本實(shí)用新型涉及一種用于自蔓延反應(yīng)快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置。
背景技術(shù):
目前,金屬結(jié)合劑超硬磨具與鉆具的制作方法主要有電鍍法、燒結(jié)法和高溫釬焊法三種。
電鍍超硬磨具與鉆具以鎳或鎳合金作為鍍層金屬結(jié)合劑,但金剛石磨料與鍍層金屬之間僅存在機(jī)械鑲嵌作用,鍍層金屬對(duì)磨料把持強(qiáng)度低,磨料出露高度低,如果采用增加鍍層金屬厚度方法提高對(duì)磨料的把持強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致磨料出露高度和容屑空間減小,工具容易發(fā)生堵塞,散熱效果很差,使其加工效率和使用壽命受到了限制。此外,在制造過(guò)程中產(chǎn)生的電鍍廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
燒結(jié)超硬磨具與鉆具采用鈷、鐵、錫、青銅、鎳合金為主要金屬結(jié)合劑材料,由于金剛石磨料與金屬結(jié)合劑難以形成化學(xué)結(jié)合,金剛石磨料也只是被機(jī)械包埋在金屬結(jié)合劑中,金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料把持強(qiáng)度低,工具出刃能力差,限制了其加工效率和使用壽命的提高。
單層釬焊超硬磨具與鉆具,其原理是利用高溫釬焊方法通過(guò)磨料、釬料和基體三者之間的化學(xué)冶金反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磨料的牢固把持,使其具有加工效率高、容屑空間大、磨料利用率高、工件表面不易燒傷等顯著優(yōu)勢(shì),但是由于受到釬焊工藝過(guò)程本身的限制,單層磨料消耗完后沒(méi)有后繼磨料補(bǔ)充,限制了其使用壽命的進(jìn)一步提高。
自蔓延高溫合成技術(shù)是在外部能量誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)(點(diǎn)燃)后,利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱,使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,同時(shí)合成出新材料。該技術(shù)因其耗能少, 投資少,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單, 生產(chǎn)效率高, 成本低,產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。利用其短時(shí)間高溫的特點(diǎn)可以快速制造金剛石工具,不僅可以提高金剛石工具的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)能耗,而且很可能使金剛石與金屬結(jié)合劑之間形成化學(xué)結(jié)合,提高金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的把持強(qiáng)度。
目前,由于采用自蔓延高溫合成技術(shù)制備的金剛石工具所使用的金屬結(jié)合劑為低放熱體系,其預(yù)熱引發(fā)方式一般為電阻絲加熱或電阻絲加熱后電弧放電或激光加熱,反應(yīng)設(shè)備為自蔓延反應(yīng)容器或馬弗爐,預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)或設(shè)備投資大。此外,自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物是多孔組織燒結(jié)體,孔隙率一般為10%~50%,較大孔隙率對(duì)金屬結(jié)合劑的硬度和耐磨性、金屬結(jié)合劑與金剛石之間的界面結(jié)合強(qiáng)度均會(huì)造成不利影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于快速制備的致密超硬磨具與鉆具的自蔓延反應(yīng)裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
一種用于自蔓延反應(yīng)快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置,包括承重臺(tái)、支撐柱、絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、螺母、減速機(jī)、支撐板、壓桿、石墨壓頭、石墨外模、壓坯、感應(yīng)線圈、石英管、工作臺(tái)、進(jìn)氣口,其特征在于,
裝置一側(cè)為承重臺(tái),承重臺(tái)上固定鑲嵌支撐板,裝置另一側(cè)為工作臺(tái),工作臺(tái)呈“山”型,壓坯、石墨壓頭和一組石墨外模組裝后放置于工作臺(tái)上,所述石墨外模帶有觀察口,壓坯外面套上雙開(kāi)口石英管,感應(yīng)線圈環(huán)繞于石墨外模頂端位置稍低于壓坯頂端,通過(guò)壓桿升降系統(tǒng)安裝于支撐柱上的壓桿輕壓于石墨壓頭頂端,所述壓桿升降系統(tǒng)由絲杠螺母副、導(dǎo)軌滑塊副、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)、支撐板組成,工作臺(tái)內(nèi)部設(shè)有進(jìn)氣口,進(jìn)氣口由工作臺(tái)外側(cè)通向工作臺(tái)中部突出的頂端,且在工作臺(tái)中部突出部分橫向貫通。
優(yōu)選的,所述超硬磨具與鉆具壓坯的壓實(shí)密度為理論密度的50–90%,所述壓制模具材料為Cr12MoV,壓力大小為20~350MPa。
優(yōu)選的,所述感應(yīng)線圈通過(guò)的電流頻率范圍為1KHz~200KHz。
優(yōu)選的,所述壓桿升降系統(tǒng)可以由氣缸或液壓缸、方向閥、壓力閥、流量閥、導(dǎo)軌滑塊副、支撐板組成。
通過(guò)感應(yīng)線圈加熱壓坯鋼基體和石墨外模使熱量迅速傳遞給壓坯工作層從而引發(fā)自蔓延反應(yīng),在自蔓延反應(yīng)剛結(jié)束反應(yīng)產(chǎn)物還處于紅熱時(shí)通過(guò)該壓桿升降系統(tǒng)使壓桿施壓于石墨壓頭頂端從而獲得致密超硬磨具與鉆具。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型用于快速制備的致密超硬磨具與鉆具的自蔓延反應(yīng)裝置具有優(yōu)點(diǎn)如下:
1.本實(shí)用新型的一種用于自蔓延反應(yīng)的裝置,其功能是通過(guò)感應(yīng)加熱引發(fā)自蔓延反應(yīng)并在反應(yīng)剛完成時(shí)施以高壓制備致密超硬磨具與鉆具,預(yù)熱時(shí)間短,利用自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的短時(shí)間高溫使得超硬磨料與金屬結(jié)合劑形成化學(xué)結(jié)合,金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料把持強(qiáng)度高,金剛石力學(xué)性能損失小,制備的超硬磨具與鉆具加工效率高、耐磨性能好、使用壽命長(zhǎng)。
2. 本實(shí)用新型一種用于自蔓延反應(yīng)的裝置具有預(yù)熱時(shí)間短、反應(yīng)速度快、生產(chǎn)效率高、能耗低、工藝簡(jiǎn)單、投資和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1 為自蔓延反應(yīng)平臺(tái)。
圖2 為帶有觀察窗的石墨外模。
承重臺(tái)-1、支撐柱-2、絲杠-3、導(dǎo)軌-4、滑塊-5、螺母-6、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)-7、支撐板-8、壓桿-9、石墨壓頭-10、石墨外模-11、壓坯-12、感應(yīng)線圈-13、石英管-14、工作臺(tái)-15、氬氣進(jìn)氣口-16。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述,以使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解,從而對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
一種用于自蔓延反應(yīng)快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置,包括承重臺(tái)(1)、支撐柱(2)、絲杠(3)、導(dǎo)軌(4)、滑塊(5)、螺母(6)、減速機(jī)(7)、支撐板(8)、壓桿(9)、石墨壓頭(10)、石墨外模(11)、壓坯(12)、感應(yīng)線圈(13)、石英管(14)、工作臺(tái)(15)、進(jìn)氣口(16),其特征在于,
裝置一側(cè)為承重臺(tái)(1),承重臺(tái)(1)上固定鑲嵌支撐柱(2),裝置另一側(cè)為工作臺(tái)(15),工作臺(tái)(15)呈“山”型,壓坯(12)、石墨壓頭(10)和一組石墨外模(11)組裝后放置于工作臺(tái)(15)上,所述石墨外模(11)帶有觀察口,壓坯(12)外面套上雙開(kāi)口石英管(14),感應(yīng)線圈(13)環(huán)繞于石墨外模(11)頂端位置稍低于壓坯(12)頂端,通過(guò)壓桿升降系統(tǒng)安裝于支撐柱(2)上的壓桿(9)輕壓于石墨壓頭(10)頂端,所述壓桿升降系統(tǒng)由絲杠(3)螺母(6)副、導(dǎo)軌(4)滑塊(5)副、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)(7)、支撐板(8)組成,工作臺(tái)(15)內(nèi)部設(shè)有進(jìn)氣口(16),進(jìn)氣口(16)由工作臺(tái)(15)外側(cè)通向工作臺(tái)(15)中部突出的頂端,且在工作臺(tái)(15中部突出部分橫向貫通。
優(yōu)選的,所述超硬磨具與鉆具壓坯的壓實(shí)密度為理論密度的50–90%,所述壓制模具材料為Cr12MoV,壓力大小為20~350MPa。
優(yōu)選的,所述感應(yīng)線圈(13)通過(guò)的電流頻率范圍為1KHz~200KHz。
優(yōu)選的,所述壓桿升降系統(tǒng)可以由氣缸或液壓缸、方向閥、壓力閥、流量閥、導(dǎo)軌(4)滑塊(5)副、支撐板(8)組成。
通過(guò)感應(yīng)線圈(13)加熱壓坯(12)鋼基體和石墨外模(11)使熱量迅速傳遞給壓坯(12)工作層從而引發(fā)自蔓延反應(yīng),在自蔓延反應(yīng)剛結(jié)束反應(yīng)產(chǎn)物還處于紅熱時(shí)通過(guò)該壓桿升降系統(tǒng)使壓桿(9)施壓于石墨壓頭(10)頂端從而獲得致密超硬磨具與鉆具。
一種用于自蔓延反應(yīng)的裝置,用于制備的致密超硬磨具與鉆具,所述超硬磨具與鉆具的外徑為4–100 mm,所述超硬磨具與鉆具的結(jié)構(gòu)分為工作層和基體兩個(gè)部分,所述工作層組分包括金屬結(jié)合劑和超硬磨料,所述金屬結(jié)合劑包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co,所述基體材料為中碳鋼。
所述金屬結(jié)合劑中Al和Ti的質(zhì)量比例為0.5:1–2:1,且Al和Ti的總重量份數(shù)為15–45份,Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份數(shù)為0–10份,Sn粉重量份數(shù)為2–6份,Cu粉重量份數(shù)為20–70份,F(xiàn)e粉重量份數(shù)為0–30份,且Cu粉和Fe粉的總質(zhì)量份數(shù)為50–70份,所述超硬磨料為金剛石或立方氮化硼,濃度為30–140%,粒度為25/30–230/270目。
一種基于自蔓延反應(yīng)的致密超硬磨具與鉆具的快速制備方法,包括以下步驟:
步驟1、將Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co粉末按照所定配比稱量后放入球磨機(jī)中充分混合均勻,然后添加超硬磨料再進(jìn)行混料,混料過(guò)程均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行,從而獲得工作層粉料,其中,所述球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min,球磨時(shí)間為4h,球料比為1:5,鋼球和粉料總體積不超過(guò)球磨罐體積的50%。
步驟2、將步驟1所獲得的工作層粉料與基體一起放入壓制模具中壓制成型,獲得超硬磨具與鉆具壓坯,其中,所述壓制模具材料為Cr12MoV,壓力大小為20MPa,所述壓坯壓實(shí)密度為理論密度的50%。
步驟3、將步驟2所獲得的超硬磨具與鉆具壓坯(12)與石墨壓頭(10)、石墨外模(11)組裝后放置于工作臺(tái)(15)上,所述石墨外模(11)帶有觀察口,超硬磨具與鉆具壓坯(12)外面套上雙開(kāi)口石英管(14),感應(yīng)線圈(13)頂端位置稍低于超硬磨具與鉆具壓坯(12)頂端,通過(guò)壓桿升降系統(tǒng)安裝于支撐柱(2)上的壓桿(9)輕壓于石墨壓頭(10)頂端,所述壓桿升降系統(tǒng)由絲杠(3)螺母(6)副、導(dǎo)軌(4)滑塊(5)副、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)(7)、支撐板(8)組成,支撐板(2)固定于承重臺(tái)(1)上,通過(guò)感應(yīng)線圈(13)加熱壓坯(12)鋼基體和石墨外模(11)使熱量迅速傳遞給壓坯(12)工作層從而引發(fā)自蔓延反應(yīng),在自蔓延反應(yīng)剛結(jié)束反應(yīng)產(chǎn)物還處于紅熱時(shí)通過(guò)該壓桿升降系統(tǒng)使壓桿(9)施壓于石墨壓頭(10)頂端從而獲得致密超硬磨具與鉆具,其中,所述感應(yīng)線圈(12)通過(guò)的電流頻率范圍為200KHz,所述石英管(14)外徑為15mm,加熱時(shí)以氬氣作為保護(hù)氣氛,保護(hù)氣氛從進(jìn)氣口(16)進(jìn)入。
不局限于此,任何不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。