专利名称：改进的超硬磨具的制作方法
背景技术：
本发明涉及超硬磨工具，例如含超硬磨粒如金刚石、立方氮化硼(CBN)或低氧化硼(BXO)的磨轮片段。
技术回顾一般，使用超硬磨粒锯进行坚硬材料如花岗石、大理石、混凝土，沥青等材料的切割。由片段组装的锯片是人们熟知的。该锯片由装有许多片段的圆形钢盘构成。这种工具的片段中有随机分散在金属基体中的超硬磨粒。通过测试切割速度和工具寿命可测定这些片段组装的工具的性能。切割速度即一给定工具切割一定类型材料的快慢的衡量，而工具寿命为锯片的切割寿命。
不幸的是，这些片段组装的研磨切割工具的性能同时存在着优缺点， 即一般发现锯片切割越快其寿命越短，而切割越慢其寿命越长。对一般的锯片，这是由于含有磨粒的基体，对切割速度和锯片寿命有很大的影响。
例如就金属粘结来说，如铁粘结的硬质基体可较好地将磨粒固定住，提高了锯片的寿命。它们增加每一磨粒的寿命是通过使磨粒钝化从而降低了切割速度。相反，较软的基体如青铜粘结则使磨粒较易从基体脱出从而降低了锯片寿命。但这又使新的锐利的磨粒更易暴露在切割表面，从而提高了切割速度。
因此，本发明的目的是生产一种改进了切割速度和工具寿命的片段组装的超硬工具。本发明的进一步目的是生产一种其中的超硬磨粒较好集中分布来获得这些结果的超硬研磨片段。发明概要本发明涉及一种由一个心子和连接到所述心子上的许多研磨片段组成的研磨工具，所述的研磨片段由一种粘结材料和超硬磨粒组成，所述的片段含有至少两个分开的环形区域，所述的磨粒以较高和较低的浓度交替地分散在所述区域中。
本发明进一步涉及一种由一个心子和连接到所述心子上的许多研磨片段组成的研磨工具，所述的研磨片段由一种粘结材料和超硬磨粒组成，所述的片段含有至少两个分开的环形区域，所述的磨粒交替地分散在每一相隔的区域。
附图的简要描述
图1为用本发明的片段制成的片段组装的研磨锯片的部分剖面的剖面图。
图2为本发明的一个具有环形分开区域的研磨片段透视图，其中磨粒是交替地分散在每一相隔的区域。
图3为本发明的另一实施方案的具有环形分开区域的研磨片段透视图，其中磨粒是以较高和较低浓度交替地分散在所述区域中。
发明的详细描述本发明涉及一种由一个心子和连接到所述心子上的许多研磨片段组成的研磨工具，所述的研磨片段由一种粘结材料和超硬磨粒组成，所述的片段含有至少两个分开的环形区域，所述的磨粒以较高和较低的浓度交替地分散在所述区域中。
研磨工具的心子可由树脂、陶瓷或金属预成形制成。
由粘结材料和超硬磨粒构成的研磨片段则连接到该心子上，研磨工具可以是如岩心钻头或切割锯。图1为本发明的一个较好实施方案，为一旋转研磨轮即一锯片10。研磨轮10具有一预成型的金属支撑用的金属心子即圆盘12，圆盘有预定的直径和厚度，常用钢制成，这个钢的心子12有一中心孔14，用于安装一驱动装置或一机器的传动轴。从支撑心子12的最外层表面向内径向延伸着许多径向的狭槽16和介于狭槽之间的研磨片段支撑部分18，研磨片段20就呈角状地围绕着中心转轴装置在其上面。这些片段可如图2所示衬托在具有内配合表面的非切割金属部分28的上面。
每一研磨片段支撑部分18有一外边缘表面，用于将藉激光融化焊接，电子束融化焊接或钎焊已接上预成型的研磨片段20的内表面的接合件放置到金属支撑壁的支撑部分18上。
研磨片段20至少由两个隔开的环形区域构成，超硬磨粒交替地分散在每一相隔的区域中(见图2)，研磨片段20也可至少由两个隔开的环形区域构成，而超硬磨粒以较高和较低浓度交替地分散在这些区域中(见图3)。较好的实施方案是磨粒如图2所示交替地分散在每一相隔的区域中。
由图2可见，研磨片段20分成许多个区域，在每一相隔的区域中交替地分散着磨粒。含有磨粒的区域在本例中标作1、3和5，区域1、3、5与只含有粘结材料的区域2和4交替相邻。较好的是每一研磨片段有3～25个区域，最好有7～15个区域。
在这较好的实施方案中，研磨片段的各个区域如图2所示的区域1、2、3、4、5都具有相同尺寸，但对本发明的目的而言不必要求这些区域都尺寸相同。这些区域可根据其应用和最终用途而进行变化，以改进在具体应用中研磨轮的使用性能。然而，较好的是片段前沿的区域应含有磨粒。
这种片段的结构可以同时得到较高的切割速度和较长的工具寿命。这是由于只含较少磨粒或不含磨粒的区域比较软，因而片段的这个部分较快磨损，暴露出研磨片段中含有较高浓度金刚石磨粒的那些区域。具有一较少接触面积的研磨片段会切割得更快，而具有较高浓度金刚石的区域则由于其较高的金刚石浓度而表现出较小的磨损。
本发明的另一实施方案如图3所示，其中超硬磨粒的浓度在区域之间连续变化或在不连续变化。如果摩擦颗粒的浓度在研磨片段的区域之间连续变化，则可使用下述方法测定具有较高和较低浓度的区域的边界。首先沿研磨片段，测定磨粒的最小和最大浓度。其做法是测定在1mm间距上的浓度来测定连续沿一个片段的面积的百分数，然后确定浓度最小和最大间距的中心点。将超硬磨粒浓度相邻最小和最大的间距的中心点之间的面积进行对分，就形成一个人为的边界。
每一区域按相邻人为边界之间的体积限定，在本说明书中就将其称之为所限定的区域。在研磨片段中的金刚石浓度为X体积百分数(将研磨片段中超硬磨粒的体积除以研磨片段总体积来进行计算)，较高浓度和较低浓度的区域按下述方式确定。较高浓度区域是其超硬磨粒浓度高于所限定总区域的2×体积百分数，较好是高于4×体积百分数，更好是高于8×体积百分数。较低浓度区域是其超硬磨粒的浓度低于所限定总区域的0.5×体积百分数，较好为低于0.25×体积百分数，更好为低于0.12×体积百分数。
如果超硬磨粒的浓度在研磨片段的区域之间基本上是不连续即分立地变化，则区域的边界定义在浓度呈不连续即分立地下降的位置。在磨粒总浓度为X体积百分数的研磨片段中，浓度的不连续或分立的下降定义为在片段的1mm区域中浓度下降2×体积百分数，更好指下降4×体积百分数。这些区域仍可通过测量沿研磨片段磨粒浓度呈不连续或分立下降的中心点，并将这一中心点认为是相邻区域的边界来确定。
在这个较好实施方案中，片段中的粘结材料是金属26。粘结金属26和非切割金属部分28由诸如钴、铁、青铜、镍合金、碳化钨、硼化铬和它们的混合物构成。对与树脂或玻璃化材料的心子进行粘结来说，粘结材料也可是玻璃或树脂。
片段中较好要含有约1.0～25体积％的超硬磨粒，更好约3.5～11.25体积％。
超硬磨粒的平均粒径较好约为100～1200μm，更好约为250～900μm，最好约为300～650μm。
可将次等的磨粒加到片段中，这些次等磨粒例如有碳化钨、氧化铝、溶胶-凝胶氧化铝、碳化硅和氮化硅。这些次等磨粒可加到超硬磨粒浓度较高的区域或较低的区域中。
较好的研磨片段最好采用模制然后焙烧的方法制备。摩擦片段以两步法模制。第一步，将模子中供含有较高磨粒浓度用的模腔部分和供非切割金属部分28的模腔部分填满。其过程是首先，用含粘结金属粉末和超硬磨粒的混合物填充用于较高浓度超硬磨粒的模腔，当这部分模腔完全填满后，用不含磨粒的金属粉填充用于非切割金属部分的模腔。第二步，将模子在低于所使用金属的熔点的温度下焙烧，使模子中的混合物进行烧结。
将烧结体从模子中取出，再放入另一个具有片段形状模腔的模子中。在其中， 含较高超硬磨粒浓度的区域之间存在着凹腔。对这些凹腔用含较低浓度超硬磨粒或不含超硬磨粒的疏松粉末填充。最后，将模子在加压条件下焙烧一段时间，选择使用的温度和压力能使焙烧后得到大于85％理论密度的密度。最好为大于95％理论密度。也可通过带式铸造、注射模制和本领域技术人员所知其它方法来生产这些片段。
为了能使本领域技术人员较好理解本发明的实践，现提供下面的一些例子作为说明。但这些例子并不作为限制。可在本发明说明书引述的参考文献和专利中找到可用于本领域实践的其它资料，这些参考文献和专利的内容已结合参考于本发明中。实施例实施例1测试了两种锯片的切割速度和磨损。这两种锯片都含有4％体积消耗性的用金属粘结的金刚石(级别SPA 100+)锯片直径为16英寸切割路径(锯口)尺寸为0.15英寸。
对照锯片的片段使用了一青铜作粘结材料。两个锯片中使用的金刚石磨粒都为30/40粒度级别的金刚石(429～650μm)。在对照锯片的片段中，金刚石磨粒是混乱分布着的。由本发明的片段构成的锯片含有6个含金刚石磨粒的区域，这些区域则由不含磨粒的5个区域交替分隔。含金刚石区域的粘结基体为含有大约45％重量铁和55％重量青铜的合金。基本上不含磨粒的区域的基体为青铜粘结料。在6个金刚石的区域中，金刚石磨粒是分散在铁-青铜合金基体之中。
在一个硬化的用1/2英寸钢筋增强的花岗石骨料混凝土板上进行锯片的试验。锯片试验采用3英寸-英尺/分的恒定切割速度，用来切割长度为400英寸-英尺的混凝土。此切割速度是调节到对照锯片的最大切割速度。获得对照锯片最大切割速度，是将对照锯片的切割速度恰好调到马达发生停转(此时电路设置在10KW跳闸)。本发明的锯片试验时，正是在3英寸-英尺/分速度旋转，尽管它本可在更高的切割速度下使用。
测试表明，对照锯片磨损了0.0134英寸，而具有本发明研磨片段的锯片仅磨损0.036英寸。测试表明，以普通锯片的最高切割速度运转时，本发明寿命是普通锯片寿命的350％。实施例2比较锯片的另一种方法是以恒定的进料速度在无冷却剂情况下切割混凝土。所使用的试验是测定锯片试验停车之前所经过的切割数。在本实施例中，将本发明的锯片与对照锯片相比较。
三种锯片的直径都为9英寸，切割路径(锯口)尺寸为0.095英寸。三种锯片的片段中含有3.5体积％的金刚石磨粒。使用的金刚石磨粒为30/40粒度级别的金刚石(429～650μm)。称为标准#1的对照锯片，其片段使用含100％钴的粘结料。称为标准2#的对照锯片其片段使用含60重量％铁、25重量％青铜和重量％钴的粘结料。在对照锯片的片段中金刚石磨粒是混乱分布的。由本发明片段构成的锯片有5个含金刚石的区域。为4个不含金刚石的区域交替地分隔着。含金刚石区域的基体为含有大约45重量％铁和55重量％青铜的合金。基本上不含金刚石的区域，其基体为青铜。在6个含金刚石的区域中，金刚石磨粒分布在铁-青铜基体中。
锯片在由Sawing System of Knoxville，TN制造的5马力541C型台架式锯床上运转。锯片转速约为5800rpm。锯片切割的基材为12英寸×12英寸×2英寸的外露骨料踏脚石，它是一种在强度为3000psi水泥中含1/4英寸～1/2英寸河砾石的材料。这种材料可认为是坚硬至非常坚硬的。
达到损坏的切割数是指断路器断开之时锯片所已经历的走锯次数。试验中断路器设置在2.0Kw。锯子的每一次走锯是以2.9英尺/分的恒定进料速度切割三块基材，切割深度为1英寸。对更高功率的需求表明锯片切割效率不高。如表1所示，本发明的锯片试验时未遭致停车，而是在经过那种性能较好的对照锯片即标准锯片切割数的大约两倍时中止了试验。
表1
实施例3在用墙锯切割混凝土墙壁的现场试验中，将新的研磨片段与由Cashion Cutof Hawthorne.CA生产的型号为Cushion Cut WS40的标准锯的研磨片段相比较。两种锯片直径都为24英寸，切割路径(锯口)都为0.187英寸，在20马力液压墙锯床上试验。
对照锯片的片段使用了50％铁和50％青铜的合金。其中金刚石磨粒的体积百分数为5.00％。使用的金刚石磨粒为30/40粒度级别的金刚石磨粒(429～650μm)。这些磨粒在对照锯片的片段中是混乱分布的。
由本发明片段构成的锯片有6个含金刚石磨粒的区域，被5个不含磨粒的区域交替分隔。含金刚石磨粒区域中的基体为含大约45重量％铁和55重量％青铜的合金。金刚石磨粒的体积百分数为4.00％。使用的金刚石磨粒物为30/40粒度级别的金刚石磨粒(429～650μm)，其中的基体为铁-青铜合金，基本上不含磨粒区域的基体为青铜。
结果表明，本发明的含有磨粒的锯片具有5.23英寸-英尺/分的切割速度(以总切割时间为基准计算)，磨损性能为3.22英寸-英尺/密耳。而具有相同金刚石含量的对照锯片，其切割速度为3.30英寸-英尺/分，(以总切割时间为基准计算)，磨损性能18.2英寸-英尺/密耳。实施例4在另一用墙锯切割混凝土墙壁的另一现场试验中，将新的研磨片段与由Dimas Industries of Princeton，IL生产的型号为Dimas W35标准锯片的研磨片段相比较。两种锯片直径都为24英寸，切割路径(锯口)都为0.220英寸，在36马力液压墙锯床上试验。
对照锯片的片段使用了钴青铜粘结料。片段中金刚石磨粒的体积百分数为4.875％，使用的金刚石为40/50粒度级别的金刚石磨粒(302-455μm)。这些磨粒在对照锯片的片段中是混乱分布的。由本发明片段构成的锯片有6个含金刚石磨粒的区域，被5个不含磨粒的区域交替隔开。含金刚石区域中的基体为含大约45重量％铁和55重量％青铜的合金。使用的金刚石物为30/40粒度级别的金刚石磨粒(329～650μm)，分布散在铁-青铜合金的基体中。基本上不含磨粒区域的基体为铜。
这些锯片在15英寸厚的固化混凝土墙壁上作验试，被切割的该壁是要拆除的。该墙壁由大约强度为6000psi的含中至软的骨料的混凝土构成。水泥用两层以12英寸中心距呈水平和垂直安置的1/2英寸钢筋增强。用36马力液压锯进行切割。
结果表明，含有本发明研磨片段的锯片，切割速度为2.44英寸-英尺/分(以总切割时间为基准计算)，磨损性能为57.8英寸-英尺/密耳。而金刚石磨粒含量相同的对照锯片，其切割速度为1.82英寸-英尺/分(以总的切割时间为基准计算)，磨损性能为24.6英寸-英尺/密耳。
应该理解，在不偏离本发明的范围和精神条件下进行的各种修改，对本领域的专家来说是很明显的，并且不难做到。因此在后面所附的权利要求书的范围并不限于前面提到的描述及实施例，可以认为权利要求书包括了存在于本发明中的所有具有专利新颖性的特征，包括本领域中技术人员认为与本发明等价的那些特征。
权利要求
1.一种研磨工具，其特征在于由一心子和连接到心子的研磨片段组成，其中研磨片段由粘结材料和超硬磨粒组成，这些片段含有至少两个分开的环形区域，超硬磨粒以较高浓度和较低浓度交替地分布在这些区域中。
2.权利要求1的研磨工具，其特征在于研磨片段含有一种粘结金属。
3.权利要求2的研磨工具，其特征在于研磨片段中还有次级磨粒。
4.权利要求1的研磨工具，其特征在于心子为金属。
5.权利要求1的研磨工具，其特征在于该研磨工具为一切割锯。
6.一种研磨工具，由一心子和连接到心子的研磨片段组成，其中研磨片段由粘结材料和超硬磨粒组成，这些片段含有至少两个分开的环形区域，超硬磨粒是交替地分布在每一相隔的区域中。
7.权利要求6的研磨工具，其特征在于研磨片段含有一种粘结金属。
8.权利要求7的研磨工具，其特征在于研磨片段中还有次级磨粒。
9.权利要求6的研磨工具，其特征在于心子为金属。
10.权利要求6的研磨工具，其特征在于该研磨工具为一切割锯。
全文摘要
本发明涉及一种由一个心子和连接到所述心子上的许多研磨片段组成的研磨工具，所述的研磨片段由一种粘结材料和超硬磨粒组成，所述的片段含有至少两个分开的环形区域，所述的磨粒以较高和较低的浓度交替地分散在所述区域中。本发明进一步涉及一种由一个心子和连接到所述心子上的许多研磨片段组成的研磨工具，所述的研磨片段由一种粘结材料和超硬磨粒组成，所述的片段含有至少两个分开的环形区域，所述的磨粒交替地分散在每一相隔的区域。
文档编号B24D5/06GK1147783SQ95193039
公开日1997年4月16日 申请日期1995年2月28日 优先权日1994年5月13日
发明者K·S·费希尔 申请人:诺顿公司