一种弱孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法与流程

本发明涉及一种用于加工碳化硅陶瓷的钻头及其制备方法，特别涉及一种弱孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法。

背景技术：
碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的，抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。具体的，由于碳化硅陶瓷的超硬性能，用碳化硅陶瓷制作磨料，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸，广泛应用于机械加工行业。黑色碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削；绿色碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸的研磨及高速高速钢刀具的精磨；而作为耐火材料，国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料，我国也将会不断扩大这方面的应用；军事方面也有将碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，应用于火箭技术中。由于碳化硅密度居中，硬度和弹性模量较高，还可用于装甲车辆、飞机机腹及防弹防刺衣等。碳化硅材料还具有自润滑性，其摩擦系数小，约为硬质合金的一半，而且其还具有抗热震性好、弹性模量高等特点，可将其用于一些特殊地方，如用来制成高功率的激光反射镜，具有密度低、刚性好、变形小的优点，优于铜质反射镜。碳化硅陶瓷的上述性能决定了其在机械加工中需要采用硬度更高的孕镶金刚石钻头。加工时，极易由于金刚石磨粒不能及时出露，导致钻头发生打滑现象，降低加工效率和加工质量，甚至对人产生伤害。因此，对碳化硅陶瓷加工时，金刚石钻头的胎体应当较脆，并且对金刚石磨粒的包镶较弱，从而使得胎体能够磨损，让金刚石磨粒及时出露。鉴于此，研制弱包镶金刚石钻头的胎体配方具有重要的前景和应用价值。

技术实现要素：
发明目的：本发明的第一目的是提供一种对金刚石的包镶能力弱、能够提高钻头对碳化硅陶瓷的加工效率和加工寿命的弱孕镶金刚石钻头胎体，本发明的第二目的是提供一种包含该胎体的弱孕镶金刚石钻头的制备方法。技术方案：本发明所述的弱孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Cu粉35～45份，纯Zn粉40～50份，纯Mn粉4～8份，纯Fe粉2～4份，纯Ni粉4～8份。其中，纯Cu粉优选为39～42份；纯Zn粉优选为44～47份；纯Mn粉优选为5～7份；纯Fe粉优选为3～4份；纯Ni粉优选为5～7份。本发明所述的包含上述胎体的弱孕镶金刚石钻头的制备方法，包括如下步骤：(1)按重量份数配制胎体，将浓度为75％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中热压烧结，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体，其中，烧结温度为640～680℃，烧结压强为14.6～14.9MPa；(2)将金刚石烧结体保温1.8～2.4min后，冷却至室温；(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明的弱孕镶金刚石钻头胎体的成型性优异，制作工艺简单，在满足胎体对金刚石的基本润湿性条件下，较大程度的降低了胎体对金刚石磨粒的包镶能力，使得金刚石磨粒能够及时出露，时刻保持自锐性，避免加工过程中出现钻头打滑现象，减少碳化硅陶瓷构件裂纹的产生，提高了加工高强度、高硬度的碳化硅陶瓷的效率和质量,具有很大的市场需求和应用价值；(2)本发明通过控制烧结温度和烧结压强、保温时间，可使胎体粉末很好地熔合并合金化，同时不会损害金刚石质量，确保形成的胎体对金刚石的包镶能力较弱，制得的钻头对碳化硅陶瓷具有良好的加工效率和加工质量。附图说明图1为本发明制备的弱孕镶金刚石钻头胎体的断面图；图2本发明制备的弱孕镶金刚石钻头胎体的磨损形貌图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。本发明的弱孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Cu粉35～45份，纯Zn粉40～50份，纯Mn粉4～8份，纯Fe粉2～4份，纯Ni粉4～8份。通过降低胎体对金刚石磨粒的包镶作用，使得在加工过程中金刚石磨粒及时出露，钻头能够时刻保持自身的自锐性，从而提高孕镶金刚石钻头的加工效率和加工质量。该胎体以Cu和Zn为主要原料，所得胎体对金刚石磨粒的包镶能力较小，且胎体熔点低、烧结温度低、可减少高温对金刚石质量的损害；其中，铜与碳化物及骨架材料的相容性很好，有助于提高胎体的成型性和烧结性能；锌可改善烧结性能，在铜基胎体中可以生成金属间化合物，改善胎体磨损性和变形性。同时，本发明在胎体中添加少量的Mn、Fe、Ni等金属粉末进行合金化，降低胎体对金刚石磨粒的包镶作用，使得金刚石钻头胎体能够及时磨损，保证钻头的自锐性，获得较好的加工效率和加工质量。此外，镍能提高胎体的耐磨性和韧性，锰具有脱氧的作用，与铜的相容性很好，可提高胎体耐磨性，适于重负荷、冲击负荷下工作的工具。由于胎体组成成分中对金刚石有较好润湿作用的元素较少，使得胎体对金刚石磨粒的包镶能力较小。如图1，从胎体断面可以看出，胎体断面出现明显的脆性断裂的裂纹，金刚石磨粒与胎体间存在明显的缝隙，说明了钻头胎体具有较大的脆性以及较弱的包镶能力。如图2，从钻头胎体的磨损形貌图可以看出，胎体表面出现了大面积的破碎，右侧有深的脱落坑，脱落坑深度甚至超过金刚石磨粒直径的2/3，未脱落的金刚石磨粒与胎体有明显的间隙，包镶强度很小。本发明的包含上述胎体的弱孕镶金刚石钻头的制备方法，步骤包括：配制胎体，将金刚石与胎体混合、热压烧结制成金刚石烧结体；将金刚石烧结体保温，然后冷却至室温；待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。通过控制烧结温度和烧结压强、保温时间，以使胎体粉末很好地熔合并合金化，同时不会损害金刚石质量，确保形成的胎体对金刚石的包镶能力较弱，制得的钻头对碳化硅陶瓷具有良好的加工效率和加工质量。实施例1原料：纯Cu粉40份，纯Zn粉45份，纯Mn粉6份，纯Fe粉3份，纯Ni粉6份。制备方法：(1)将上述原料混合形成胎体，将浓度为75％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中，控制温度为650℃、压强为14.7MPa，热压烧结；当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体；(2)将金刚石烧结体保温2min，然后冷却至室温；(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。此处“浓度为75％的金刚石”是指金刚石浓度为75％。金刚石浓度采用400％浓度制，即金刚石浓度为100％时胎体中金刚石体积浓度为25％。实施例2原料：纯Cu粉35份，纯Zn粉50份，纯Mn粉4份，纯Fe粉2份，纯Ni粉8份。制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为640℃，压强为14.6MPa，保温时间为2.4min。实施例3原料：纯Cu粉45份，纯Zn粉40份，纯Mn粉8份，纯Fe粉4份，纯Ni粉4份。制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为680℃，压强为14.9MPa，保温时间为1.8min。实施例4原料：纯Cu粉39份，纯Zn粉47份，纯Mn粉7份，纯Fe粉4份，纯Ni粉7份。制备方法参照实施例1。实施例5原料：纯Cu粉42份，纯Zn粉44份，纯Mn粉5份，纯Fe粉3份，纯Ni粉5份。制备方法参照实施例1。实施例6参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Cu粉的含量分别为30份、35份、39份、40份、42份、45份和50份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表1。表1Cu粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表1可知，胎体中铜粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的成型性。当铜粉含量低于35份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的成型性较差；当铜粉含量增加至35～45份时，胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的成型性均得到显著提升，尤其是铜粉含量为39～42份时，胎体对金刚石的包镶能力强，且胎体的成型性好；而当铜粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的成型性也变得较差。实施例7参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Zn粉的含量分别为35份、40份、44份、45份、47份、50份和55份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表2。表2Zn粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表2可知，胎体中锌粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的可烧结性。当锌粉含量低于40份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的可烧结性较差；当锌粉含量增加至40～50份时，胎体对金刚石的包镶能力较强，胎体的可烧结性得到显著提升，尤其是锌粉含量为44～47份时，胎体的可烧结性好；而当铜粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的可烧结性也变得较差。实施例8参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Mn粉的含量分别为2份、4份、5份、6份、7份、8份和10份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表3。表3Mn粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表3可知，胎体中锰粉的含量影响胎体的耐磨性。当锰粉含量低于4份时，胎体的耐磨性较差；当锰粉含量增加至4～8份时，胎体耐磨性显著提升，尤其是锌粉含量为5～7份时，胎体呈现出好的耐磨性；而当锰粉含量继续增加时，胎体的耐磨性变差。实施例9参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Fe粉的含量分别为1份、2份、3份、4份、5份和6份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表4。表4Fe粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表4可知，胎体中铁粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的耐磨性。当铁粉含量低于2份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的耐磨性差；当铁粉含量增加至2～4份时，胎体对金刚石的包镶能力较强，且胎体的耐磨性得到显著提升，尤其是铁粉含量为3～4份时，胎体呈现出好的耐磨性；而当铁粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的耐磨性也变得较差。实施例10参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Ni粉的含量分别为2份、4份、5份、6份、7份、8份和10份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表5。表5Ni粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表5可知，胎体中镍粉的含量影响胎体的耐磨性。当镍粉含量低于4份时，胎体的耐磨性较差；当镍粉含量增加至4～8份时，胎体耐磨性显著提升，尤其是镍粉含量为5～7份时，胎体呈现出好的耐磨性；而当镍粉含量继续增加时，胎体的耐磨性变差。实施例11参照实施例1的制备方法，进行5组平行实验，其中，分别控制烧结温度为620℃、640℃、660℃、680℃、700℃，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表6。表6烧结温度对孕镶金刚石钻头的性能影响由表6可知，当烧结温度低于640℃时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结温度升高至640～680℃时，胎体的成型性得到显著提升，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当烧结温度继续升高时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。实施例12参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结压强为14.5MPa、14.6MPa、14.7MPa、14.8MPa、14.9MPa、15.0MPa，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表7。表7烧结压强对孕镶金刚石钻头的性能影响由表7可知，当烧结压强低于14.6MPa时，胎体的成型性差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结压强升高至14.6～14.9MPa时，胎体的成型性和制得的孕镶金刚石的工作寿命均得到显著提升，呈现出好的胎体成型性以及长的工作寿命；而当烧结压强继续升高时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命开始缩短。实施例13参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制保温时间为1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.6min，制得的孕镶金刚石钻头的性能数据如表8。表8保温时间对孕镶金刚石钻头的性能影响由表8可知，当保温时间低于1.8min时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当保温时间加长至1.8～2.4min时，胎体的成型性较好，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当保温时间继续加长时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。