专利名称：单层超硬磨料工具的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种单层超硬磨料工具的制造方法。
背景技术：
由超硬材料(金刚石或立方氮化硼)制成的磨削工具耐磨性和加工效率最高，已广泛应用于几乎所有金属加工和非金属加工行业。目前，超硬材料工具主要是将超硬材料用结合剂(金属、陶瓷、树脂等)烧结在工具基体上，或单层电镀在基体表面。由于超硬材料与结合剂之间属机械包镶，不能牢固把持超硬材料颗粒，致使工具在工具过程中超硬材料除破碎、折断外绝大多数在出刃高度不到粒径1/2时脱落。超硬材料实际上只发挥了其工作效能的20％，而80％的昂贵超硬材料脱落后难以再回收利用。电镀单层超硬磨料工具，制备容易，出刃好，切削能力强，无需修整，使用最为方便。这些优势使得它在超硬磨料工具的生产和应用中一直占有相当大的份额，在高速特别是超高速磨削加工中，占据着无可争议的主导地位。然而，电镀单层砂轮最突出的缺陷是电镀砂轮结合强度不高。在镀层金属与基体和磨料的界面上由于并不存在牢固的化学冶金结合，磨料只是被机械式包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力小，在负荷较重的高效磨削作业中，砂轮容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。为了增加把持力，必须增加镀层厚度，减小磨粒的裸露高度，但这样将导致容屑空间减小，砂轮容易发生堵塞。更严重的是，使用电镀砂轮无疑会带来严重的环境污染问题，不利于国民经济的可持续发展。
为充分发挥单层超硬磨料工具的优势，以高温钎焊替代电镀工艺的新型单层高温钎焊超硬磨料(金刚石和CBN)工具，试图在结合界面上实现化学冶金结合，从根本上改善磨料、结合剂(钎焊合金材料)、基体三者间的结合强度，界面结合强度极高，磨料裸露高度可达到磨粒高度的70％-80％，磨粒间的容屑空间大，在高速高效率磨削中能够承受较大的负荷。但是目前有关高温钎焊法制造单层超硬磨料工具或要求高质量的金刚石，或工艺繁琐，限制使用条件多，或在实际使用时难以实现稳定的生产。
发明内容
本发明的目的是对上述单层超硬磨料工具的制造方法进行改进，提供一种工艺简单的单层超硬磨料工具的制造新方法。同传统方法相比，燃烧合成法，即自蔓延高温合成法(SelfPropagating High temperature Synthesis，简称SHS)制备材料新技术的显著特点是工艺简单，过程时间短(可在几秒内完成)；合成物污染少，纯度高；最大限度地利用材料合成过程中的化学能，节约能源；能集材料合成与烧结为一体。
本发明的目的还在于提供一种降低反应过程中的氧化问题对焊接质量造成影响的方法。
本发明的进一步目的还在于制造出磨削性能高、成本低的单层超硬磨料制品。
本发明提供的单层超硬材料工具制造方法，包括如下步骤(1)由Ni、Al、Ti任意两者之间或三者金属粉按一定的比例均匀混合，混合时可添加比例小于15％的其他金属(Mo、Mn、Sn等)或非金属(B、Si、P等)，制备成混合粉；(2)将超硬磨料与混合粉均匀混合，制备成超硬磨料混合粉；(3)将超硬磨料混合物置于工具基体上；(4)用加热设备点燃超硬磨料混合粉；(5)制成单层工具。
本发明所述金属粉Ni与Al的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶3，Ni与Ti的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶2，Al与Ti的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶3。
本发明所述的单层超硬磨料工具制造方法，超硬磨料为金刚石或立方氮化硼(CBN)。
本发明所述的单层超硬磨料工具制造方法，超硬磨料混合粉的混合或直接放置于工具基体上，或用粘结剂混合并涂于工具基体上，或将超硬磨料混合粉压制于工具基体上或压制后放置于基体上。
本发明所述的单层超硬磨料工具制造方法，加热方式包括感应、电阻、激光、辐射等，不仅仅局限于以上加热方式。
本发明所述的单层超硬磨料工具制造方法，加热方式必须点燃超硬磨料混合粉。
本发明的优点之一在于使用常用市售的普通Ni、Al、Ti、B、Si、Mo、Sn、Mn粉等。
本发明的优点之一还在于金刚石可无须镀膜处理。
本发明的优点之一是采用常用的金属粉或非金属粉、简单的混合方式和常用的加热方式。
本发明主要的一个优点是燃烧合成过程中放热和冷却均迅速完成，产物在原位合成。所以只需很短的时间即可在超硬材料、金属粉和基体间实现牢固的化学冶金结合，另外由于燃烧合成是局部放热，还可以避免母材中裂纹的扩展，对超硬磨料的热损伤较小。成本低，工艺简单，可降低的制造成本和制造工艺的复杂性。
具体实施例方式
下面通过某些代表性的例子进一步说明本发明，但不限制本发明的范围。
实施例一将20％的40/50金刚石和80％的1∶1的Al、Ti混合粉末均匀混合并压制成薄片于工具基体上，压力为50MPa，用高频感应钎焊炉在空气中加热工具基体并点燃混合体系，反应时间为15s。从燃烧合成后的金刚石磨片的形貌可以看出最终产物较为均匀致密，金刚石、胎体材料与工具基体结合牢固，金刚石保持较好的晶形，金刚石的出刃良好。对制成的金刚石磨片进行了手工砂纸磨削实验和机械磨削大理石实验。重负荷磨削大理石10分钟，金刚石磨粒为正常磨损，没有脱粒现象。
实施例二将20％的40/50目金刚石和80％的1∶1的Ni、Ti混合粉末混匀并压制成薄片放置于钢基体上，压力为50Mpa，在真空炉中点燃混合体系，在800℃保温5min。产物基本上在原位合成，金刚石仍保持较好的晶形。通过对产物进行XRD分析，发现出现多种铝、镍金属的衍射峰，表明了在体系熔化烧结过程中生成了各种金属间化合物，胎体材料与金刚石结合牢固，手工磨削，金刚石磨粒不脱落。
实施例三将20％的100目CBN和80％的1∶1的Ni、Ti混合粉末混匀并压制成薄片放置于钢基体上，压力为50Mpa，用高频感应钎焊炉点燃混合体系，反应时间15s。反应后CBN仍保持较好的晶形，通过对产物进行XRD分析，发现出现多种镍、钛金属的衍射峰，表明了在体系熔化烧结过程中生成了各种金属间化合物。手工磨削，金刚石磨粒不脱落。
实施例四将20％的40/50金刚石和80％的3∶1的Ni、Al混合粉末混匀，用粘结剂调制均匀涂于钢基体上，用电阻炉点燃混合体系，在780℃保温5min。反应后金刚石仍保持较好的晶形，通过对产物进行XRD分析，发现出现多种镍、铝金属的衍射峰，表明了在体系熔化烧结过程中生成了各种金属间化合物，胎体材料与金刚石结合牢固，手工磨削，金刚石磨粒不脱落。
实施例五将20％的40/50金刚石和75％的1∶2的Ni、Ti混合粉并添加5％的B、Si混匀，用粘结剂调制均匀涂于钢基体上，用真空炉中点燃混合体系，在750℃保温5min。反应后金刚石仍保持较好的晶形，通过对产物进行XRD分析，发现出现多种镍、钛金属的衍射峰，表明了在体系熔化烧结过程中生成了各种金属间化合物，胎体材料与金刚石结合牢固，手工磨削，金刚石磨粒不脱落。
实施例六将20％的40/50金刚石和70％的1∶3的Al、Ti混合粉并添加10％的Sn、B、Si混匀，并放置于钢基体上，在真空炉中点燃混合体系，在750℃保温5min。反应后金刚石仍保持较好的晶形，通过对产物进行XRD分析，发现出现多种铝、钛金属的衍射峰，表明了在体系熔化烧结过程中生成了各种金属间化合物，胎体材料与金刚石结合牢固，手工磨削，金刚石磨粒不脱落。
权利要求
1.一种单层超硬磨料工具的制造方法，其特征包括如下步骤(1)由Ni、Al、Ti任意两者之间或三者金属粉按一定的比例均匀混合，混合时可添加比例小于15％的其他金属(Mo、Mn、Sn)或非金属(B、Si、P)，制备成混合粉；(2)将超硬磨料与混合粉均匀混合，制备成超硬磨料混合粉；(3)将超硬磨料混合粉置于工具基体上；(4)用加热设备点燃超硬磨料混合粉；(5)制成单层工具。
2.根据权利要求1所述的单层超硬磨料工具制造方法，其特征在于上述金属粉Ni与Al的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶3，Ni与Ti的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶2，Al与Ti的比例是1∶1～3∶1或1∶1～1∶3。
3.根据权利要求1所述的单层超硬磨料工具制造方法，其特征在于上述超硬磨料是金刚石或立方氮化硼(CBN)。
4.根据权利要求1所述的单层超硬磨料工具制造方法，其特征在于上述超硬磨料混合粉或直接放置于工具基体上，或用粘结剂混合并涂于工具基体上，或将超硬磨料混合粉压制于工具基体上或压制后放置于基体上。
5.根据权利要求1所述的单层超硬磨料工具制造方法，其特征在于上述加热方式包括感应、电阻、激光、辐射等，不仅仅局限于以上加热方式。
6.根据权利要求1或5所述的单层超硬磨料工具制造方法，其特征在于上述加热方式必须点燃超硬磨料混合粉。
全文摘要
本发明公开了一种单层超硬磨料工具的制造方法，由Ni、Al、Ti任意两者之间或三者金属粉按一定的比例均匀混合，混合时可添加比例小于15％的其他金属(Mo、Mn、Sn)或非金属(B、Si、P)，制备成混合粉，将超硬磨料与混合粉均匀混合，制备成超硬磨料混合粉，将超硬磨料混合粉置于工具基体上，用加热设备点燃超硬磨料混合粉，制成单层工具；该制造方法反应速度快，产物在原位合成，制造工艺简单，成本低，容易实现产业化。
文档编号B24D18/00GK1810420SQ20051003291
公开日2006年8月2日 申请日期2005年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者王成勇, 张凤林, 付凯旋, 周玉梅 申请人:广东工业大学