专利名称：复合磨粒超硬材料节块式刀头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过烧结制造的节块式刀头(亦称工作齿)，主要涉及钢筋混凝土构件切割/钻削中使用的超硬材料切割/钻削工具中的节块式刀头。
背景技术：
超硬材料制品是国民经济的重要支柱行业之一，广泛应用于航空航天、汽车、机械、建筑、石材、陶瓷、电子、光学玻璃等行业领域。超硬材料锯片及薄壁钻在钢筋混凝土构件的加工领域中具有不可替代的作用，尤其是随着我国国民经济的快速发展，涉及道路交通的建设、城镇化进程的加速及老城区的改造等，此类超硬材料制品的消费量越来越大。目前，用于加工钢筋混凝土构件的锯片及工程薄壁钻都是采用金刚石为超硬磨料，其特点是加工不含钢筋的混凝土构件时具有较好的加工效率和寿命，但在加工含有钢筋的混凝土构件时，由于金刚石在高温摩擦热量的作用下，即使是在有冷却水的湿切/湿钻的情况下，也极易与狗发生i^e+C — Fe3C的反应，导致金刚石碳化失效，失去加工钢筋的作用，从而导致锯片或薄壁钻加工效率极低或失效，更不适于无冷却水的干切/干钻工况条件。同时，在切割/钻削过程中，刀头由于摩擦热的集聚而温度升高，会导致刀头与基体间钎焊焊缝的软化，焊缝的连接强度降低，在连续工作过程中易发生掉齿现象，导致工具失效。还有，常规钢筋混凝土锯片或薄壁钻刀头在工作一段时间后，常常会因金属结合剂烧结胎体的磨损而减薄，胎体对金刚石的机械把持能力下降，金刚石极易脱落，刀头的切削能力减弱，因而大大降低了工具的锋利度和使用寿命，影响工具应有效能的发挥。近年来，随着我国建筑业、高速公路、高速铁路的蓬勃发展，钢筋混凝土构件的应用量越来越多，需要消耗越来越多的超硬材料加工工具，对超硬材料工具的性能要求也越来越高。目前，市售的钢筋混凝土锯片/薄壁钻头中的超硬磨粒均为金刚石单晶颗粒，含金刚石磨粒的刀头可有效加工混凝土构件，但在遇有钢筋的混凝土构件时，其加工效率和使用寿命则会大大降低，其原因在于金刚石不适合于加工黑色金属，尤其是在高速切割/钻削过程中摩擦热量累积增加时，刀头的温度会迅速升高，在高温下，金刚石更易钝化失效， 导致工具的加工能力降低或失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对钢筋混凝土具有很好的切割性能的复合磨粒超硬材料节块式刀头。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是复合磨粒超硬材料节块式刀头，所述刀头的组份包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼。作为一种优选的技术方案，所述超硬磨粒在所述刀头中的体积比浓度为9% 60%。作为一种优选的技术方案，所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20% 95 %，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5 % 80 %。作为一种优选的技术方案，所述金属结合剂的基础成分体系为 Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末。作为一种优选的技术方案，所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素。由于采用了上述技术方案，复合磨粒超硬材料节块式刀头，所述刀头的组份包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼；金刚石对混凝土具有很好的切割性能，立方氮化硼对钢筋具有很好的切割性能，金刚石和立方氮化硼配合使用，金刚石主攻混凝土，立方氮化硼主攻钢筋，可大幅度提高超硬材料制品加工混凝土构件的效率及寿命，拓宽超硬材料制品的应用范围，不仅适合于湿切/湿钻，还能适合于干切/干钻，较好的满足现代条件下的家庭装修工程对干切/干钻的工况条件要求。
具体实施例方式下面结合实施例和应用实例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。复合磨粒超硬材料节块式刀头，所述刀头的组份包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述金属结合剂的基础成分体系为i^-Ni-Co-Cu-Sn中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末；所述超硬磨粒在所述刀头中的体积比浓度为9 % 60 % ；所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼，所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20% 95%，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5% 80%。为了增强刀头的表面硬度，提高刀头的耐磨性，所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、 Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素，在热压反应烧结刀头的过程中，Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素与金属结合剂反应，在刀头的侧表明形成硬质耐磨相，增强刀头表面耐磨性，延长工具寿命，提高加工精度。采用上述技术处理后，与其它常规工艺生产的刀头相比，本发明刀头具备了下述突出优点①由于刀头中的超硬磨料采用金刚石与CBN组配应用，充分发挥了两种不同磨料的性能特点，大大改善了锯片或薄壁钻对钢筋混凝土构件的加工效能，其效率及使用寿命都较常规单一采用金刚石磨料的工具有大幅度提高。刀头的侧表面硬度明显提高，较常规工艺生产的刀头提高30%以上，可达HRB116 以上，大幅度提高了刀头表面耐磨性，保护内层胎体金属受磨损，维持刀头厚度尺寸，保障平稳的连续加工过程。②由于刀头中含有CBN磨料，大大增强了工具对钢筋的加工能力，本发明刀头不仅适用于有冷却水的湿切/湿钻工况，还适合于无冷却水的干切/干钻工况，这是以往常规含单一金刚石磨粒的工具所不及的。
③所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/ 氮化物形成元素后，制造的刀头侧表面具有硬质耐磨相，刀头表面硬化处理后，抗氧化性及耐磨性增强，烧结胎体对表层金刚石的机械把持力增强，金刚石的脱落率降低，有效利用率提高，刀头在加工过程中不易磨损减薄，可保持良好的加工精度和加工效率。本发明将金刚石与立方氮化硼(CBN)有机组合，对二者实施优势互补在加工无钢筋的混凝土部位时，刀头中的金刚石可充分发挥对混凝土的加工优势，保证工具的加工效能；而当遇到钢筋部位时，则可充分发挥立方氮化硼(CBN)对黑色金属的加工优势，保证快速切断钢筋，金刚石与立方氮化硼(CBN)交替发挥优势作用，则会大大提高工具的整体加工效能，大幅度改善工具的加工效率和使用寿命。 下面结合实验数据对本发明做进一步的说明。应用实例一Φ63πιπι单层刀头薄壁钻制备20mm(长)X8mm(高)X4mm(厚)的单层弧形薄壁钻刀头。刀头的合金体系为i^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为65%金刚石和35 %立方氮化硼，其总的体积浓度为 18% 22%。刀头的金属结合剂采用预合金粉末与单质金属粉末组合应用方式，先将金属结合剂与超硬磨料混合均勻后冷压成型为单层节块胚体，然后再将冷压胚体置于热压烧结模具中，在860°C热压反应烧结，烧制成致密度>98. 5%的单层节块刀头，并使刀头外侧表面形成非连续分布的I^e3C耐磨相，表面局部硬度可达HRB127。将开刃后的烧制刀头焊于钢质基体上，成品薄壁钻头。用此薄壁钻钻削厚度为200mm，含4层Φ 18mm螺纹钢的C50混凝土构件，可钻削钻孔70个以上，钻孔平均速度为5 15min/孔，较常规钻头的速度提高1倍以上，钻削效率及使用寿命的优势十分突出。此外，由于刀头外侧表面耐磨性好，钻削过程中刀头不易磨损减薄，锋利度好，钻削过程平稳快速，无钻头卡塞现象，钻芯容易取排，克服了同类产品因刀头厚度磨损减薄而带来的卡钻、停钻、取芯困难等问题。应用实例二 Φ 63mm层叠式刀头薄壁钻制备整体尺寸为20mm(长)X8mm(高)X3mm(厚)的薄壁钻刀头，其厚度方向为三个Imm厚的叠片叠加烧制而成。刀头各层片的金属结合剂的合金体系均为 Fe-Ni-Co-Cu-Sn-Ti系，超硬磨料为70%金刚石和30%立方氮化硼(CBN)。外侧两片超硬磨料的体积浓度为20%，中间层片的体积浓度为16%。先将金属结合剂与超硬磨料混合均勻后冷压成胚，然后将冷压胚体叠加组装于热压烧结模具中，在热压机上于850°C烧制“三明治”式成品刀头，再将开刃后的成品刀头焊于钢质基体上，制备出成品薄壁钻头。同样，热压烧结过程中，在刀头外侧表面也可生成非连续分布的!^e3C硬质耐磨相。用此薄壁钻湿钻厚200mm，含4层Φ 18mm螺纹钢的C60混凝土预制板，在台式钻机上的钻削平均速度为2. 5min/孔，钻孔数量超过90孔。而用手持式钻机干钻厚度为300mm 的砖墙，其钻孔数量超过200孔，平均钻削速度为1. 5min/孔，其效率和寿命的优势较为明显。应用实例三 Φ 400mm单层刀头钢筋混凝土锯片
刀头金属结合剂合金体系为i^-Ni-Cu-Co-Sn-Ti，超硬磨料为70%金刚石和30% 立方氮化硼(CBN)，制备(长)40mmX (高)12mmX (宽)3. 6mm的钢筋混凝土单层锯片刀头， 刀头中超硬磨料的总的体积浓度为25%。首先将金属结合剂与超硬磨料混配均勻后冷压成节块胚体，然后将冷压胚体置于烧结模具中在热压机上进行热压烧结，烧结温度为860°C， 烧结刀头的平均硬度为HRB115。最后，将烧制的成品刀头经开刃后焊于钢质基体上，制备出成品锯片。用此锯片湿切厚度为100mm，含2层Φ 8mm钢筋网的混凝土预制板，切机功率为 4KW，转动线速度为36m/min，锯片的切割速度为1. lm/min，切割寿命为1200m。此锯片在切割厚度为80mm无钢筋的C25水泥地坪，切割速度为1. 3m/min,切割寿命超过2000延长米。应用实例四Φ 400mm层叠式刀头混凝土锯片制备尺寸为(长)20mmX (高)12mmX (宽)3. 6mm的三叠层钢筋混凝土锯片刀头。 金属结合剂合金体系为i^e-Ni-Cu-Sn-Ti，超硬磨料为金刚石和立方氮化硼(CBN)的组合磨粒。外层片超硬磨料的体积浓度为26% (70%金刚石+30% CBN)，内层片超硬磨料的浓度为20% (70%金刚石+30% CBN)。在与应用实例三相同的工况条件下，湿切厚度100mm、含 2层Φ8πιπι的钢筋混凝土预制板，平均切割速度为1. ;3m/min，切割过程平稳，遇到钢筋时也能保持勻速切进，锯片切割寿命超过1200延长米。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.复合磨粒超硬材料节块式刀头，所述刀头的组份包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，其特征在于所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼。
2.如权利要求1所述的复合磨粒超硬材料节块式刀头，其特征在于所述超硬磨粒在所述刀头中的体积比浓度为9% 60%。
3.如权利要求2所述的复合磨粒超硬材料节块式刀头，其特征在于所述金刚石在所述超硬磨粒中的体积比浓度为20 % 95 %，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的体积比浓度为5% 80%。
4.如权利要求1所述的复合磨粒超硬材料节块式刀头，其特征在于所述金属结合剂的基础成分体系为 ^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti中三种以上元素的组合，所述金属结合剂的金属粉末为三元以上的预合金粉末和/或单质金属粉末。
5.如权利要求4所述的复合磨粒超硬材料节块式刀头，其特征在于所述金属结合剂内添加有Cr、W、V、Si和Ti中的一种或一种以上的强碳化物/氮化物形成元素。
全文摘要
本发明公开了一种复合磨粒超硬材料节块式刀头，所述刀头的组份包括烧结在一起的金属结合剂和超硬磨粒，所述超硬磨粒包括金刚石和立方氮化硼；金刚石对混凝土具有很好的切割性能，立方氮化硼对钢筋具有很好的切割性能，金刚石和立方氮化硼配合使用，金刚石主攻混凝土，立方氮化硼主攻钢筋，可大幅度提高超硬材料制品加工混凝土构件的效率及寿命，拓宽超硬材料制品的应用范围，不仅适合于湿切/湿钻，还能适合于干切/干钻，较好的满足现代条件下的家庭装修工程对干切/干钻的工况条件要求。
文档编号B28D1/14GK102248604SQ20111019321
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者陈涛 申请人:山东日能超硬材料有限公司