CN115430831B - 一种金刚石刀头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金刚石刀头技术领域，尤其是涉及的是一种金刚石刀头用胎体粉末、制备方法及金刚石刀头。其中，金刚石刀头由工作层和焊接层组成，焊接层至少采用两种粉料混合制成。其中制备金刚石刀头的胎体粉末采用两种不同用途的胎体粉末A和B，胎体粉末A的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，10％～13％Cu，3％～8％Zn，0.5％～2％Sn，0.5％～1％P，Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，且以化合物的形式加入。胎体粉末B的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，15％～20％Cu，3％～8％Zn，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入。本发明制备的金刚石刀头改善了产品焊接面的焊接性能，提高了产品与基体间的焊接强度；产品锋利度和寿命提升10‑25％。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石刀头技术领域，尤其是涉及的是一种金刚石刀头及其制备方法。
背景技术
从2021年以来，随着全球大宗商量价格不断攀升，加之世界范围内的物流受限，金刚石工具行业所用的原材料成本大幅上升，至今涨幅已达50％以上。如何降低原材料成本，如何提升产品的性价比，成为我们这个行业目前迫切需要解决的难题。传统的金刚石刀头采用的都是铁、铜、钴、锡等价格较高的金属，然后单一结构设计，在三段式工艺下生产，成本较高、对金刚石存在浪费。如何用一种用低价元素替代较贵的金属元素，并对结构进行分层设计，再辅以精准的多段式生产工艺，生产出具备原先性能的低成本金刚石刀头的方法就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及其他说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种金刚石刀头及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种金刚石刀头用胎体粉末，胎体粉末的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，10％～13％Cu，3％～8％Zn，0.5％～2％Sn，0.5％～1％P，Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，且以化合物的形式加入。
一种金刚石刀头用胎体粉末，胎体粉末的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，15％～20％Cu，3％～8％Zn，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入。
一种金刚石刀头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：胎体粉的配制：将所需的各种粉末按前述的各组分比例准确称量，依次倒入最适容积的三维混料机中，再根据200克/公斤的添加比例加入混料介质，同时使混料机中的加料空间在2/3～3/4之间。混料机转速定在40～50rpm，在室温和无保护气体的情况下，混料1小时，经此操作可制得两种不同用途的胎体粉末A和B。胎体粉末A的各组分及重量百分比为Fe：72％～80％、Cu：10％～13％、Zn：3％～8％、Sn：0.5％～2％、P：0.5％～1％，Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，且以化合物的形式加入。胎体粉末B的各组分及重量百分比为Fe：72％～80％、Cu：15％～20％、Zn：3％～8％，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入。
步骤二：金刚石的添加：按设计要求将所需的几种金刚石进行准确称量并单一方向搅拌混合均匀，然后按0.6ml/Kg的比例，将润湿剂加入到金刚石中，并再次搅拌均匀。最后，将搅拌好的金刚石加入到前述的胎体粉A中，并以相同的工艺，再次混料1小时。
步骤三：刀头的冷压成型：经前述两个环节即可制得所需的胎体混合料A+和B。将制得的两种混合料装入到冷压机两个料斗中，安装定制的投料料盒(料盒与模腔间距1.3mm)，调整压制的频率为38次/min，压制压力2.0KN/cm2，保持单重波动在-1.0％～1.5％，B料成型厚度在1.3-1.5mm。经此工序可制得冷压坯体。
步骤四：刀头的高温烧结：将冷压坯体装入到对应尺寸的石墨模具中，然后利用烧结机进行高温烧结。
优选的，金刚石采用粒径为250-500微米的人造单晶金刚石，金刚石的热冲击强度TTI在76～88之间。
优选的，混料介质为铁链或钢球中的任意一种。混料介质是辅助粉末混合的介质体，其能够提升粉末的混合程度。
优选的，润湿剂为石蜡。润湿剂是通过降低其表面能，能使固体物料更易被水浸湿的物质的表面活性剂。
优选的，高温烧结的烧结工艺如下：
第一阶段，以5℃/秒的速率从室温升温至550℃，压力从0升至30KN，对冷压坯体进行初步预热，提高致密度和模具间配合度；
第二阶段，在550℃、30KN保温保压15秒，在该温度，低熔点金属熔化，并在毛细管作用下进行一定程度的流动，填充颗粒间间隙；
第三阶段，以3.5℃/秒的速率升温至810℃，压力升至115KN，粉末全部熔化，致密度提升；
第四阶段，以1.5℃/秒的速率从810升温至820℃，压力升至125KN，防止发生冲温过烧等不良影响；
第五阶段，在820℃、125KN保温120秒，混合料充分融合，并进行一定程度的合金化；
第六阶段，以8℃/秒的速率降温至625℃，压力降至30KN，快速降温，使产品具备足够的硬度；
第七阶段，以5℃/秒的速率从625℃降至500℃，压力保压至结束，降低降温速率，有利于刀头内部应力的释放，提高强度。
一种金刚石刀头，金刚石刀头由工作层和焊接层组成，焊接层至少采用两种粉料混合制成。
通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：
本发明设置焊接层改善了产品焊接面的焊接性能，提高了产品与基体间的焊接强度；由刀头制成的锯片产品锋利度和寿命提升10-25％；在保持产品性能优势的前提下，成本下降35％，提升了产品的性价比；通过此制备方法能够节约资源，减少浪费，对金刚石的使用效率提升了15％。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，并且附图是示意性的，并不一定按照实际的比例绘制。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个或数个实施例，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，还可以根据此类附图获得其他的附图。
图1为本发明金刚石刀头的结构示意图；
图2为现有金刚石刀头的结构示意图；
图3为传统高温烧结工艺的多个阶段的温度、压力值变化图；
图4为本发明金刚石刀头的制备方法中高温烧结新工艺的多个阶段的温度、压力值变化图。
主要附图标记说明：1、焊接层；2、工作层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图3、图4，图3为传统高温烧结工艺的多个阶段的温度、压力值变化图；图4为本发明金刚石刀头的制备方法中高温烧结新工艺的多个阶段的温度、压力值变化图。
本实施例提供了一种金刚石刀头用胎体粉末，胎体粉末A的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，10％～13％Cu，3％～8％Zn，0.5％～2％Sn，0.5％～1％P，其中的Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，在本申请中以化合物的形式加入。首先，上述粉末的组分材料都是比较便宜的原材料，使用这些便宜的原材料可以把性能做到跟原来用比较贵的原材料的性能一样，在保持产品性能优势的前提下，成本下降35％；其次，制备时烧结温度低，生产过程需要的电比较少，对能源的损耗减小了，能够节约资源。Cu能与多种金属和非金属形成合金，铜合金对金刚石具有最低的润湿角，而且有较低的烧结温度，较好的成形性和可烧结性。P的加入，既有利于对胎体烧结性能的改善，有可以强化胎体的脆性，提高产品锋利度。
胎体粉末B的各组分及重量百分比如下：72％～80％Fe，15％～20％Cu，3％～8％Zn，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入。
本实施例提供了一种金刚石刀头的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：胎体粉的配制：将所需的各种粉末按前述的各组分比例准确称量，依次倒入最适容积的三维混料机中，再根据200克/公斤的添加比例加入混料介质，同时使混料机中的加料空间在2/3～3/4之间。混料机转速定在40～50rpm，在室温和无保护气体的情况下，混料1小时，经此操作可制得两种不同用途的胎体粉末A和B。其中，胎体粉末A的各组分及重量百分比如下：72％～80％ Fe，10％～13％ Cu，3％～8％ Zn，0.5％～2％ Sn，0.5％～1％ P，其中的Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，在本申请中以化合物的形式加入。胎体粉末B的各组分及重量百分比如下：72％～80％ Fe，15％～20％ Cu，3％～8％ Zn，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入，混料介质为铁链。
步骤二：金刚石的添加：按设计要求将所需的几种金刚石进行准确称量并单一方向搅拌混合均匀，然后按0.6ml/Kg的比例，将润湿剂加入到金刚石中，并再次搅拌均匀。最后，将搅拌好的金刚石加入到前述的胎体粉A中，并以相同的工艺，再次混料1小时。金刚石采用粒径为250-500微米的人造单晶金刚石，要求金刚石的热冲击强度TTI在76～88之间，润湿剂为石蜡。
步骤三：刀头的冷压成型：经前述两个环节即可制得所需的胎体混合料A+和B。将制得的两种混合料装入到冷压机两个料斗中，安装定制的投料料盒(料盒与模腔间距1.3mm)，调整压制的频率为38次/min，压制压力2.0KN/cm2，保持单重波动在-1.0％～1.5％，B料成型厚度在1.3-1.5mm。经此工序可制得冷压坯体。
步骤四：刀头的高温烧结：将冷压坯体装入到对应尺寸的石墨模具中，然后利用烧结机进行高温烧结。烧结工艺如下：
第一阶段，以5℃/秒的速率从室温升温至550℃，压力从0升至30KN，对冷压坯体进行初步预热，提高致密度和模具间配合度；
第二阶段，在550℃、30KN保温保压15秒，在该温度，低熔点金属熔化，并在毛细管作用下进行一定程度的流动，填充颗粒间间隙；
第三阶段，以3.5℃/秒的速率升温至810℃，压力升至115KN，粉末全部熔化，致密度提升；
第四阶段，以1.5℃/秒的速率从810升温至820℃，压力升至125KN，防止发生冲温过烧等不良影响；
第五阶段，在820℃、125KN保温120秒，混合料充分融合，并进行一定程度的合金化；
第六阶段，以8℃/秒的速率降温至625℃，压力降至30KN，快速降温，使产品具备足够的硬度；
第七阶段，以5℃/秒的速率从625℃降至500℃，压力保压至结束，降低降温速率，有利于刀头内部应力的释放，提高强度。
从图3可以看出：第一阶段，直接从500℃以4℃/秒的速率，线性升温和升压的情况对产品进行烧结，对很多含低熔点元素的产品而言，合金化的时间远远不够，低熔点元素没有充分扩散，使产品烧结不够充分。
第二阶段，升温至820之后，持续保温2分钟，也是为了给予足够的时间促进烧结的充分进行，由于设备的固有缺陷，温度通常都会发生冲温。
第三阶段，2分钟之后，产品直接以5℃/秒线性降温，对于部分降温过程中会膨胀的产品，这种情况会导致产品在降温过程中，内部致密度、尺寸精度等发生偏差。
从图4可以看出：第一阶段，以5℃/秒的速率从室温升温至550℃，压力从0升至30KN，对冷压坯体进行初步预热，提高致密度和模具间配合度；
第二阶段，在550℃、30KN保温保压15秒，在该温度，低熔点金属熔化，并在毛细管作用下进行一定程度的流动，填充颗粒间间隙；
第三阶段，以3.5℃/秒的速率升温至810℃，压力升至115KN，粉末全部熔化，致密度提升；
第四阶段，以1.5℃/秒的速率从810升温至820℃，压力升至125KN，防止发生冲温过烧等不良影响；
第五阶段，在820℃、125KN保温120秒，混合料充分融合，并进行一定程度的合金化；
第六阶段，以8℃/秒的速率降温至625℃，压力降至30KN，快速降温，使产品具备足够的硬度；
第七阶段，以5℃/秒的速率从625℃降至500℃，压力保压至结束，降低降温速率，有利于刀头内部应力的释放，提高强度。
下面给出三个试验示例，分别为示例1、示例2、示例3，并对成品进行硬度、失重率、致密度、抗弯强度、变形量、锋利度、寿命等数据进行试验，试验数据详见表格一、表格二、表格三内容。
表格一：
| Fe | Cu | Zn | Sn | P | |
| 示例1 | 75 | 10 | 2 | 0.5 | 0.5 |
| 示例2 | 72 | 10 | 5 | 0.5 | 0.5 |
| 示例3 | 72 | 13 | 8 | 0.5 | 1 |
表格二：
表格三：
| 焊接面积cm2 | 焊接强度Mpa | |
| 原来 | 1.550 | 400 |
| 本案 | 1.824 | 460 |
由上表可知，示例2为3个示例中的最优示例，其综合试验数据最佳。
参照图1、图2，图1为本发明金刚石刀头的结构示意图；图2为现有金刚石刀头的结构示意图。
本实施例还提供了一种金刚石刀头，焊接层1与工作层2分层设计，焊接层1的制备原料采用至少两种不同粉料(A+料和B料)制备而成。如图2所示，以前金刚石刀头的工作层2和焊接层1是一体的，采用的粉料也为单一粉料。本实施例提供的金刚石刀头分为两层结构，其中的焊接层1的原料有多种粉料，避免采用单一粉料，单一粉料制成的金刚石刀头的制备成本受原材料价格波动的影响较大。采用上述的分层设计对金刚石的使用效率提升了15％。原来金刚石刀头是一个部分，整体都含有金刚石，现在金刚石刀头分焊接层1和工作层2两个部分，焊接层1中是不含金刚石的，(相当于假定金刚石刀头由100颗金刚石材料制成，原来是20颗在焊接层1，80颗在工作层2；现在是只有80颗在工作层2，焊接层1里面没有)所以间接的提高了金刚石的使用效率。因为本申请中金刚石刀头的最下面的焊接层1这部分主要的作用就是焊接连接作用，在金刚石刀头的使用中是不参与工作的，最后是要废弃掉的。
本实施例中的金刚石刀头，将刀头通过焊接层1与圆形的基体焊接在一起形成金刚石锯片。金刚石锯片广泛应用于石材、陶瓷等脆硬性材料的加工，一般由基体和刀头两部分组成，刀头安装一定的间隔焊接在基体上。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的此类特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
此外，所描述的特征或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如厚度、数量等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现或者也可采用其他结构、组件等实现。
Claims (4)
1.一种金刚石刀头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：胎体粉的配制：将制备胎体粉末A、胎体粉末B中所需的各种粉末按其对应的各组分比例准确称量，依次倒入最适容积的三维混料机中，再根据200克/公斤的添加比例加入混料介质，同时使混料机中的加料空间在2/3～3/4之间；混料机转速定在40～50rpm，在室温和无保护气体的情况下，混料1小时，经此操作可制得两种不同用途的胎体粉末A和B；其中，胎体粉末A的各组分及重量百分比如下：72%～80%Fe，10%～13%Cu，3%～8%Zn，0.5%～2%Sn，0.5%～1%P，Zn和Sn均以合金的形式加入，P元素是无机非金属元素，且以化合物的形式加入；胎体粉末B的各组分及重量百分比如下：72%～80%Fe，15%～20%Cu，3%～8%Zn，其中的Zn以单一金属和合金相结合的形式加入；
步骤二：金刚石的添加：按设计要求将所需的几种金刚石进行准确称量并单一方向搅拌混合均匀，然后按0.6ml/Kg的比例，将润湿剂加入到金刚石中，并再次搅拌均匀，最后，将搅拌好的金刚石加入到经步骤一制得的胎体粉末A中，并以相同的工艺，再次混料1小时；
步骤三：刀头的冷压成型：经步骤一、步骤二即可制得所需的胎体混合料A+和B，将制得的两种混合料装入到冷压机两个料斗中，安装定制的投料料盒，料盒与模腔间距1.3mm，调整压制的频率为38次/min，压制压力2.0KN/cm²，保持单重波动在-1.0%~1.5%，B料成型厚度在1.3-1.5mm，经此工序可制得冷压坯体；
步骤四：刀头的高温烧结：将冷压坯体装入到对应尺寸的石墨模具中，然后利用烧结机进行高温烧结，所述高温烧结的烧结工艺如下：
第一阶段，以5℃/秒的速率从室温升温至550℃，压力从0升至30KN，对冷压坯体进行初步预热，提高致密度和模具间配合度；
第二阶段，在550℃、30KN保温保压15秒，在该温度，低熔点金属熔化，并在毛细管作用下进行一定程度的流动，填充颗粒间间隙；
第三阶段，以3.5℃/秒的速率升温至810℃，压力升至115KN，粉末全部熔化，致密度提升；
第四阶段，以1.5℃/秒的速率从810℃升温至820℃，压力升至125KN；
第五阶段，在820℃、125KN保温120秒，混合料充分融合，并进行一定程度的合金化；
第六阶段，以8℃/秒的速率降温至625℃，压力降至30KN，快速降温，使产品具备足够的硬度；
第七阶段，以5℃/秒的速率从625℃降至500℃，压力保压至结束，降低降温速率，有利于刀头内部应力的释放，提高强度。
2.根据权利要求1所述的金刚石刀头的制备方法，其特征在于，所述金刚石采用粒径为250-500微米的人造单晶金刚石，金刚石的热冲击强度TTI在76～88之间。
3.根据权利要求1所述的金刚石刀头的制备方法，其特征在于，所述混料介质为铁链或钢球中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的金刚石刀头的制备方法，其特征在于，所述润湿剂为石蜡。
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