一种基于自蔓延反应快速制备致密超硬磨具与钻具的方法与流程

本发明涉及一种基于自蔓延反应快速制备致密超硬磨具与钻具的方法。

背景技术：

目前，金属结合剂超硬磨具与钻具的制作方法主要有电镀法、烧结法和高温钎焊法三种。

电镀超硬磨具与钻具以镍或镍合金作为镀层金属结合剂，但金刚石磨料与镀层金属之间仅存在机械镶嵌作用，镀层金属对磨料把持强度低，磨料出露高度低，如果采用增加镀层金属厚度方法提高对磨料的把持强度,会导致磨料出露高度和容屑空间减小,工具容易发生堵塞,散热效果很差，使其加工效率和使用寿命受到了限制。此外，在制造过程中产生的电镀废液会对环境造成严重污染。

烧结超硬磨具与钻具采用钴、铁、锡、青铜、镍合金为主要金属结合剂材料，由于金刚石磨料与金属结合剂难以形成化学结合，金刚石磨料也只是被机械包埋在金属结合剂中，金属结合剂对金刚石磨料把持强度低，工具出刃能力差，限制了其加工效率和使用寿命的提高。

单层钎焊超硬磨具与钻具，其原理是利用高温钎焊方法通过磨料、钎料和基体三者之间的化学冶金反应实现对磨料的牢固把持，使其具有加工效率高、容屑空间大、磨料利用率高、工件表面不易烧伤等显著优势，但是由于受到钎焊工艺过程本身的限制，单层磨料消耗完后没有后继磨料补充，限制了其使用寿命的进一步提高。

自蔓延高温合成技术是在外部能量诱发局部化学反应(点燃)后，利用化学反应自身放热，使反应持续进行，同时合成出新材料。该技术因其耗能少, 投资少，生产工艺简单, 生产效率高, 成本低，产物纯度高等优点得到了广泛应用。利用其短时间高温的特点可以快速制造金刚石工具，不仅可以提高金刚石工具的生产效率、降低生产能耗，而且很可能使金刚石与金属结合剂之间形成化学结合，提高金属结合剂对金刚石磨料的把持强度。

目前，由于采用自蔓延高温合成技术制备的金刚石工具所使用的金属结合剂为低放热体系，其预热引发方式一般为电阻丝加热或电阻丝加热后电弧放电或激光加热，反应设备为自蔓延反应容器或马弗炉，预热时间较长或设备投资大。此外，自蔓延反应产物是多孔组织烧结体，孔隙率一般为10%~50%，较大孔隙率对金属结合剂的硬度和耐磨性、金属结合剂与金刚石之间的界面结合强度均会造成不利影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于自蔓延反应快速制备致密超硬磨具与钻具的方法。

本发明的致密超硬磨具与钻具其胎体结合剂与金刚石界面结合强度高，金刚石力学性能损失小，胎体结合剂致密度高，具有加工效率高、耐磨性能好、使用寿命长等优点，本发明基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法具有预热时间短、反应速度快、生产效率高、能耗低、工艺简单、投资和生产成本低等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具，该超硬磨具与钻具的外径为4–100 mm，该超硬磨具与钻具的结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为0.5:1–2:1，且Al和Ti的总重量份数为15–45份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为0–10份，Sn粉重量份数为2–6份，Cu粉重量份数为20–70份，Fe粉重量份数为0–30份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为50–70份；所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为30–140%，粒度为25/30–230/270目。所述基体材料为中碳钢。

优选地，该超硬磨具与钻具的结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为0.9:1–1.6:1，且Al和Ti的总重量份数为25–35份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为2–8份，Sn粉重量份数为3–5份，Cu粉重量份数为30–50份，Fe粉重量份数为20–10份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为55–65份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为60–110%，粒度为50/60–120/140目。

优选地，该超硬磨具与钻具的结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为1.3:1，且Al和Ti的总重量份数为30份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为5份，Sn粉重量份数为5份，Cu粉重量份数为40份，Fe粉重量份数为20份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为85%，粒度为80/100目。

更优选地，所述Ti粉、Ni粉、Fe粉、Co粉、Sn粉的纯度均高于99.7％，粒度均小于75μm，Al粉、Cu 粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照一定比例称量后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加超硬磨料再进行混料，混料过程均在氩气保护下进行，最后获得工作层粉料；

步骤2、将步骤1所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得超硬磨具与钻具压坯；

步骤3、将步骤2所获得的超硬磨具与钻具压坯与石墨压头、石墨外模组装后放置于工作台上，所述石墨外模带有观察口，超硬磨具与钻具压坯外面套上双开口石英管，感应线圈顶端位置稍低于超硬磨具与钻具压坯顶端，通过压杆升降系统安装于支撑板上的压杆轻压于石墨压头顶端，所述压杆升降系统由丝杠螺母副、导轨滑块副、驱动电机和减速机、支撑板组成，支撑板固定于承重台上，通过感应线圈加热压坯钢基体和石墨外模使热量迅速传递给压坯工作层从而引发自蔓延反应，在自蔓延反应刚结束反应产物还处于红热时通过该压杆升降系统使压杆施压于石墨压头顶端从而获得致密超硬磨具与钻具。

优选地，步骤1中所述球磨机转速为100～200r/min,球磨时间4～7h,球料比为1:5–1:8，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

优选地，步骤2中所述超硬磨具与钻具压坯的压实密度为理论密度的50–90%，所述压制模具材料为Cr12MoV，压力大小为20～350MPa。

优选地，步骤3中所述感应线圈通过的电流频率范围为1KHz~200KHz,所述石英管外径为10–120mm，加热时以氩气作为保护气氛，保护气氛从进气口进入。

优选地，步骤3中所述压杆升降系统可以由气缸或液压缸、方向阀、压力阀、流量阀、导轨滑块副、支撑板组成，所述工作台可以通过电机驱动丝杠螺母副实现升降。

与现有技术相比，本发明基于自蔓延反应快速制备的致密超硬磨具与钻具具有以下优势：

1.本发明基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具是通过感应加热引发自蔓延反应并在反应刚完成时施以高压制成，预热时间短，利用自蔓延反应产生的短时间高温使得超硬磨料与金属结合剂形成化学结合，金属结合剂对金刚石磨料把持强度高，金刚石力学性能损失小。

2.本发明基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具是通过感应加热引发自蔓延反应并在反应刚完成时施以高压制成，胎体金属结合剂致密度高，具有加工效率高、耐磨性能好、使用寿命长等优点。

3.本发明基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法具有预热时间短、反应速度快、生产效率高、能耗低、工艺简单、投资和生产成本低等优点。

附图说明

图1 为自蔓延反应平台。

图2 为带有观察窗的石墨外模。

承重台-1、支撑板-2、丝杠-3、导轨-4、滑块-5、螺母-6、驱动电机和减速机-7、支撑板-8、压杆-9、石墨压头-10、石墨外模-11、压坯-12、感应线圈-13、石英管-14、工作台-15、氩气进气口-16。

下面参照附图说明本发明的具体实施方式

实施例1

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具，该超硬磨具与钻具的外径为4mm，结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为0.5:1，且Al和Ti的总重量份数为15份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为10份，Sn粉重量份数为5份，Cu粉重量份数为70份，Fe粉重量份数为0份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为70份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为30%，粒度为230/270目，所述基体材料为中碳钢，所述Ti粉、Ni粉、Fe粉、Co粉、Sn粉的纯度均高于99.7％，粒度均小于75μm，Al粉、Cu 粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照所定配比称量后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加超硬磨料再进行混料，混料过程均在氩气保护下进行，从而获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为100r/min,球磨时间为4h,球料比为1:5，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

步骤2、将步骤1所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得超硬磨具与钻具压坯，其中，所述压制模具材料为Cr12MoV，压力大小为20MPa，所述压坯压实密度为理论密度的50%。

步骤3、将步骤2所获得的超硬磨具与钻具压坯(12)与石墨压头(10)、石墨外模(11)组装后放置于工作台(15)上，所述石墨外模(11)带有观察口，超硬磨具与钻具压坯(12)外面套上双开口石英管(14)，感应线圈(13)顶端位置稍低于超硬磨具与钻具压坯(12)顶端，通过压杆升降系统安装于支撑板(2)上的压杆(9)轻压于石墨压头(10)顶端，所述压杆升降系统由丝杠(3)螺母(6)副、导轨(4)滑块(5)副、驱动电机和减速机(7)、支撑板(8)组成，支撑板(2)固定于承重台(1)上，通过感应线圈(13)加热压坯(12)钢基体和石墨外模(11)使热量迅速传递给压坯(12)工作层从而引发自蔓延反应，在自蔓延反应刚结束反应产物还处于红热时通过该压杆升降系统使压杆(9)施压于石墨压头(10)顶端从而获得致密超硬磨具与钻具，其中，所述感应线圈(12)通过的电流频率范围为200KHz,所述石英管(14)外径为15mm，加热时以氩气作为保护气氛，保护气氛从进气口(16)进入。

实施例2

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具，该超硬磨具与钻具的外径为32mm，结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为1:1，且Al和Ti的总重量份数为25份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为5份，Sn粉重量份数为5份，Cu粉重量份数为50份，Fe粉重量份数为10份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为65份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为60%，粒度为120/140目，所述基体材料为中碳钢，所述Ti粉、Ni粉、Fe粉、Co粉、Sn粉的纯度均高于99.7％，粒度均小于75μm，Al粉、Cu 粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照所定配比称量后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加超硬磨料再进行混料，混料过程均在氩气保护下进行，从而获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为135r/min,球磨时间为5h,球料比为1:6，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

步骤2、将步骤1所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得超硬磨具与钻具压坯，其中，所述压制模具材料为Cr12MoV，压力大小为100MPa，所述压坯压实密度为理论密度的65%。

步骤3、将步骤2所获得的超硬磨具与钻具压坯(12)与石墨压头(10)、石墨外模(11)组装后放置于工作台(15)上，所述石墨外模(11)带有观察口，超硬磨具与钻具压坯(12)外面套上双开口石英管(14)，感应线圈(13)顶端位置稍低于超硬磨具与钻具压坯(12)顶端，通过压杆升降系统安装于支撑板(2)上的压杆(9)轻压于石墨压头(10)顶端，所述压杆升降系统由丝杠(3)螺母(6)副、导轨(4)滑块(5)副、驱动电机和减速机(7)、支撑板(8)组成，支撑板(2)固定于承重台(1)上，通过感应线圈(13)加热压坯(12)钢基体和石墨外模(11)使热量迅速传递给压坯(12)工作层从而引发自蔓延反应，在自蔓延反应刚结束反应产物还处于红热时通过该压杆升降系统使压杆(9)施压于石墨压头(10)顶端从而获得致密超硬磨具与钻具，其中，所述感应线圈(12)通过的电流频率范围为10KHz,所述石英管(14)外径为45mm，加热时以氩气作为保护气氛，保护气氛从进气口(16)进入。

实施例3

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具，该超硬磨具与钻具的外径为65mm，结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为1.5:1，且Al和Ti的总重量份数为35份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为0份，Sn粉重量份数为6份，Cu粉重量份数为39份，Fe粉重量份数为20份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为59份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为100%，粒度为50/60目，所述基体材料为中碳钢，所述Ti粉、Ni粉、Fe粉、Co粉、Sn粉的纯度均高于99.7％，粒度均小于75μm，Al粉、Cu 粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照所定配比称量后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加超硬磨料再进行混料，混料过程均在氩气保护下进行，从而获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为165r/min,球磨时间为6h,球料比为1:7，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

步骤2、将步骤1所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得超硬磨具与钻具压坯，其中，所述压制模具材料为Cr12MoV，压力大小为200MPa，所述压坯压实密度为理论密度的75%。

步骤3、将步骤2所获得的超硬磨具与钻具压坯(12)与石墨压头(10)、石墨外模(11)组装后放置于工作台(15)上，所述石墨外模(11)带有观察口，超硬磨具与钻具压坯(12)外面套上双开口石英管(14)，感应线圈(13)顶端位置稍低于超硬磨具与钻具压坯(12)顶端，通过压杆升降系统安装于支撑板(2)上的压杆(9)轻压于石墨压头(10)顶端，所述压杆升降系统由丝杠(3)螺母(6)副、导轨(4)滑块(5)副、驱动电机和减速机(7)、支撑板(8)组成，支撑板(2)固定于承重台(1)上，通过感应线圈(13)加热压坯(12)钢基体和石墨外模(11)使热量迅速传递给压坯(12)工作层从而引发自蔓延反应，在自蔓延反应刚结束反应产物还处于红热时通过该压杆升降系统使压杆(9)施压于石墨压头(10)顶端从而获得致密超硬磨具与钻具，其中，所述感应线圈(12)通过的电流频率范围为3KHz,所述石英管(14)外径为80mm，加热时以氩气作为保护气氛，保护气氛从进气口(16)进入。

实施例4

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具，该超硬磨具与钻具的外径为100 mm，结构分为工作层和基体两个部分，所述工作层组分包括金属结合剂和超硬磨料，所述金属结合剂包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，其中所述Al和Ti的质量比例为2:1，且Al和Ti的总重量份数为45份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份数为0份，Sn粉重量份数为2份，Cu粉重量份数为23份，Fe粉重量份数为30份，且Cu粉和Fe粉的总质量份数为53份，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼，浓度为140%，粒度为25/30目，所述基体材料为中碳钢，所述Ti粉、Ni粉、Fe粉、Co粉、Sn粉的纯度均高于99.7％，粒度均小于75μm，Al粉、Cu 粉纯度高于99.8％，粒度小于45μm。

一种基于自蔓延反应的致密超硬磨具与钻具的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照所定配比称量后放入球磨机中充分混合均匀，然后添加超硬磨料再进行混料，混料过程均在氩气保护下进行，从而获得工作层粉料，其中，所述球磨机转速为200r/min,球磨时间为7h,球料比为1:8，钢球和粉料总体积不超过球磨罐体积的50%。

步骤2、将步骤1所获得的工作层粉料与基体一起放入压制模具中压制成型，获得超硬磨具与钻具压坯，其中，所述压制模具材料为Cr12MoV，压力大小为350MPa，所述压坯压实密度为理论密度的90%。

步骤3、将步骤2所获得的超硬磨具与钻具压坯(12)与石墨压头(10)、石墨外模(11)组装后放置于工作台(15)上，所述石墨外模(11)带有观察口，超硬磨具与钻具压坯(12)外面套上双开口石英管(14)，感应线圈(13)顶端位置稍低于超硬磨具与钻具压坯(12)顶端，通过压杆升降系统安装于支撑板(2)上的压杆(9)轻压于石墨压头(10)顶端，所述压杆升降系统由丝杠(3)螺母(6)副、导轨(4)滑块(5)副、驱动电机和减速机(7)、支撑板(8)组成，支撑板(2)固定于承重台(1)上，通过感应线圈(13)加热压坯(12)钢基体和石墨外模(11)使热量迅速传递给压坯(12)工作层从而引发自蔓延反应，在自蔓延反应刚结束反应产物还处于红热时通过该压杆升降系统使压杆(9)施压于石墨压头(10)顶端从而获得致密超硬磨具与钻具，其中，所述感应线圈(12)通过的电流频率范围为1KHz,所述石英管(14)外径为120mm，加热时以氩气作为保护气氛，保护气氛从进气口(16)进入。