[发明专利]金属与金刚石复合体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属与金刚石复合体的制造方法。所使用的方法采用轧制技术。

背景技术

金属与金刚石复合体是金属结合剂金刚石工具的工作部分。人造金刚石是人造晶体，一般应用的颗粒直径在0.5mm以下，金刚石硬度高达HV9000～10000，其晶体结构在常压大气条件下770℃以下稳定，超过770℃即氧化，随温度升高而氧化加剧。由于工业金刚石颗粒尺寸较小，在制造磨具过程中一般需用结合剂将颗粒粘结成块体，即为复合体。作为磨具结合剂材料可以用金属、树脂、陶瓷、橡胶或电镀，主要作用是使细小的金刚石颗粒镶嵌、夹持在结合剂中形成可用的块体。金属结合剂金刚石磨具一般用来磨削玻璃、石材等硬脆材料及有色金属等。

传统的金属结合剂超硬复合体的制造方法如下：冷压-保护气氛烧结法：将计算量的金刚石磨粒与计算量的金属粉末混合均匀，装入所需形状、尺寸的模具中，在压力机上压制成形，压制力3～5吨/厘米²；冷压成型压制过程实质是成型料粉末颗粒在压制力作用下发生位移、变形、接触面积增加，气孔减少，从而密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度坯体的过程^[1]。成形后，需要在合适的温度下烧结，目的是使金属粉末颗粒之间形成熔焊连接形成块体，使金刚石颗粒镶嵌其中，得到良好的夹持，以便金刚石颗粒在磨削过程中不过早脱落，起到磨削作用。由于金刚石自身性能的限制，烧结温度最高不能高于850℃，否则金刚石将发生石墨化转变，使其磨削能力下降，甚至失去磨削作用。同时，由于金属粉末的抗氧化能力极差，在烧结过程中还要通入还原性气氛加以保护，如氢气、煤气等。为了使烧结充分，一般在烧结温度下保温45～60分钟。冷压成型操作比较方便，其最主要优点有生产率高很适合于大批量生产；操作简单，操作条件比较好；冷压成型有许多不足之处，有以下几个方面：成型压力大，一般需要4～5吨/厘米²的单位压力，在这样大的压力条件下，将有部分金刚石颗粒被压碎，从而影响砂轮的内在质量；另一方面，必须要有大吨位的压机，设备投资费用将成倍增加；用冷压法成型形状复杂的砂轮非常困难，因此不利于新产品的生产和发展；烧结工艺比较复杂，必须有气氛保护，多数产品都要用夹具紧固烧结，否则会氧化和变形；废品率较高，成品率较低；冷压过程中坯体弹性后效大，坯体强度低。所谓的弹性后效是指除去压制力和压坯脱模后，由于内应力的作用，压坯发生弹性膨胀现象^[2]。这一现象除会引起压坯出现裂纹、变形和分层之外，还会由于残余内应力的不良影响烧结质量。另一重要问题是金属粉末由于生产、储运、存放等过程，极易发生颗粒表面氧化问题，故此，在使用前一般需要金属粉末还原处理，过程很麻烦，如控制不好，还会加重氧化。

热压烧结法，压制与烧结同时进行。将计算量的金刚石磨粒与计算量的金属粉末充分混匀，装入石墨模具中，置于热压烧结机上，一般热压烧结机采用直接通电加热方式，也有采用中频感应加热方法，主要过程是边压制边加压，同时到达指定温度和压力，并经1～10分钟的短时保温，然后自然冷却并卸除压力^[3]。主要优点是操作简单、成型烧结速度快，而且成型压力小，0.2～0.4吨/厘米²，保温时间短，温度也较低，规格不大的磨具，用这种工艺方法更具有优越性。

除此之外，还有在以上两种方法基础上稍作改变的一些方法，但基本方法未变，其共同点就是金刚石磨粒与金属粉末均匀混合，然后压制成块体稍后或同时烧结，使金刚石磨粒镶嵌、夹持在烧结成块体的金属结合剂中。这里有如下难以克服的问题：第一，大多数金属粉末比同种类的金属块体更易氧化(比表面积大)，金属粉末在使用前的还原处理及采用热压都是为解决这一问题，但事实证明，还是经常出现颗粒表面层氧化而影响复合体质量的问题。第二，几乎所有的金属粉末的价格都高于金属板材、管材等，并且粉末烧结后的性能都大大低于同类金属的块体(密度小于块体)，密度也相对较低，因而使复合体质量难以满足要求。第三，由于要考虑金刚石对温度的承受能力，在金属粉末烧结过程中及金属粉末成分配比时，往往受温度的限制而加入低熔点物质，如Sn、Zn等，因而牺牲了烧结后块体的性能。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种金属与金刚石复合体的制造方法，该方法可替代金属粉末热压烧结方法和冷压烧结方法，可获得比上述热压和冷压烧结更高的致密性和比常规方法更高的磨料含量；可在轧制过程中由于沿轧制方向流变使金属颗粒及表面保持新鲜而有利于烧结结合，可提高磨料与结合剂金属的结合强度，从而提高产品的使用性能。