1～0.2mm；

所述分体料坯的直径为12～18mm，所述间隙尺寸为0.2～0.3mm；

所述分体料坯的直径≥18mm，所述间隙尺寸为0.3～0.4mm。

可选的，所述分体料坯呈圆筒形，所述分体料坯的长径比≤2，所述分体料坯的长度为所述金刚石磨头料坯长度的15～50％。

可选的，在若干所述分体料坯进行嵌合装配前，完成所述混合剂的涂覆和干燥；

所述混合剂中，所述金属结合剂和所述粘结剂的质量比为8～15∶1；

相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆的所述混合剂的质量为0.5～1g。

可选的，将所述将金刚石磨头粉料进行冷压成型，后进行烘烤，获得若干分体料坯，具体包括：

将金刚石磨头粉料进行冷压成型，30～50Mpa点压10～15次后保压3～5min，保压过程中模具内压力为150～200Mpa，后80～120℃下烘烤6～8h，获得若干分体料坯。

可选的，所述金刚石磨头料坯的轴向长度为所述金属结合剂金刚石磨头轴向长度的110～130％，直径为所述金属结合剂金刚石磨头直径的110～125％。

可选的，所述真空烧结具体包括：

升温阶段一：室温升温至200℃，所需时间15～20min，保温10～15min；

升温阶段二：升温至600℃，所需时间25～35min，保温10～15min；

升温阶段三：升温至850～900℃，所需时间20～25min，保温10～15min；

冷却阶段一：降温至600℃，所需时间30～40mim；

冷却阶段二：600℃自然冷却至室温；

所述真空烧结中，控制气压≤1*10^-3pa。

可选的，所述金刚石磨头粉料的制备方法包括：

将金属结合剂、金刚石粉和添加剂按照质量比1∶(0.05～0.15)∶(0.025～0.05)混合，获得混合料：

将所述混合料与粘结剂混合，获得所述金刚石磨头粉料；

其中，所述粘结剂的质量为所述混合料质量的5～10％；

所述添加剂包括石墨、碳化硅、陶瓷微球和钨粉中的至少一种。

可选的，以质量分数计，所述金属结合剂的化学成分包括：

锡：30％～50％，铜：40％～60％，钛：2％～15％，其他成分占比≤10％；

以质量分数计，所述粘结剂的成分包括纤维素，水，乙醇和异丙醇中的至少一种。

本发明中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本发明一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，将金刚石磨头粉料进行冷压成型，获得若干分体料坯，若干分体料坯嵌合装配成一个完整的金刚石磨头料坯，再进行真空烧结，本发明采用分段成型、嵌合装配烧结的方式，对于长径比大的金刚石磨头而言，单个分体料坯的长径比更小，克服了因长径比大而导致的压力成型过程中，压力难以在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强不一，在高温烧结时会出现开裂，破洞等现象的问题，提高了长径比大的金刚石磨头的良率，本发明采用冷压成型和真空烧结工艺，对设备要求低，进而降低了长径比大的金刚石磨头生产成本。

2.本发明一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，在相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂，涂覆混合剂的目的是利用纯金属结合剂液相点较低，对相邻两个分体料坯的装配面起到融化润湿、加强焊接的作用，真空烧结过程中，分体料坯首先由疏松的粉末体固相转变为固液混合相，再由固液混合相逐渐冷却转变为致密固相，在这个过程中，装配间隙中的结合剂先行液化、流淌，填充径向接触面间的装配间隙的同时，润湿两侧的分体料坯，随着温度的提升，当分体料坯开始发生固液相转变时，会与结合剂融合为一体，实现相邻两个分体料坯的径向接触面的融合。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，

为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺流程图；

图2是本发明实施例1分体料坯一冷压成型示意图；

图3是本发明实施例1分体料坯二冷压成型示意图；

图4是本发明实施例1分体料坯嵌合装配示意图；

图5是本发明点胶位置示意图；

图6是本发明实施例1制得的金属结合剂金刚石磨头示意图。

图中：1-上压环，2-下压板，3-分体料坯一，4-分体料坯二，5-模具，6-连接槽，7-连接头，8-间隙，9-点胶位置，10-金属结合剂金刚石磨头，11-钢制基体。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

还需要说明的是，本发明中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本申请提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

现有常见的压力成型-烧结工艺，可分为冷压和热压，冷压包含普通冷压和冷等静压，热压包含普通热压和热等静压。最普通，成本也最低的冷压烧结法是获得高密度粉末冶金零部件的一种低成本工艺，工艺研究集中于制备密度尽可能高的粉末冶金部件。为了减小压制过程中模壁与粉体间的摩擦，提高未烧结件的密度和均匀性，传统粉末压制与烧结工艺中元素粉末混合时须添加润滑剂，然而大量残留的润滑剂会限制压制件的致密化，降低湿态强度。因此，烧结初始阶段须去除残留的润滑剂，润滑剂于150℃溶化，600℃左右开始分解。润滑剂的分解会使烧结密度减小，另一方面压坯孔洞内的气体也会降低制件的密度。对于压坯要求较高，压坯体积较大，形状较为复杂的情况，可采用等静压技术，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，提供均匀的压力成型压坯。一般使用压力为100～630MPa。作为一种成型工艺，与常规冷压成型技术相比，等静压成型的制品密度高，一般要比单向和双向模压成型高5～15％。

上述技术的缺点在于：冷压成型往往采用模具来整体成型，对于较小料坯来说效果较为良好，但是对于上述加工场景中，工作部分长径比较大的磨头来说，需要成型的压坯也是具有其特殊形状，冷压成型的压力传导始终是个老大难问题。可以通过设计模芯来改善压坯内部压强分布，也可以通过添加润滑剂来改善粉料自身摩擦，但是此类改善都存在相当大的局限性。如果压坯内部压强分布不均，在烧结过程中，很容易出现开裂，孔洞等现象，导致产品报废。

热压烧结的特点：热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，因而成型压力仅为冷压的1/10；还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产品。无需添加烧结助剂或成型助剂，可生产超高纯度的粉末冶金产品。

热等静压工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段；热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中(类似模具作用)，包套可以采用金属或陶瓷制作(低碳钢、Ni、Mo、玻璃等)，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺。

上述技术的缺点在于：热压/热等静压方式，对设备要求过高，一台设备动辄百万元以上，所以大多应用在航空航天，军工，高精密加工等附加值较高的产业内，难以在普通民用市场广泛推广。

基于此，本发明开发了一种金属结合剂金刚石磨头分段嵌合式成型烧结工艺，利用金属结合剂粉末烧结过程中固液相转变时出现的致密化、收缩化现象，采用分段成型-嵌合烧结的工艺，解决了压力传导不匀、单个大压坯致致密度不一导致烧结开裂，孔洞的问题，提高了良率，降低了成本，适用于制造长径比(轴向长度与径向直径的比值)大的金属结合剂金刚石烧结磨头。

根据本发明一种典型的实施方式，提供一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，如图1所示，所述工艺包括：

S1.将金刚石磨头粉料进行冷压成型，后进行烘烤，获得若干分体料坯；

S2.将若干所述分体料坯进行嵌合装配，获得金刚石磨头料坯；

S3.将所述金刚石磨头料坯进行真空烧结，获得金属结合剂金刚石磨头；

其中，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂。

本发明中，将金刚石磨头粉料进行冷压成型，获得若干分体料坯，若干分体料坯嵌合装配成一个完整的金刚石磨头料坯，再进行真空烧结，本发明采用分段成型、嵌合装配烧结的方式，对于长径比大的金刚石磨头而言，单个分体料坯的长径比更小，克服了因长径比大而导致的压力成型过程中，压力难以在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强不一，在高温烧结时会出现开裂，破洞等现象的问题，提高了长径比大的金刚石磨头的良率，本发明采用冷压成型和真空烧结工艺，对设备要求低，进而降低了长径比大的金刚石磨头生产成本。

本发明中，在相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂，涂覆混合剂的目的是利用纯金属结合剂液相点较低，对相邻两个分体料坯的装配面起到融化润湿、加强焊接的作用，真空烧结过程中，分体料坯首先由疏松的粉末体固相转变为固液混合相，再由固液混合相逐渐冷却转变为致密固相，在这个过程中，装配间隙中的结合剂先行液化、流淌，填充径向接触面间的装配间隙的同时，润湿两侧的分体料坯，随着温度的提升，当分体料坯开始发生固液相转变时，会与结合剂融合为一体，实现相邻两个分体料坯的径向接触面的融合。

作为一种可选的实施方式，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间通过连接头和连接槽相互嵌合，所述连接头和所述连接槽分别设置在相邻两个所述分体料坯的端面上，所述连接头和所述连接槽的径向接触面涂覆有所述混合剂。

本申请中，相邻两个所述分体料坯之间通过连接头和连接槽相互嵌合，目的在于使相邻两个所述分体料坯之间密切配合，避免间距过大导致难以烧结成一个整体。

作为一种可选的实施方式，所述连接头的外壁和所述连接槽的内壁之间具有间隙，所述间隙的尺寸与所述分体料坯的直径之间存在如下关系：

所述分体料坯的直径为6～12mm，所述间隙尺寸为0.1～0.2mm；

所述分体料坯的直径为12～18mm，所述间隙尺寸为0.2～0.3mm；

所述分体料坯的直径≥18mm，所述间隙尺寸为0.3～0.4mm。

本申请中，间隙根据料坯直径大小而不同，由于在烧结过程中分体料坯会产生径向收缩，因此间隙会随着料坯固液相转变逐渐缩小、贴合，在高温保温段融合为一体，整个装配体经冷却后，形成一个致密的整体。

本申请中，烘干后的分体料坯容易碎裂，不便于装配，在连接头的外壁和连接槽的内壁之间设计间隙，可避免在装配嵌合过程中，连接头外壁和连接槽内壁产生沿轴向的摩擦，导致内壁和外壁上的粉末脱落，间隙大小随着分体料坯直径的增大而增大，从而有利于装配嵌合过程的顺利进行。

另一方面，设计间隙的原因在于：金刚石磨头料坯在烧结过程中，固液相转变时，会产生较大的体积收缩，收缩方向既有径向也有轴向，所述间隙针对径向收缩而设计，料坯直径越大，径向收缩越剧烈。对于连接头部分而言，由于料坯在烧结过程中内芯穿设有钢制基体，限制了连接头的径向收缩空间，因而更多的会产生轴向收缩；而连接槽外部的坯体部分套在连接头***，***的料坯局部直径更大，故会发生较为剧烈的收缩，其径向收缩量与内嵌的连接头存在差异值，若不设计间隙，给外部料坯提供自由收缩的空间，则连接头就会在固液相转变的收缩过程中发生挤压，在烧结后会出现鼓包，变形，甚至孔洞的现象，而本发明预留的间隙被料坯收缩效应填补后，多个分体料坯也形成了一个完整的致密体。

作为一种可选的实施方式，所述分体料坯呈圆筒形，所述分体料坯的长径比≤2，所述分体料坯的长度为所述金刚石磨头料坯长度的15～50％。

本申请中，分体料坯的长径比≤2，可有效避免因较大的长径比，使得压力成型过程中，压力难以在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强不一，在高温烧结时会出现开裂，破洞等现象，分体料坯的长度为所述金刚石磨头料坯长度的15～50％，即可根据实际金刚石磨头长径比，将其分为2～5段分体料坯成型再烧结，通过降低单个分体料坯长径比，提高烧结磨头良率。

作为一种可选的实施方式，在若干所述分体料坯进行嵌合装配前，完成所述混合剂的涂覆和干燥；

所述混合剂中，所述金属结合剂和所述粘结剂的质量比为8～15∶1；

相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆的所述混合剂的质量为0.5～1g。

本申请中，金属结合剂和所述粘结剂的质量比为8～15∶1，好处是结合剂粉末与粘结剂混匀，粘液的粘度和流淌性优良，适合搅拌机搅匀，搅匀后还可干燥成大小适中的干粉颗粒，干粉颗粒在冷压工艺下流动性良好，便于成型，相邻两个分体料坯之间的径向接触面涂覆的混合剂量为0.5～1g，融化后可起到有效焊接分体料坯的效果，用量过低，则无法有效焊接，用量过高则会影响金刚石磨头料坯焊接处的成分构成，从而影响金刚石磨头的力学性能和耐用性。

作为一种可选的实施方式，将所述将金刚石磨头粉料进行冷压成型，后进行烘烤，获得若干分体料坯，具体包括：

将金刚石磨头粉料进行冷压成型，30～50Mpa点压10～15次后保压3～5min，保压过程中模具内压力为150～200Mpa，后80～120℃下烘烤6～8h，获得若干分体料坯。

本申请中，冷压成型采用上述工艺参数，能够有效实现分体料坯的成型，保障压力在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强均衡，避免在高温烧结时出现开裂、破洞等现象，烘烤的目的是增加分体料坯强度，以利于嵌合装配。

作为一种可选的实施方式，所述金刚石磨头料坯的轴向长度为所述金属结合剂金刚石磨头轴向长度的110～130％，直径为所述金属结合剂金刚石磨头直径的110～125％。

本申请中，考虑间隙和烧结收缩，分体料坯尺寸的设计：装配后的金刚石磨头料坯轴向的总长度，应为成品长度的110％至130％，径向总直径应为成品直径的110％至125％。

作为一种可选的实施方式，所述真空烧结具体包括：

升温阶段一：室温升温至200℃，所需时间15～20min，保温10～15min；

升温阶段二：升温至600℃，所需时间25～35min，保温10～15min；

升温阶段三：升温至850～900℃，所需时间20～25min，保温10～15min；

冷却阶段一：降温至600℃，所需时间30～40mim；

冷却阶段二：600℃自然冷却至室温；

所述真空烧结中，控制气压≤1*10^-3Pa。

本申请中，真空烧结工艺中采用常规烧结工艺即可，也可参照上述工艺。

作为一种可选的实施方式，所述金刚石磨头粉料的制备方法包括：

将金属结合剂、金刚石粉和添加剂按照质量比1∶(0.05～0.15)∶(0.025～0.05)混合，获得混合料：

将所述混合料与粘结剂混合，获得所述金刚石磨头粉料；

其中，所述粘结剂的质量为所述混合料质量的5～10％；

所述添加剂包括石墨、碳化硅、陶瓷微球和钨粉中的至少一种。

本申请中，金刚石磨头粉料采用常规粉料即可，也可采用上述成分的金刚石磨头粉料，烧结过程中，料坯由固相转变为固液混合相再转变为固相，其结构也由疏松结构转变为致密结构，体积向中心收缩，金刚石磨头粉料采用上述成分及配比，可使烧结过程中径向收缩量控制在10％至15％。

本申请中，金刚石粉的用量配比与其粒度之间满足以下关系：

200目的金刚石粉与金属结合剂的质量比为1∶8～10；

300目的金刚石粉与金属结合剂的质量比为1∶10～12；

400目的金刚石粉与金属结合剂的质量比为1∶12～15；

600目的金刚石粉与金属结合剂的质量比为1∶15～20。

作为一种可选的实施方式，以质量分数计，所述金属结合剂的化学成分包括：

锡：30％～50％，铜：40％～60％，钛：2％～15％，其他成分占比≤10％；

所述金属结合剂的粒度≤200目；

以质量分数计，所述粘结剂的成分包括纤维素，水，乙醇和异丙醇中的至少一种。

本申请中，金属结合剂采用金属结合剂金刚石磨头常规的结合剂，其作用是经烧结后形成固相结构，满足加工条件的外形尺寸要求；此外，对金刚石形成机械镶嵌包裹结构，把持住金刚石；最后，结合剂中的Cu，Sn，Ti等材料可以和金刚石形成化学共价键，进一步加强对金刚石磨粒的把持力，粘结剂为金属结合剂金刚石磨头常规使用的粘结剂，其作用在于使金刚石磨头粉料或混合剂具备一定黏性，利于成型。

本申请中，所述金属结合剂中的其他成分为铁、钴、镍等现有金属结合剂中常规存在的微量成分。

下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺进行详细说明。

实施例1

本实施例一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，制备刃部轴向长度为50mm、直径7mm的金属结合剂金刚石磨头(长径比为7)，所述工艺包括：

(1)备料：

金刚石磨头粉料制备：

将金属结合剂、金刚石粉和添加剂按照质量比1∶0.1∶0.03混合，所述金刚石粉种类为MBD10-300目，获得混合料：将所述混合料与粘结剂混合，获得所述金刚石磨头粉料；所述粘结剂的质量为所述混合料质量的7.5％；

所述添加剂包括石墨和碳化硅。

以质量分数计，所述金属结合剂的化学成分包括：

锡：37％，铜：52％，钛：2％，铁2％，钴5％，镍2％；

以质量分数计，所述粘结剂的成分包括：甲基纤维素1份，水50份，乙二醇10份。

混合剂制备：将金属结合剂和粘结剂按照质量比10∶1混合。

(2)金刚石磨头粉料使用双向冷压成型工艺，制备6个长度为10mm、直径8mm的分体料坯，使用气动压力机驱动下压板2和上压环1，50Mpa压强点压10次后保压3min，保压时模具5内压力为150～200Mpa，120℃烘烤6小时，获得分体料坯。

如图2-4，图2中，将金刚石磨头粉料填入模具5中，使用气动压力机驱动下压板2和上压环1，压制出分体料坯一3，分体料坯一3的一端设置有连接槽6，图3中，使用气动压力机驱动下压板2和上压环1，压制出分体料坯二4，分体料坯二4的一端设置有连接头7，如图4所示，分体料坯一3和分体料坯二4通过连接槽6和连接头7嵌合，装配成一个整体，连接头7的外壁和所述连接槽6的内壁之间具有间隙8。

(3)嵌合装配：将步骤(2)制得的分体料坯通过其端部的连接头7和连接槽6结构两两嵌合，装配成一根长度为55mm、直径8mm金刚石磨头料坯，其中，连接头7的外壁和所述连接槽6的内壁之间的间隙8为0.2mm。

在嵌合之前，对相邻两个分体料坯之间的径向接触面上通过点胶的方式涂覆混合剂，如图5所示，点胶位置9的数量为4～5点，相邻两个分体料坯之间的点胶总量为0.5g。

(4)真空烧结：，将一根钢制基体11穿过金刚石磨头料坯，送入炉膛烧结，本实施例真空烧结的温度曲线为：

升温阶段一：室温升温至200℃，所需时间15min，保温10min；

升温阶段二：升温至600℃，所需时间25min，保温10min；

升温阶段三：升温至850℃，所需时间20min，保温10min；

冷却阶段一：降温至600℃，所需时间30mim；

冷却阶段二：600℃自然冷却至室温；

真空烧结中，控制气压≤1*10^-3Pa。

(5)烧结完成后，获得如图6所示的金属结合剂金刚石磨头10，按照设计图纸对金属结合剂金刚石磨头10表面进行磨削修型或电火花修型，获得目标形状。

实施例2

本实施例与实施例1的区别如下，其余工艺相同：

成品金属结合剂金刚石磨头的轴向长度为31mm、直径10mm；

一共2个分体料坯，其轴向长度为17mm、直径11.5mm；

金刚石磨头料坯轴向长度为33mm，连接头的外壁和所述连接槽的内壁之间的间隙为0.2mm；

相邻两个分体料坯之间的点胶总量为1g。

对比例1

本对比例一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，制备轴向长度为50mm、直径7mm的金属结合剂金刚石磨头(长径比为7)，所述工艺包括：

(1)采用与实施例1相同的金刚石磨头粉料，通过双向冷压成型工艺成型，120℃烘烤5小时，制得一根长度为55mm、直径8mm金刚石磨头料坯；

其中，具体的双向冷压成型工艺参数为：45Mpa压强点压10次后保压5min，保压时模具内压力为200Mpa。

(2)将金刚石磨头料坯进行真空烧结，烧结温度曲线和气压均与实施例1相同，最后修型。

相关实验：

按照实施例1、2和对比例1的工艺，备制造30个烧结样品，对实施例1、2和对比例1制得的金属结合剂金刚石磨头样品进行结构和力学性能检测，测试结果如表1所示。

相关测试方法：

金属结合剂金刚石磨头的烧结结构测试方法为：完成烧结后，使用线切割机床，沿轴向将磨头对半切开，再沿径向将两半进一步切割成6等份，观察切面上磨粒层的形貌，是否有内部孔洞和裂纹。

金属结合剂金刚石磨头的加工性能测试方法为：将砂轮修锐后，装夹在陶瓷精雕机上对氧化锆陶瓷板进行加工。加工方式为侧刃Z字形走刀，加工方式为F1500，转速24000rpm，吃刀量1mm，Z轴下刀覆盖陶瓷板厚度。累计加工陶瓷板体积为100000mm3。完成加工测试后，测量砂轮加工面的径向磨损。

表1金属结合剂金刚石磨头进行结构和力学性能

	表面裂纹/条	内部裂纹/条	表面破洞/个	内部空洞/个	加工性能/磨损
						实施例1	1	0	0	0	0.37mm
实施例2	0	0	0	0	0.06mm
						对比例1	4	12	9	17	0.39mm

表1中，关于裂纹和孔洞记录的各组样品出现的总数量，加工性能是取的实测平均值。

从表1可知，实施例1、2采用本发明一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，制得的金属结合剂金刚石磨头无论是表面还是内部，均无裂纹或破洞出现，加工性能优异，实施例1与相近尺寸的对比例1磨损值基本一致。良率高。

对比例1采用传统的整体烧结工艺，制得的金属结合剂金刚石磨头在表面和内部出现了较多的裂纹或破洞，良率很低，加工性能与相近尺寸的实施例1基本一致。

本申请中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

(1)本申请一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，将金刚石磨头粉料进行冷压成型，获得若干分体料坯，若干分体料坯嵌合装配成一个完整的金刚石磨头料坯，再进行真空烧结，本发明采用分段成型、嵌合装配烧结的方式，对于长径比大的金刚石磨头而言，单个分体料坯的长径比更小，克服了因长径比大而导致的压力成型过程中，压力难以在冶金粉末中顺畅传导，使压坯内部各处压强不一，在高温烧结时会出现开裂，破洞等现象的问题，提高了长径比大的金刚石磨头的良率，本发明采用冷压成型和真空烧结工艺，对设备要求低，进而降低了长径比大的金刚石磨头生产成本。

(2)本申请一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，在相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆有混合剂，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂，涂覆混合剂的目的是利用纯金属结合剂液相点较低，对相邻两个分体料坯的装配面起到融化润湿、加强焊接的作用，真空烧结过程中，分体料坯首先由疏松的粉末体固相转变为固液混合相，再由固液混合相逐渐冷却转变为致密固相，在这个过程中，装配间隙中的结合剂先行液化、流淌，填充径向接触面间的装配间隙的同时，润湿两侧的分体料坯，随着温度的提升，当分体料坯开始发生固液相转变时，会与结合剂融合为一体，实现相邻两个分体料坯的径向接触面的融合。

(3)本申请一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，采用分段成型工艺，回避了整体成型，分段成型技术手段简单，模具设计简洁，成型良率高，且由于分体料坯较小，内部密度分布均匀，不易产生裂缝和孔洞，而整体成型在面临一些特殊外形时，需要使用等静压设备，设备成本高昂，工艺复杂，良率较低，

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，其特征在于，所述工艺包括：

将金刚石磨头粉料进行冷压成型，30～50Mpa点压10～15次后保压3～5min，保压过程中模具内压力为150～200Mpa，后80～120℃下烘烤6～8h，获得若干分体料坯，所述分体料坯呈圆筒形，所述分体料坯的长径比≤2，所述分体料坯的长度为所述金刚石磨头料坯长度的15～50％；

将若干所述分体料坯进行嵌合装配，获得金刚石磨头料坯，所述金刚石磨头料坯中，相邻两个所述分体料坯之间通过连接头和连接槽相互嵌合，所述连接头的外壁和所述连接槽的内壁之间具有间隙，所述连接头和所述连接槽分别设置在相邻两个所述分体料坯的端面上，所述连接头和所述连接槽的径向接触面涂覆有混合剂；

将所述金刚石磨头料坯进行真空烧结，获得金属结合剂金刚石磨头；

其中，所述混合剂包含金属结合剂和粘结剂，所述混合剂中，所述金属结合剂和所述粘结剂的质量比为8～15：1；所述金属结合剂的化学成分包括：锡：30％～50％，铜：40％～60％，钛：2％～15％，其他成分占比≤10％；以质量分数计，所述粘结剂的成分包括纤维素，水，乙醇和异丙醇中的至少一种，相邻两个所述分体料坯之间的径向接触面涂覆的所述混合剂的质量为0.5～1g，所述金刚石磨头料坯的轴向长度为所述金属结合剂金刚石磨头轴向长度的110～130％，直径为所述金属结合剂金刚石磨头直径的110～125％，所述间隙的尺寸与所述分体料坯的直径之间存在如下关系：

所述分体料坯的直径为6～12mm，所述间隙尺寸为0.1～0.2mm；

所述分体料坯的直径为12～18mm，所述间隙尺寸为0.2～0.3mm；

所述分体料坯的直径≥18mm，所述间隙尺寸为0.3～0.4mm。

2.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，其特征在于，

在若干所述分体料坯进行嵌合装配前，完成所述混合剂的涂覆和干燥。

3.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，其特征在于，所述真空烧结具体包括：

升温阶段一：室温升温至200℃，所需时间15～20min，保温10～15min；

升温阶段二：升温至600℃，所需时间25～35min，保温10～15min；

升温阶段三：升温至850～900℃，所需时间20～25min,保温10～15min；

冷却阶段一：降温至600℃，所需时间30～40mim；

冷却阶段二：600℃自然冷却至室温；

所述真空烧结中，控制气压≤1*10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石磨头的成型烧结工艺，其特征在于，所述金刚石磨头粉料的制备方法包括：

将金属结合剂、金刚石粉和添加剂按照质量比1：(0.05～0.15)：(0.025～0.05)混合，获得混合料：

将所述混合料与粘结剂混合，获得所述金刚石磨头粉料；

其中，所述粘结剂的质量为所述混合料质量的5～10％；

所述添加剂包括石墨、碳化硅、陶瓷微球和钨粉中的至少一种。

Images