钎焊金刚石工具及其制造方法技术

本文公开和说明了一种超磨料工具及其制造方法。根据一方面，超磨料颗粒按照预定图形通过钎焊合金化学结合到基体支承材料上。该钎焊合金可为粉末、薄片或非晶态合金片。可利用具有以预定图形布置的多个孔的模板将超磨料颗粒放置在给定基底或基体支承材料上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及工具，其具有化学结合到一基体支承材料或基底上并 以预定图形(图案)布置的金刚石颗粒。因此，本专利技术涉及化学、冶金和 材料科学领域。
技术介绍
磨料工具长久以来有各种应用，包括材料的切削、钻孔、锯、研磨、 磨光和抛光。由于金刚石是迄今为止知道的最硬磨料，因此被广泛地用在 锯、钻和利用磨料进行切削、成形或抛光其它硬材料的其它装置上作为超 磨料。在其它工具缺乏可在商业上获得的硬度和使用寿命的情况下，金刚石 工具更是不可缺少的。例如，在切削、钻和锯石头的石材工业中，金刚石 工具是其硬度和使用寿命足以使得切削等较经济的唯一工具。如不利用金 刚石工具，许多这类工业在经济上将不可行，同样，在精磨领域中，由于 其优良的耐磨性，金刚石工具可以在足以有效地经受磨损的同时独特地具 有所需的高精度。典型的^料工具如金刚石锯片由金刚石颗粒(如40/50美国篩目锯 砂料)与合适的金属支承基体粉末(例如粒度为1.5微米的钴粉末)混合 制成。然后在一模具中将该混合物压成适当的形状(例如锯段)。然后在 700-1200° C温度下将该"生坯"形式的工具烧结成其中有多个磨料颗粒的单体。最后将固结的该单体安装在(例如通过传统钎焊或锡焊) 一工具 主体如锯的圆形刀片上以形成成品产品。尽管应用广泛，但金刚石工具通常也存在对其使用寿命造成不必要的限制的若干严重缺陷。例如，磨料金刚石或立方氮化硼(CBN)颗粒在前 体中的分布不均匀。因此无法定位磨料颗粒以使得切削、钻孔、研磨、抛 光的效率最高。金刚石或CBN磨料颗粒之间的距离决定每个颗粒的工作负载。不合 适的金刚石或CBN磨料颗粒间距通常导致磨料表面或结构过早失效。因 此，如果金刚石/CBN磨料颗粒彼此太接近，某些颗粒是多余的且对切削 或研磨没有或有很少的效果。此外，由于金刚石和立方氮化硼的价格很高， 颗粒过多使生产成本提高。而且这些无用金刚石或CBN颗粒会堵住切屑 通道，从而降低切削效率。因此，磨料颗粒彼此太接近会提高成本，同时 降低工具的使用寿命。另一方面，如果磨料颗粒之间的间距太大，每个颗粒的工作负栽(例 如工件沖击力)就会过大。而分布得较稀的金刚石或CBN磨料颗粒则会 被压碎甚至从它们被植入其中的基体上脱落。磨料受损或缺失使得不能充 分有助于工作负载。从而工作负载转移给剩余的磨料颗粒。各磨料颗粒的 失效会引起连锁反应，这使得工具不久将无法有效地切削、钻孔、研磨等。不同的应用可能需要大小不同的金刚石(或立方氮化硼)磨料颗粒。 例如，钻和锯可能需要在成品工具中利用较大粒度(20-60美国筛目)的金 刚石砂粒。工具的金属基底通常选自钴、镍、铁、铜、青铜及其合金和/ 或混合物。用于研磨时，小粒度(60/400美国筛目)金刚石砂粒(或立方 氮化硼)与金属(通常为青铜)、陶瓷/玻璃(通常为钠、钾、硅和铝的氧 化物的混合物)或树脂(通常为苯酚)混合。工具通常包括一保持或支承金刚石颗粒的基体支承材料如金属粉末。 但是，由于金刚石或立方氮化硼比基粉末大得多(在制造锯段的上例中为 300倍)又轻得多(在制造锯段的上例中约为1/3密度)，因此两者4艮难混 合得均匀。此外，即使充分混合，金刚石颗粒在后续处理如将混合物注入一模具中或在该混合物振动时仍会与金属粉末分离。当将金刚石混合在金 属支承基体中时，分布问题对于制造金刚石工具来说特别麻烦。将金刚石砂粒定位在工具中的多个方法还存在另 一缺陷。在许多时候， 金属结合金刚石工具要求在同一金刚石工具的不同部位上的金刚石砂粒的 粒度和/或金刚石密度不同。例如，锯段的边缘或前部比中部磨损得快。因 此，为防止锯段的不均匀磨损和致过早失效，优选的是这些部位上的金刚 石砂粒密度较大而粒度较小。这些高密度/小粒度锯段(即"夹心"锯段) 难以通过混合金刚石颗粒与金属粉末来制造。因此，尽管金刚石砂粒粒度 和密度不同这一优点是已知的，但由于缺乏实际制造方法而很少使用这类 构形。许多金刚石工具的另一缺陷是，磨料颗粒或"砂粒"不足以安装在工 具基底或基体支承材料上以使主体的切削、钻、抛光等使用寿命最长。事 实上，在大多数情况下金刚石砂粒只是机械埋置在基体支承材料中。因此， 金刚石砂粒常常过早脱落或被拉出。而且，工作时结合不牢的前体对砂粒 的机械支承不足。因此，金刚石颗粒会因工具受到应用该磨料的工件的冲 击而粉碎。据估计，在普通金刚石工具中，只有小于约1/10的妙、粒实际消耗在预期的应用(即实际切削、钻、抛光等)中。其余砂粒或因工具使用寿命到 期而残留在工具上或因安装不佳和支承不足导致在使用时被拉出或破坏而 被浪费掉。如果金刚石颗粒能被正确定位并牢固安装到周围的基体上，可 避免大部分金刚石损失。为使金刚石砂粒受到最大机械支承，通常将它们深深埋置在集体中。 因此，金刚石颗粒在工具表面上方的突出通常达不到预期。较低的妙、粒突 出限制用于使待切削材料碎裂的切削高度。因此，摩擦增加，且切削速度 和切削工具的使用寿命受限。为了将金刚石砂粒牢牢地固定在支承基体中，基体最好在金刚石表面 周围形成碳化物。如此形成的化学结合比传统的机械连接牢固得多。碳化 物可由金刚石与合适的碳化物形成物如过渡金属反应而成。典型的碳化物 形成过渡金属有钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo) 和钨(W)。形成碳化物需要将碳化物形成物沉积在金刚石周围并使金刚石与碳化 物形成物随后产生反应以形成碳化物。此外，未反应的碳化物形成物还必 须用烧结或其它手段固结。这些步骤需高温处理。但金刚石在约1000° C 以上的温度下会性能退化。该退化是由与基体材料的反应或在晶体内金属 夹杂周围生成的微裂紋造成的。这些夹杂通常包含在所用的合成金刚石形 式的晶体中。多数碳化物形成物为难熔金属，因此它们在低于约1200。 C的温度下 不会固结。因此难熔碳化物形成物通常不适于用作基体支承材料的主要成 分。但是有些碳化物形成物如锰(Mn)、铁(Fe)、硅(Si)和铝(Al) 的熔点较低。但是这些碳化物形成物也有一些不利于用作基体支承材料主 要成分的特性。例如，锰和铁在高压(50Kb以上)下用作合成金刚石的催 化剂。因此，在在低压下烧结基体粉末时它们会将金刚石反催化成石墨。 该反向转换是金刚石在高温下性能退化的主要原因。另一方面，铝具有较低的熔点(660° C)，因此易于用其固定金刚石 颗粒。但是当金刚石砂粒切削过猛时铝会接近其熔点。因此切削时铝可能 会变得太软而无法支承金刚石磨料。此外，铝会在与金刚石的界面上生成 碳化物AUC3。该碳化物容易水解，因此碰到冷却剂时可能会分解。因此， 铝通常不适于用作将金刚石结合在基体中的碳化物形成物。为避免烧结高温，碳化物形成物如钨常常稀释成主要由钴或青铜构成 的基体中的少量成分。在烧结过程中，即使有液相也只形成少量液相。碳 化物形成物经固态介质向金刚石的扩散极慢，因此，形成在金刚石表面上 的碳化物可忽略不计。因此，通过加入碳化物形成物作为少量基体成分， 金刚石安装的改善十分有限。为了确保在金刚石表面上形成碳化物，可在碳化物形成物与基体粉末 混合之前将碳化物形成物涂敷在金刚石上。这样，碳化物形成物尽管为基体中的少量成分，也可集中在金刚石周围以形成所需的结合。可用化学方法也可用物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造超磨料工具的方法，包括下列步骤：　ａ）提供一基底；和　ｂ）按照预定图形将多个超磨料颗粒直接钎焊到该基底的暴露表面上。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋健民，
申请(专利权)人：宋健民，
类型：发明
国别省市：71[]