本发明涉及金刚石工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种铝热反应制备金刚石刀头的方法。
背景技术：
在现有技术中，焊接类金属结合剂超硬材料制品刀头均采用粉末冶金生产工艺制备，其方法是将金属粉末与金刚石磨粒混合均匀，然后冷压成型、热压/无压烧结。冷压成型坯体通常采用两种烧结生产工艺：最普遍的是将坯体在热压烧结机上组装于石墨模具中加压烧结；另外一种是将坯体置于具有还原气氛的连续式隧道炉或钟罩炉中自由烧结。这两种生产方式所需能量完全由外部设备提供，刀头性能受原材料及工艺参数的变化影响极大，尤其是锋利度的调控难度较大。热压烧结工艺胎体对金刚石的把持力强，寿命长，但锋利度受限，且能耗高，效率低。在隧道炉或钟罩炉中自由式烧结的能耗低，效率非常高，但烧结坯体在无压条件下的致密度及其对金刚石的把持力有限，切割过程中金刚石易脱落失效，这是金刚石制品无压烧结工艺所普遍存在的技术难题，也是无压烧结难以推广应用的障碍瓶颈，因而，未能在行业中普遍应用。
为了提高生产效率并提高金刚石刀头的产品质量，而引进新的烧结机制开发新的材料体系，增强胎体对金刚石的收缩固结把持力，是金刚石制品无压烧结技术的迫切需求。中国发明专利申请公布CN101342686A公开了一种自蔓延高温制备金刚石模块的方法，其利用TiCo或TiNi的自蔓延反应来提高与镀镍的金刚石刀头之间的把持力，但该方法采用的是稀缺且价高的Ti、Co和Ni粉，为了保证把持力还要预先对金刚石进行镀镍处理，从而导致成本高，难以推广应用。中国发明专利申请公布CN103521774A公开了一种自蔓延制备金刚石节块工具的方法，其中采用40～70％的Ni、10～30％的Al、5～20％的Cr、5～25％的Ti、0～5％的Co、0.5～1％的稀土Ce合金作为结合剂，其中利用了Ni和Al的自蔓延反应并利用元素Cr和Ti元素在金刚石表面形成Cr-C、Ti-C等化学冶金结合来提高胎体与金刚石的把持力，其中Ni、Cr、Ti等成本高，而且其中反应迅速容易导致过多的孔隙，从而导致其切削性能差，切削使用寿命较低。由于Al和Fe与金刚石的亲和力较差，采用常规的铝和铁的铝热反应方法制备的金刚石刀头其把持力差，尤其是应用于金刚石切削刀头的使用寿命仅有常规热压方法的1/3～1/5，因而被认为无实际应用和使用价值。
技术实现要素：
为了降低成本、提高生产效率并克服现有技术中的技术难题，本发明的提供了一种铝热反应制备金刚石刀头的方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种铝热反应制备金刚石刀头的方法，其将金属结合剂与金刚石混合均匀、冷压得到刀头坯料后经自由烧结而成，其特征在于：所述金属结合剂中包括由铁粉和铝粉经冷态混合球磨得到的铝热反应粉。
其中，所述金属结合剂中铝热反应粉的重量百分比为10～65wt％，优选为20～60wt％，更优选为25～55wt％。
其中，所述金属结合剂包括10～65wt％的铝热反应粉，和余量的选自Fe、Cu、Sn和Ni中的至少一种组分。
其中，所述金属结合剂中基本不含Ti和Co，或者所述金属结合剂中Ti的含量小于0.5wt％，Co的含量小于0.5wt％。
其中，所述铝热反应粉中铁粉和铝粉的摩尔比为3～5∶1，优选为3∶1。
其中，所述铝热反应粉在-50℃以下的低温环境下混合球磨得到。
其中，所述坯料的压实密度为理论密度的50％以上，优选为55％以上。
其中，冷压的压力为30～100MPa。
其中，所述金刚石刀头用于磨削工具和/或切削工具。
与最接近的现有技术相比，本发明所述的制备铝热反应制备金刚石刀头的方法具有以下有益效果：
本发明采用在加热烧结过程中可放热的冷态球磨铝铁合金粉，无需加压烧结即可得到致密且把持力高的金刚石刀头，而且由于可在隧道炉内无压致密烧结，与现有技术相比大大提高了生产效率。
附图说明
图1为金刚石刀头坯料在隧道炉中无压排列烧结的示意图。
图2为本发明制备的金刚石刀头坯料的立体结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的铝热反应制备金刚石刀头的方法做进一步的阐述，以期对本发明的技术方案做出更完整和清楚的说明。
本发明提供了一种铝热反应制备金刚石刀头的方法，本发明的技术方案是在传统的金属粘结剂配方体系中引入铝热反应粉(Al-Fe自蔓延组分)，利用其自蔓延反应形成FeAl金属间化合物的键合过程中产生的放热效应，为胎体金属提供内部烧结能量。而且本发明的发明人惊人地发现采用冷态球磨的铝热反应粉不仅可以降低体系的烧结温度，而且能够显著促进胎体的自由烧结致密化，从而可以使得预制的金刚石刀头坯体即使在无压状态下烧结，也可以获得类似于加压烧结的致密性和使用寿命。
作为一个无限制性地例子，本发明所述的铝热反应制备金刚石刀头的主要步骤如下：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉按1∶3的摩尔比在惰性气氛保护下冷态(-50℃以下，可以利用液氮、干冰等控制球磨机在规定的温度以下)混合球磨，球料比为(8～10)∶1，球磨时间为8～24小时。
在惰性保护气氛中取料，出料粒度＜2μm。将得到的铝热反应粉按配方比例与其它金属粉末以及金刚石磨粒在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5-2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度通常为理论密度的50％以上。
如图1所示例的那样，将冷压坯体30排列组装于托架模具10的石墨隔板20上中在隧道炉或钟罩炉中自由烧结，烧结温度为750～850℃，烧结时间为15～60分钟，烧结后炉中缓冷至室温即可。
在以下的实施例中铝热反应粉通过以下方法制备得到：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉按1∶3的摩尔比在惰性气氛保护下冷态(液氮-100℃以下)混合球磨，球料比为8∶1，球磨时间为12小时。
实施例1
采用42重量份的铁粉、23重量份的铜粉、30重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和3重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为30分钟。刀头的真实孔隙率约为12％，平均硬度HRB为96，平均抗弯强度为750MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为8.1m/min，切割寿命为167米。
实施例2
采用8重量份的铁粉、25重量份的铜粉、60重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和5重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为20分钟。刀头的真实孔隙率约为11％，平均硬度HRB为93，平均抗弯强度为755MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为7.6m/min，切割寿命为161米。
实施例3
采用50重量份的铁粉、20重量份的铜粉、20重量份的铝热反应粉、3重量份的锡粉和7重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为60分钟。刀头的真实孔隙率约为12％，平均硬度HRB为95，平均抗弯强度为770MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为8.5m/min，切割寿命为163米。
在以下的比较例中铝热反应粉通过以下方法制备得到：
将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基铁粉按1∶3的摩尔比在惰性气氛保护下在常温下混合球磨，球料比为8∶1，球磨时间为30分钟。
比较例1
采用42重量份的铁粉、23重量份的铜粉、30重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和3重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为30分钟。刀头的真实孔隙率约为18％，平均硬度HRB为92，平均抗弯强度为690MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为7.9m/min，切割寿命为132米。
比较例2
采用8重量份的铁粉、25重量份的铜粉、60重量份的铝热反应粉、2重量份的锡粉和5重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为20分钟。刀头的真实孔隙率约为19％，平均硬度HRB为88，平均抗弯强度为690MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为7.5m/min，切割寿命为133米。
比较例3
采用50重量份的铁粉、20重量份的铜粉、20重量份的铝热反应粉、3重量份的锡粉和7重量份的镍粉的配方体系制备直径为350mm花岗岩锯片。其中，铜粉和锡粉为400目的雾化粉末，铁粉和镍粉为羰基粉末。在自动冷压机料槽的钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，坯料的压实密度为理论密度的60％，制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.2mm(厚)的冷压刀头坯体(其外观结构如图2所示，其中金刚石体积浓度为26％)。在隧道炉中自由烧结，最高烧结温度830℃，烧结时间为60分钟。刀头的真实孔隙率约为21％，平均硬度HRB为95，平均抗弯强度为770MPa。将烧制刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于自动桥式切割机上切割厚度为20mm的三花(中等硬度花岗岩)板材，水冷切割。锯片的平均切割速度为8.1m/min，切割寿命为128米。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。