專利名稱：自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種金屬結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法，尤其是一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法。
背景技術(shù)：
金剛石砂輪通常采用金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑或樹脂結(jié)合劑制造。其中，金屬結(jié) 合劑砂輪具有良好的型面保持能力、理想的使用壽命和較高的磨削效率，廣泛用于石材、陶 瓷、耐火材料、硬質(zhì)合金、磁性材料、半導(dǎo)體材料等非金屬材料及有色金屬材料等加工領(lǐng)域。金屬結(jié)合劑金剛石砂輪通常采用粉末冶金法制造，其制造工藝主要包括混料、壓 制成型、燒結(jié)、后加工等。制造工藝對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的使用性能具有直接的影響。 現(xiàn)有金屬結(jié)合劑砂輪毛坯的生產(chǎn)方法，主要有以下三種冷壓成型-燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法和 半熱壓燒結(jié)法。冷壓成型_燒結(jié)法是將成型料在鋼模具中施加一定壓力壓制成毛坯，卸模后在爐 中進(jìn)行無壓燒結(jié)。其主要缺點(diǎn)是成型壓力大、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、力學(xué)性能和使用性能 差。特別是，無壓燒結(jié)過程中需要提供大量能源使坯體達(dá)到燒結(jié)的目的，燒結(jié)保溫時(shí)間在1 至2小時(shí)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，所以現(xiàn)在一般較少采用這種方法。熱壓燒結(jié)法通常分為中頻感應(yīng)加熱和大電流電阻加熱兩種方式。此方法一般是在 石墨模具中將成型料同時(shí)加熱和加壓(即直接熱壓燒結(jié))，或先將成型料在鋼模具中冷壓 成一定密度和強(qiáng)度的毛坯，然后在石墨模具中熱壓燒結(jié)，其主要缺點(diǎn)1、制備的磨具大小受 到石墨模具的限制，一般直徑在300mm以下；2、采用中頻感應(yīng)和大電流電阻加熱升溫過程 中消耗大量的能源；3、每次燒結(jié)的產(chǎn)品有限，生產(chǎn)效率較低。半熱壓燒結(jié)法是先在鋼模具中將成型料預(yù)壓制成具有一定密度和強(qiáng)度的毛坯，然 后隨模具或更換外模進(jìn)行無壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束后出爐加壓，將毛坯壓制到設(shè)計(jì)密度。此法一 般適合生產(chǎn)較大尺寸的磨具，其主要缺點(diǎn)需要保溫加熱30分鐘左右，并且一次燒結(jié)的產(chǎn) 品數(shù)量在1-10個(gè)左右，這就造成的能源的大量消耗，生產(chǎn)效率減低。目前以上述方法生產(chǎn)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪所采用的結(jié)合劑體系，主要有 Cu-Sn體系，例如日本專利特開昭58-217271所采用的；Ni-Cu-Sn體系，例如中國(guó)專利號(hào) 200410031285. 1所采用的；Al-Cu體系，例如中國(guó)專利號(hào)200610037510. 1所采用的。上述結(jié) 合劑體系采用的燒結(jié)方法為直接熱壓燒結(jié)或半熱壓，都是外部提供熱量達(dá)到燒結(jié)的目的。 為防止金剛石的石墨化，燒結(jié)溫度一般控制在900°C以下。燒結(jié)過程中上述體系結(jié)合劑不能 產(chǎn)生放熱反應(yīng)，并且結(jié)合劑與金剛石磨粒之間不能形成碳化物，因而不能實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。雖 然在金屬結(jié)合劑中添加的強(qiáng)碳化物形成元素，有可能與金剛石表面形成碳化物層，提高結(jié) 合劑對(duì)金剛石的把持，但通常碳化物層的形成需要在1200°C的高溫下才能實(shí)現(xiàn)。所以，在通 常的燒結(jié)條件下，強(qiáng)碳化物形成元素與金剛石表面很難形成連續(xù)均勻的碳化物層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目 的是提供一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法，解決 目前金屬結(jié)合劑金剛石砂輪燒結(jié)工藝能量消耗大，生產(chǎn)效率低的問題，同時(shí)通過使結(jié)合劑 與磨料之間形成碳化物，提高金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，進(jìn)而提高砂輪的磨削效率和 使用壽命。為了達(dá)到上述目的采用以下技術(shù)方案一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪， 主要包括工作層和非工作層，所述的工作層和非工作層分別包含以下重量份的原料工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50 80份、Al 3 20份、Ti 5 20份、Ni 5 20份、Sn 4 10份、Co 0 5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下，磨料為金剛石，粒度 為70/80 600/700，濃度 20% 100% ；非工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50 80份，Al 3 20份，Ti 5 20份，Ni5 20份，Sn 4 10份，Co 0 5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下；非工作層的金屬粉末與工作層金屬粉末的組分及組分含量相同。一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其優(yōu)選組分及含量為結(jié)合劑的金屬粉 末為Cu 63份、Al 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份、Co 3份；金剛石濃度100%，粒度 80/100。自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法包括以下步驟A 將結(jié)合劑的金屬粉末按照比例稱量后放入三維混料機(jī)中充分混合均勻，然后稱 量非工作層所需結(jié)合劑得到非工作層料，稱量工作層所需結(jié)合劑并加入金剛石充分混合得 到工作層料；B 將砂輪非工作層料和工作層料分別均勻地投入到模具預(yù)留的模腔中，刮平；并 置于壓機(jī)上壓制成型，得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；C 將馬弗爐升溫至500°C 650°C，迅速將步驟B得到的金剛石砂輪的壓坯置于馬 弗爐中，引發(fā)自蔓延反應(yīng)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密 化，最后隨爐冷卻至室溫，隨爐冷卻至室溫，即得到金剛石砂輪產(chǎn)品。本發(fā)明采用的燒結(jié)方法為自蔓延燒結(jié)，其主要原理是通過引燃結(jié)合劑中的活性成 分產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并依靠放出的熱量繼續(xù)反應(yīng)，同時(shí)通過控制反應(yīng)的放熱溫度、反應(yīng)速 度等條件，直接完成所需形狀和尺寸的產(chǎn)品的燒結(jié)。其過程為將粉末或壓坯直接點(diǎn)燃，點(diǎn) 燃后斷電，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化。自蔓延燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)主要有 燒結(jié)過程所需設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少；反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)完成快，燒結(jié)效率高；整個(gè)燒結(jié)過程只 需點(diǎn)燃即可利用自身放出的熱量完成，無需外界再提供能量，能量消耗很少；自蔓延燒結(jié)瞬 間放出的熱量高，有利于形成新物質(zhì)和提高產(chǎn)物純度。本發(fā)明主要是利用高溫裝爐來點(diǎn)燃原材料之間的反應(yīng)，利用反應(yīng)放出的熱量來達(dá) 到燒結(jié)的目的。結(jié)合劑由Cu、Al、Ti、Ni、Sn、Co組成，其中放熱反應(yīng)主要是指Al與Ti、Ni 之間的反應(yīng)，利用他們放出的熱量來維持燒結(jié)的進(jìn)行。同時(shí)，Cu基金屬結(jié)合劑中加入Ti元 素能夠降低胎體與金剛石的接觸角，改善胎體與金剛石的粘接強(qiáng)度；Ti元素的加入還能通 過對(duì)金剛石的化學(xué)作用生成碳化物，提高對(duì)金剛石的把持力，提高金剛石砂輪的磨削性能 和使用壽命。M能夠與Al發(fā)生反應(yīng)，為整個(gè)燒結(jié)過程提供更多的熱量，M還能夠?qū)Y(jié)合劑 起到彌散強(qiáng)化的作用，提高結(jié)合劑強(qiáng)度，從而提高結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力。Ni元素加入到Cu-Ti合金中能夠進(jìn)一步提高材料的機(jī)械性能。Sn元素為低熔點(diǎn)金屬，它的加入能夠改善 Cu基結(jié)合劑自身性能以及結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，適應(yīng)磨削加工要求。Co的加入是為了 提高結(jié)合劑的強(qiáng)度，以滿足磨削加工不同工件的需要。非工作層的金屬粉末與工作層金屬粉末體系一致，主要是考慮到使磨具在燒結(jié)過 程中工作層和非工作層在反應(yīng)過程中放熱一致，避免因工作層放熱非工作層不發(fā)生放熱反 應(yīng)而吸收工作層放出的熱量，并有可能導(dǎo)致燒結(jié)不徹底；使工作層與非工作層收縮膨脹率 一致，防止磨具形狀發(fā)生變化。自蔓延反應(yīng)燒結(jié)與上述傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝相比，具有節(jié)約能源，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)， 并能夠降低投資和生產(chǎn)成本；另外，自蔓延燒結(jié)過程中瞬間產(chǎn)生高溫，金剛石表面與結(jié)合劑 中的強(qiáng)碳化物形成元素Ti有效形成碳化鈦，顯著提高結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，從而提高 砂輪的磨削效率和使用壽命。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，主要包括工作層和非工作層，所述的工 作層和非工作層分別包含以下重量份的原料工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50 80份、Al 3 20份、Ti 5 20份、Ni 5 20份、Sn 4 10份、Co 0 5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下，磨料為金剛石，粒度 為70/80 600/700，濃度 20% 100% ；非工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50 80份，Al 3 20份，Ti 5 20份，Ni5 20份，Sn 4 10份，Co 0 5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下；非工作層的金屬粉末與工作層金屬粉末的組分及組分含量相同。其中，粒度為磨?？梢酝ㄟ^和不能通過的兩個(gè)相鄰篩網(wǎng)的篩孔尺寸，以2. 54厘米 (1英寸)長(zhǎng)度中的篩孔數(shù)目，并簡(jiǎn)稱為目，參見中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6406-1996 ；濃度為金剛 石在工作層胎體中分布的密度(即單位體積內(nèi)所含金剛石的重量)，國(guó)標(biāo)GB/T6409. 1-94規(guī) 定，每立方厘米工作層胎體中含4. 4克拉的金剛石時(shí)，其濃度為100%，含3. 3克拉的金剛石 時(shí)，其濃度為75%。制備方法為將結(jié)合劑的金屬粉末按照比例稱量后放入混料機(jī)中充分混合均勻， 然后稱量非工作層所需結(jié)合劑得到非工作層料，稱量工作層所需結(jié)合劑并加入金剛石充分 混合得到工作層料；將砂輪非工作層料和工作層料分別均勻地投入到模具預(yù)留的模腔中， 刮平；并置于壓機(jī)上壓制成型，得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；將金剛石砂輪的壓坯 置于升溫至500°C 650°C的爐中，使其快速升溫，引燃砂輪工作部分和非工作部分成型料 中Al與Ti、Al與Ni之間的反應(yīng)，當(dāng)紅外測(cè)溫系統(tǒng)顯示溫度超過爐溫50°C即可以判定反應(yīng) 開始，斷開電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化，進(jìn)而達(dá)到燒結(jié)的目的， 即自蔓延反應(yīng)，隨爐冷卻至室溫，即得到金剛石砂輪產(chǎn)品。其中，混料機(jī)可以是磨料磨具行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何形式的混料機(jī)。實(shí)施例2一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為<P60mmX5mm(砂輪厚 度)X10mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；
結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 63份、Al 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份。金剛石濃度100%，粒度70/80。制備方法包括以下步驟1.將結(jié)合劑中各種金屬粉末按照比例稱量后，放入到混料機(jī)中，加入濕潤(rùn)劑液體 石蠟混合均勻，時(shí)間為40分鐘；2.稱出工作層所需結(jié)合劑，加入金剛石充分混合均勻，時(shí)間30分鐘；3.將得到的工作層料和非工作層料按照模具預(yù)留的位置，裝入鋼模中壓制成型， 得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；
4.將壓坯置于升溫至550°C的馬弗爐中，引發(fā)坯體發(fā)生自蔓延反應(yīng)，在空氣中自 由燒結(jié)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化，最后隨爐冷卻 至室溫，即得到所需的金剛石砂輪。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例3一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為φ 100mmX5mm(砂輪厚 度)X10mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 69份、Al 5份、Ni 10份、Ti 5份、Sn 8 份、Co 3份。金剛石濃度75%，粒度140/170。制備方法包括以下步驟1.將各種結(jié)合劑金屬粉末按照配方的份額稱量后，放入到混料機(jī)中，加入濕潤(rùn)劑 液體石蠟混合均勻，時(shí)間為40分鐘；2.稱出工作層所需結(jié)合劑，加入金剛石充分混合均勻，時(shí)間30分鐘；3.將得到的工作層料和非工作層料按照模具預(yù)留的位置，裝入鋼模中壓制成型， 得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；4.將壓坯置于升溫至500°C的馬弗爐中，引發(fā)坯體發(fā)生自蔓延反應(yīng)，在空氣中自 由燒結(jié)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化，最后隨爐冷卻 至室溫，即得到所需的砂輪。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例4一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為φ 60mmX3mm(砂輪厚 度)X10mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 66份、Al 10份、Ni 6份、Ti 12份、Sn 6份。金剛石濃度75%，粒度80/100。具體的制備方法如下1.將上述配方所需要的各種結(jié)合劑粉末按照配方的份額稱量后，放入到混料機(jī) 中，加入濕潤(rùn)劑液體石蠟混合均勻，時(shí)間為40分鐘；2.稱出工作層所需結(jié)合劑，加入金剛石充分混合均勻，時(shí)間30分鐘；
3.將步驟2得到的工作層和非工作層結(jié)合劑按照模具預(yù)留的位置，裝入鋼模中壓制成型得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；4.將步驟3得到的坯體，置于升溫至600°C的馬弗爐中，引發(fā)坯體發(fā)生自蔓延反 應(yīng)，在空氣中自由燒結(jié)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化， 最后隨爐冷卻至室溫，即得到所需的砂輪。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例5一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為φ 40mmX3mm(砂輪厚 度)X10mm(內(nèi)孔)X3mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 67份、Al 7份、Ni 10份、Ti 10份、Sn 6份。金剛石濃度100%，粒度325/400。具體的制備方法如下1.將上述配方所需要的各種結(jié)合劑粉末按照配方的份額稱量后，放入到混料機(jī) 中，加入濕潤(rùn)劑液體石蠟混合均勻，時(shí)間為40分鐘；2.稱出工作層所需結(jié)合劑，加入金剛石充分混合均勻，時(shí)間30分鐘；3.將步驟2得到的工作層和非工作層結(jié)合劑按照模具預(yù)留的位置，裝入鋼模中壓 制成型得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；4.將壓坯置于升溫至650°C的馬弗爐中，引發(fā)坯體發(fā)生自蔓延反應(yīng)，在空氣中自 由燒結(jié)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化，最后隨爐冷卻 至室溫，即得到所需的砂輪。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例6一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為ip80mmX6mm(砂輪厚 度)X20mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 51份、Al 15份、Ni 18份、Ti 12份、Sn 4份。金剛石濃度50%，粒度450/500。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例7一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為Φ 120mmX3mm(砂輪厚 度)X25.4mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 74份、Al 10份、Ni 5份、Ti 7份、Sn 4 份。金剛石濃度25%，粒度270/325。其他同實(shí)施例1。實(shí)施例8一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格為Φ 100mmX3mm(砂輪厚 度)X20mm(內(nèi)孔)X5mm(工作層環(huán)寬)；結(jié)合劑中含有以下重量份的金屬粉末Cu 58份、Al 6份、Ni 10份、Ti 18份、Sn 5份、Co 3份。金剛石濃度50%，粒度500/600。
其他同實(shí)施例1。實(shí)施例9
一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 63 70份、Al 5 10份、Ni 5 12份、Ti 10 15份、Sn 6 10份、Co 3 5份；金剛石濃度75% 100%，粒度 80/100 325/400。其他同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，主要包括工作層和非工作層，其特征是所述的工作層和非工作層分別包含以下重量份的原料工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下，磨料為金剛石，粒度為70/80～600/700，濃度 20％～100％；非工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50～80份，Al 3～20份，Ti 5～20份，Ni 5～20份，Sn 4～10份，Co 0～5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下；非工作層的金屬粉末與工作層金屬粉末的組分及組分含量相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其特征是結(jié)合劑的金 屬粉末為Cu 63 70份、A1 5 10份、Ni 5 12份、Ti 10 15份、Sn 6 10份、Co 3 5份；金剛石濃度75% 100%，粒度80/100 325/400。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其特征是結(jié)合劑的金 屬粉末為Cu 63份、A1 7份、Ni 5份、Ti 15份、Sn 10份、Co 3份；金剛石濃度100%，粒度 80/100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其特征是制備 方法包括以下步驟A 將結(jié)合劑的金屬粉末按照比例稱量后放入混料機(jī)中充分混合均勻，然后稱量非工作 層所需結(jié)合劑得到非工作層料，稱量工作層所需結(jié)合劑并加入金剛石充分混合得到工作層 料；B 將砂輪非工作層料和工作層料分別均勻地投入到模具預(yù)留的模腔中刮平；并置于 壓機(jī)上壓制成型，得到金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的壓坯；C:將馬弗爐升溫至500°C 650°C，迅速將步驟B得到的金剛石砂輪的壓坯置于馬弗爐 中，引發(fā)自蔓延反應(yīng)，然后關(guān)閉電源，不加外來載荷，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化，最 后隨爐冷卻至室溫，即得到金剛石砂輪產(chǎn)品。
全文摘要
一種自蔓延燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，主要包括工作層和非工作層，工作層結(jié)合劑的金屬粉末為Cu 50～80份、Al 3～20份、Ti 5～20份、Ni 5～20份、Sn 4～10份、Co 0～5份，金屬粉末平均粒徑為38微米以下，磨料為金剛石，粒度為70/80～600/700，濃度20％～100％；非工作層的金屬粉末與工作層金屬粉末的組分及組分含量相同。自蔓延反應(yīng)燒結(jié)與上述傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝相比，具有節(jié)約能源，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，并能夠降低投資和生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B24D18/00GK101934501SQ201010263648
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者劉明耀, 夏舉學(xué), 邵俊永 申請(qǐng)人:鄭州磨料磨具磨削研究所;鄭州三磨超硬材料有限公司