一种多角形超硬复合磨料、采用该磨料制备磨具的方法
【专利摘要】本发明公开了一种多角形超硬复合磨料、采用该磨料制备磨具的方法，该多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组装成合成块后，经高温高压合成的。本发明的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组装成合成块后，经高温高压合成的规则形状的磨料，硬度高、韧性好；尺寸大小可控，粒度均匀，具有优良的磨削性能；形状规则，进一步提高了磨料的锋利度，便于获得磨料刃口在空间分布均匀的磨具，有利于提高磨具的磨削质量和磨削效应，适合推广应用。
【专利说明】一种多角形超硬复合磨料、采用该磨料制备磨具的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超硬磨料【技术领域】，具体涉及一种多角形超硬复合磨料，同时还涉及 一种采用该多角形超硬复合磨料制备磨具的方法。
【背景技术】
[0002] 磨料是具有一定硬度及一定磨削能力可作磨削用途的材料，一般是具有一定硬度 和韧性的粒状或粉状的矿物质材料。磨料从成因上分为天然磨料和人造磨料两大类，天然 磨料包括金刚石、刚玉、石榴石、石英等，人造磨料包括金刚石系、碳化物系、刚玉系三大系 列。近年来，许多天然磨料已经被人造磨料所代替。磨料按硬度分类有超硬磨料和普通磨 料两大类，其中超硬磨料是以金刚石或立方氮化硼为主要成分的磨料。
[0003] 磨具是用以磨削、研磨和抛光的工具，大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的 固结磨具。其中，超硬磨料固结磨具是由结合剂将超硬磨料固结在基体上制成的，磨料在磨 具中起切削作用。由于金刚石和立方氮化硼在加工材料适应方面的互补性，使得由它们所 构成的磨具可加工范围大为扩展，覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料的几乎全部被 加工材料。超硬磨料磨具以其优良的磨削性能，现已广泛用于磨削技术各个方面，并成为超 精密磨削、高效率磨削、难加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自动化和无人化等技术进 步的基础。
[0004] 但是目前，用于金属的磨削、切割、打磨工具用的磨料，形状都是不规则或者相对 规则的等积形装，锋利度不够；用于磨削、切割、打磨时，磨具上磨粒的刃口在空间上分布不 均，导致磨削质量一般，工作效率仍然有提升的空间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种多角形超硬复合磨料，解决现有磨料锋利度不够及在制 成磨具后磨粒刃口在空间上分布不均，影响磨削质量的问题。
[0006] 本发明的第二个目的是提供一种采用上述多角形超硬复合磨料制备磨具的方法。
[0007] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种多角形超硬复合磨料，是将 磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组装成合成块后，经高温高压合成的。
[0008] 所述磨料粉由以下质量百分比的组分组成：立方氮化硼和/或金刚石10%? 90%，添加剂10%?90%。
[0009] 所述添加剂为刚玉、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氮铝化 钛、氧化锆、碳化钨、石榴石、氧化铈、钴、钨、镍、铜、铝、钛、稀土金属及其氧化物中的任意一 种或组合。所述稀土金属为钇、钕、镧中的任意一种或组合。
[0010] 所述立方氮化硼为粒度为〇. 1?100ym的粉体；所述金刚石为粒度为0. 1? 100ym的粉体；所述添加剂为粒度为0. 1?300i!m的粉体。
[0011] 所述多角形槽的槽口尺寸不小于槽体及槽底尺寸。
[0012] 所述多角形槽的形状为片状三角形、片状方形、片状菱形、三角体、正方体、长方 体、菱形多面体或锥形体。所述锥形体包括多面体锥、多边形棱锥、多边形梯锥。
[0013] 所述石墨模具的多角形槽是采用雕刻机，在石墨模具上经二维绘制表面图形后， 再经三维雕刻形成的。
[0014] 所述合成块包括具有中空腔的叶腊石传压块和位于中空腔内的石墨模具，所述中 空腔的两端从内到外依次对称设置有白云石片、钛片和导电钢圈；所述石墨模具、白云石 片、钛片、导电钢圈与叶腊石传压块之间设有碳纸。
[0015] 其中，导电钢圈、钛片与碳纸的作用是增加导电性，使其加热更充分。白云石的作 用：高温高压下变形小，增加了合成后磨料的稳定性。叶腊石传压块的作用是保温并传递压 力。
[0016] 所述高温高压为1200?1900°C，3万?8万个大气压。
[0017] 所述高温高压合成的时间为10?20min。
[0018] 一种采用上述的多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，包括下列步骤：
[0019] 1)取多角形超硬复合磨料，在磨料表面镀覆一层导电金属膜，得具有导电性的磨 料；
[0020] 2)将钎料涂在基体上，将具有导电性的磨料单层排列在涂有钎料的基体上；
[0021] 3)将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角 形超硬磨料尖端刃口朝外，加热使钎料固化，即得。
[0022] 步骤1)中，导电金属膜所用金属为钛、铁、镍或铜；所述导电金属膜的厚度为1? 2 u m〇
[0023] 步骤1)中，采用CVD(化学气相沉积）真空镀膜法镀覆导电金属膜。
[0024] 具体操作为：采用金属粉，通过真空微蒸发镀膜，施镀温度为745?755°C，炉内真 空度为5?7Pa，保温时间为0. 5h;在保持真空度的情况下，炉冷至100°C以下，出炉，即在 磨料表面镀覆导电金属膜。
[0025] 步骤2)中，所述钎料为铜基合金钎料或银基合金钎料。
[0026] 使用时，先将钎料分散在钎剂中制成浆料，再将浆料涂在基体工作面上。所述钎剂 为乙醇、水中的任意一种或混合物。
[0027] 步骤3)中，使钎料固化的加热温度为700?900°C，固化时间为30?120min。
[0028] -种磨料排布装置，包括真空泵和漏斗形状的吸盘，所述吸盘的小开口端与真空 泵通过管路相连通，吸盘的大开口端蒙设有多孔薄层。
[0029] 所述漏斗形状的吸盘内填充有具有多孔结构的过渡层，该过渡层用于使气体通过 并防止磨料吸入真空泵。
[0030] 所述过渡层还可填充在吸盘的小开口端与管道的连接处。
[0031] 所述多孔薄层为多孔板或丝网。多孔薄层上孔的尺寸为磨料等径尺寸的1/2? 3/4。
[0032] 所述多孔薄层可拆卸与更换。
[0033] 本发明的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组装 成合成块后，经高温高压合成的规则形状的磨料，硬度高、韧性好；尺寸大小可控，粒度均 匀，具有优良的磨削性能；形状规则，进一步提高了磨料的锋利度，便于获得磨料刃口在空 间分布均匀的磨具，有利于提高磨具的磨削质量和磨削效应，适合推广应用。
[0034] 本发明的采用多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，首先对磨料进行金属化处 理，使其能够导电，再使磨料在涂有钎料的基体工作面上单层规则排列，利用磨料带电时的 尖端效应，获得磨料尖端刃口朝外的磨具；所得磨具的工作面上，磨料单层排布且排布方式 可控；磨料的刃口在空间上分布均匀，提高了磨具的磨削质量和磨削效率；该磨具的制备 方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。
[0035] 本发明的磨料排布装置，包括真空泵和漏斗形状的吸盘，所述吸盘的小开口端与 真空泵通过管路相连通，吸盘的大开口端蒙设有多孔薄层，利用真空泵抽气时产生的吸引 力，使吸盘的大开口端吸附单层排布的磨料，吸盘吸持住位于多孔薄层孔中的磨料；随后把 吸盘移动到基体上方，将磨料放置在涂覆过钎料的基体工作面上，关闭真空泵除去吸力，即 将磨料排布到基体上，实现磨料的单层、规律自动排布；吸盘大开口端的多孔薄层上孔的大 小间距排布可根据生产需要的排布方案设计，也可通过更换具有不同孔排布的吸盘或吸盘 上多孔薄层控制磨料在基体上的排布图案，使磨料在基体工作面上的排布实现单层、规则 可控；该装置设备简单，使用方便，成本低，适合推广应用。
[0036] 进一步的，吸盘内填充过渡层，过渡层通气但不通磨料，防止小磨料吸入真空泵； 作为多孔薄层的金属丝网的网孔尺寸为磨料等径尺寸的1/2?3/4,保证吸盘对磨料吸的 牢且不吸入真空泵内；所述多孔薄层为多孔板或丝网，可根据需要设计孔的尺寸、排布及孔 间距的大小，更换方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1为实施例1的磨料排布装置的结构示意图；
[0038] 图2为图1中吸盘的剖视图；
[0039] 图3为图1中吸盘的大开口端的结构示意图；
[0040] 图4为实施例1的磨料排布装置的实物图；
[0041] 图5为图4中吸盘的实物图；
[0042] 图6为实施例2所用石墨模具的实物图；
[0043] 图7为实施例2中组装的合成块的结构示意图；
[0044] 图8为实施例2所得三角体形磨料的实物图；
[0045] 图9为实施例2所得三角体形磨料的放大图；
[0046] 图10为实施例5所得锥形体磨料的实物图；
[0047] 图11为实施例5所得锥形体磨料的放大图；
[0048] 图12为图11中锥形体磨料的侧视图；
[0049] 图13为多角形磨料的结构示意图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0051] 实施例1
[0052] 本实施例的磨料排布装置，如图1、2和3所示，包括真空泵1和漏斗形状的吸盘2， 所述吸盘2的小开口 5与真空泵1通过管路3相连通，吸盘2的大开口端4蒙设有多孔薄 层6,所述多孔薄层6为金属丝网；所述漏斗形状的吸盘2内填充有具有多孔结构的过渡层 7,该过渡层7用于使气体通过并防止磨料吸入真空泵1 ;所述过渡层为海绵。
[0053] 本实施例的磨料排布装置的实物图如图4、5所示。漏斗状的吸盘如同花洒结构， 大开口端的多孔薄层带有排布规律的小孔。使用时，利用真空泵抽气时产生的吸引力，吸盘 吸持住金属丝网网孔中的磨料，使吸盘的大开口端吸附单层规律排布的磨料；随后把吸盘 移动到基体上方，将磨料放置在涂覆过钎料的基体工作面上，关闭真空泵除去吸力，将磨料 排布到基体上，实现磨料的单层、规律自动排布；吸盘内填充过渡层，过渡层通气但不通磨 料，防止小磨料吸入真空泵；作为多孔薄层的金属丝网的网孔尺寸为磨料等径尺寸的1/2， 保证吸盘对磨料吸的牢，且磨料不被吸入真空泵内。
[0054] 吸盘大开口端的多孔薄层上孔的大小间距排布可根据生产需要的排布方案设计， 也可通过更换具有不同孔排布的吸盘或吸盘上多孔薄层控制磨料在基体上的排布图案。
[0055] 实施例2
[0056] 本实施例的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组 装成合成块后，置于六面顶内，在5万个大气压、1500°C条件下合成lOmin制得的三角体形 磨料。
[0057] 其中，所述磨料粉包括以下质量百分比的组分：粒径为0. 5?1ym的立方氮化硼 30%、粒径为10?3011111的刚玉50%、粒径为10?3011111的氮化铝10%、粒径为1?211111 的铝粉10%。将上述组分混合均匀后，即得所述磨料粉。
[0058] 所用石墨模具如图6所示，其多角形槽为三角体形。所述石墨模具的多角形槽是 采用雕刻机（郑州科创数控KC-6090雕刻机，精度达0. 001mm)，在石墨模具上经二维绘制表 面图形后，通过雕刻机自带软件进行三维雕刻形成的。雕刻参数为：雕刻刀：3. 175*30*0. 2 平底尖刀硬质合金材质；雕刻转速：24000r/m，雕刻方式：三维清角；雕刻深度1mm，三角形 边长为1. 2mm。
[0059] 石墨模具雕刻好后，将磨料粉填充入多角形槽内；填充时，通过在模具上放置过量 的磨料粉，通过用平整的板按压填实后，用刀片刮除多余的磨料粉，未经雕刻到的石墨裸露 出来以便提高导电性。
[0060] 所述合成块如图7所示，包括具有中空腔的叶腊石传压块8和位于中空腔内的石 墨模具9,所述中空腔的两端从内到外依次对称设置有白云石片10、钛片11和导电钢圈12 ; 所述石墨模具9、白云石片10、钛片11、导电钢圈12与叶腊石传压块8之间设有碳纸13。组 装合成块时，根据叶腊石的高度和两端导电钢圈、钛片、白云石片的高度决定最后石墨模具 的放置空间，石墨模具可叠层放置，根据石墨模具的厚度决定填充叠层的层数，填满后叶腊 石的高度略低于或持平中间组件的高度，以便于传递压力。
[0061] 经高温高压合成后，位于石墨模具的多角形槽内的磨料收缩，很容易从石墨模具 中倒出，收缩后磨粒边长为0. 7mm。
[0062] 本实施例所得三角体形磨料如图8、9所示。
[0063] 实施例3
[0064] 本实施例的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组 装成合成块后，置于六面顶内，在3万个大气压、1900°C条件下合成15min制得的长方体形 磨料。
[0065] 其中，所述磨料粉包括以下质量百分比的组分：粒径为1?5pm的立方氮化硼 55%、粒径为10?20iim的刚玉25%、粒径为10?20iim的氮化钛10%、粒径为1?2iim的钴粉10%。将上述组分混合均匀后，即得所述磨料粉。
[0066] 所用石墨模具的多角形槽为长方体形。石墨模具的雕刻方法同实施例1，其中雕刻 深度1_，长和宽均为1. 2_。
[0067] 磨料粉填充方法和合成块的组装方式同实施例1。
[0068] 经高温高压合成后，位于石墨模具的多角形槽内的磨料收缩，很容易从石墨模具 中倒出，收缩后长和宽均为0. 7mm。
[0069] 实施例4
[0070] 本实施例的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组 装成合成块后，置于六面顶内，在8万个大气压、1200°C条件下合成20min制得的片状菱形 磨料。
[0071] 其中，所述磨料粉包括以下质量百分比的组分：粒径为1?5pm的金刚石30%、 粒径为10?20iim的刚玉25%、粒径为10?20iim的氮化钛35%、粒径为1?2iim的钴 粉5%、粒径为1?2pm的铝粉5%。将上述组分混合均匀后，即得所述磨料粉。
[0072] 所用石墨模具的多角形槽为片状菱形。石墨模具的雕刻方法同实施例1，其中雕刻 深度〇. 6_，边长均为1. 2_。
[0073] 磨料粉填充方法和合成块的组装方式同实施例1。
[0074] 经高温高压合成后，位于石墨模具的多角形槽内的磨料收缩，很容易从石墨模具 中倒出，收缩后边长为0. 7mm。
[0075] 实施例5
[0076] 本实施例的多角形超硬复合磨料，是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽内，组 装成合成块后，置于六面顶内，在6万个大气压、1650°C条件下合成15min制得的锥形体磨 料。
[0077] 其中，所述磨料粉包括以下质量百分比的组分：粒径为0.5?lOym的金刚石 10%、粒径为0. 5?10iim的立方氮化硼30%、粒径为20?30iim的氮化钛35%、粒径为 20?30iim的氮铝化钛20%、粒径为1?2iim的铜粉5%。将上述组分混合均匀后，即得 所述磨料粉。
[0078] 所用石墨模具的多角形槽为锥形体。石墨模具的雕刻方法同实施例1，其中雕刻深 度1mm,槽口直径为1. 2mm。
[0079] 磨料粉填充方法和合成块的组装方式同实施例1。
[0080] 经高温高压合成后，位于石墨模具的多角形槽内的磨料收缩，很容易从石墨模具 中倒出，收缩锥面直径为0. 7mm。
[0081] 本实施例所得锥形体磨料如图10、图11、图12所示。
[0082]另外，在其他实施例中，如图13所示，本发明的多角形超硬复合磨料还可制成棱 形多面体，多面体锥体、多边形棱锥或多边形梯锥等。
[0083] 实施例6
[0084] 本实施例采用实施例2所得多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，包括下列步 骤：
[0085] 1)取实施例2所得多角形超硬复合磨料和300目的钛粉，通过真空微蒸发镀膜，在 磨料表面镀覆一层厚度为1ym的导电钛膜，施镀温度为750°C，炉内真空度为5Pa，保温时 间为0. 5h;在保持真空度的情况下，炉冷至100°C以下，出炉得具有导电性的磨料；
[0086] 2)将钎料涂在基体的工作面上，采用实施例1的磨料排布装置吸附单层具有导电 性的磨料，将磨料规则排布在涂有钎料的基体工作面上；
[0087] 3)将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角 形超硬磨料尖端刃口朝外，后置于真空炉中加热至700°C进行并保温120min进行真空烧结 使钎料固化，即得。
[0088] 实施例7
[0089] 本实施例采用实施例3所得多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，包括下列步 骤：
[0090] 1)取实施例3所得多角形超硬复合磨料和300目的铜粉，通过真空微蒸发镀膜，在 磨料表面镀覆一层厚度为2iim的导电铜膜，施镀温度为755°C，炉内真空度为6Pa，保温时 间为0. 5h;在保持真空度的情况下，炉冷至100°C以下，出炉得具有导电性的磨料；
[0091] 2)将钎料涂在基体的工作面上，采用实施例1的磨料排布装置吸附单层具有导电 性的磨料，将磨料规则排布在涂有钎料的基体工作面上；
[0092] 3)将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角 形超硬磨料尖端刃口朝外，后置于真空炉中加热至750°C进行并保温lOOmin进行真空烧结 使钎料固化，即得。
[0093] 实施例8
[0094] 本实施例采用实施例4所得多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，包括下列步 骤：
[0095] 1)取实施例4所得多角形超硬复合磨料和300目的铁粉，通过真空微蒸发镀膜，在 磨料表面镀覆一层厚度为1Um的导电铁膜，施镀温度为745°C，炉内真空度为7Pa，保温时 间为0. 5h;在保持真空度的情况下，炉冷至100°C以下，出炉得具有导电性的磨料；
[0096] 2)将钎料涂在基体的工作面上，采用实施例1的磨料排布装置吸附单层具有导电 性的磨料，将磨料规则排布在涂有钎料的基体工作面上；
[0097] 3)将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角 形超硬磨料尖端刃口朝外，后置于真空炉中加热至900°C进行并保温40min进行真空烧结 使钎料固化，即得。
[0098] 实施例9
[0099] 本实施例采用实施例5所得多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，包括下列步 骤：
[0100] 1)取实施例5所得多角形超硬复合磨料和300目的镍粉，通过真空微蒸发镀膜，在 磨料表面镀覆一层厚度为2iim的导电镍膜，施镀温度为750°C，炉内真空度为5Pa，保温时 间为0. 5h;在保持真空度的情况下，炉冷至100°C以下，出炉得具有导电性的磨料；
[0101] 2)将钎料涂在基体的工作面上，采用实施例1的磨料排布装置吸附单层具有导电 性的磨料，将磨料规则排布在涂有钎料的基体工作面上；
[0102] 3)将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角 形超硬磨料尖端刃口朝外，后置于真空炉中加热至80°C进行并保温80min进行真空烧结使 钎料固化，即得。
[0103] 实验例1
[0104] 本实验例对实施例2-5所得多角形磨料的性能进行检测，结果如表1所示。
[0105] 表1实施例2-5所得多角形磨料的静压强度检测结果 [0106]
[0107] 实验例2
【权利要求】
1. 一种多角形超硬复合磨料，其特征在于：是将磨料粉填充入石墨模具的多角形槽 内，组装成合成块后，经高温高压合成的。
2. 根据权利要求1所述的多角形超硬复合磨料，其特征在于：所述磨料粉由以下质量 百分比的组分组成：立方氮化硼和/或金刚石10%?90%，添加剂10%?90%。
3. 根据权利要求2所述的多角形超硬复合磨料，其特征在于：所述添加剂为刚玉、碳化 娃、氮化娃、氮化错、氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氮错化钛、氧化锫、碳化鹤、石槽石、氧化铺、 钴、钨、镍、铜、铝、钛、稀土金属及其氧化物中的任意一种或组合。
4. 根据权利要求1所述的多角形超硬复合磨料，其特征在于：所述多角形槽的形状为 片状三角形、片状方形、片状菱形、三角体、正方体、长方体、菱形多面体或锥形体。
5. 根据权利要求4所述的多角形超硬复合磨料，其特征在于：所述石墨模具的多角形 槽是采用雕刻机，在石墨模具上经二维绘制表面图形后，再经三维雕刻形成的。
6. 根据权利要求1所述的多角形超硬复合磨料，其特征在于：所述合成块包括具有中 空腔的叶腊石传压块和位于中空腔内的石墨模具，所述中空腔的两端从内到外依次对称设 置有白云石片、钛片和导电钢圈；所述石墨模具、白云石片、钛片、导电钢圈与叶腊石传压块 之间设有碳纸。
7. -种采用如权利要求1所述的多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，其特征在于： 包括下列步骤： 1) 取多角形超硬复合磨料，在磨料表面镀覆一层导电金属膜，得具有导电性的磨料； 2) 将钎料涂在基体上，将具有导电性的磨料单层排列在涂有钎料的基体上； 3) 将基体连同磨料置于外电场中，磨料被极化，利用带电磨料的尖端效应，使多角形超 硬磨料尖端刃口朝外，加热使钎料固化，即得。
8. 根据权利要求7所述的采用多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，其特征在于：步 骤1)中，所述导电金属膜所用金属为钛、铁、镍或铜；所述导电金属膜的厚度为1?2pm。
9. 根据权利要求8所述的采用多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，其特征在于：步 骤2)中，所述钎料为铜基合金钎料或银基合金钎料。
10. 根据权利要求7所述的采用多角形超硬复合磨料制备磨具的方法，其特征在于：步 骤3)中，使钎料固化的加热温度为700?900°C，固化时间为30?120min。
【文档编号】C04B35/5835GK104440605SQ201410631709
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】韩倩斐, 李和鑫 申请人:河南富耐克超硬材料股份有限公司