用于金刚石工具制造的铜基粘结剂

摘要

本发明涉及粉末冶金，更确切地说，涉及复合材料的生产方法，本发明可用于制造建筑工业和石材加工中需要的金刚石工具的铜基粘结剂。该铜基粘结剂包括以下比率(wt.％)的成分：铜(30～60)，铁(20～35)，钴(10～15)，锡(0～10.5)，碳化钨(0～20)以及合金添加剂。根据第一个变型方式，合金添加剂是以6～25m

说明书

发明领域

本发明涉及粉末冶金，更具体地说，涉及复合材料的生产方法，本发明 可用于制造适合于建筑工业和石材加工中需要的金刚石工具所用的铜基粘结 剂，包括不同设计的用于高速公路和跑道维修、冶金厂和核电站的翻新、桥 梁及其它建筑物改造的分段裁切砂轮，以及用于切割高强度钢筋混凝土的钻 头和分段裁切砂轮。

粘结剂影响工具的设计。粘结剂决定外壳材料的选择和将金刚石焊层与 该外壳层结合(bounding)的方法。粘结剂的物理和机械特性决定了磨料金刚 石工具的潜在的形状和大小。

背景技术

已知一种钻石工具粘结剂(RU 2286241C2，公开于2006.07.07)包括一种 选自元素周期表中铁族的金属、碳化钛和一种金属/非金属化合物。所述粘结 剂还包括用于增加粘结剂强度和金刚砂粘合性的碳化锆。

所述已知的粘结剂的缺点是使用了昂贵并且有害的钴，对高强度钢筋混 凝土的切割速度降低，且工具寿命更短。

此处公开的发明的原型是一种由铜基和锡、镍、铝和超细粒度金刚石添 加剂组成的金刚石工具粘结剂(RU 2172238C2，公开于2001.08.20，分类号 B24D 3/06)。

所述材料的缺点是耐磨性、硬度、强度和冲击韧性不足。

本发明的目的是提供具有更高耐磨性、硬度、强度和冲击韧性的金刚石 工具粘结剂而不必显著提高需要的烧结温度。

发明内容

以下是根据此处公开的发明提供的金刚石工具粘结剂的几种实例，其中 所述目的是通过添加作为主要的粘结剂成分的铜族金属和纳米粉末形式的合 金添加剂达到的。

铜基金刚石工具粘结剂含有如下比例的成分，wt.％(重量百分比)：

Cu(铜)＝30～60

Fe(铁)＝20～35

Co(钴)＝10～15

Sn(锡)＝0～10.5

WC(碳化钨)＝0～20

合金添加剂＝1～15。

合金添加剂是以6～25m²/g比表面积纳米粉末的形式添入。

在特定的实施方案中，合金添加剂可以是碳化钨或钨或钼或氧化铝或二 氧化锆或碳化铌和/或氮化硅。

在本发明的另一实施方案中，铜基金刚石工具粘结剂含有如下比例的成 分，wt.％(重量百分比)：

Cu(铜)＝30～60

Fe(铁)＝20～35

Co(钴)＝10～15

Sn(锡)＝0～10.5

WC(碳化钨)＝0～20

合金添加剂＝0.01～5。

合金添加剂是以75～150m²/g比表面积纳米粉末的形式添入。

在特定的实施方案中，合金添加剂包含碳纳米管或纳米粒金刚石。

在本发明的上述任何一个实施方案中，粘结剂中铜、铁、钴和强化纳米 粒子的存在可以使粘结剂满足以下要求：

a)对金刚石具有良好的润湿性；

b)金刚砂的强粘合性；

c)自锐性，即由于金刚砂变钝导致粘结剂损坏，所以钝的金刚砂剥落以 露出新的金刚砂的切割面；

d)足够的热稳定性和高导热系数；

e)对所处理的材料的最小的摩擦比率；

f)接近金刚石的线膨胀系数；

g)与所处理的材料和冷却剂不发生化学反应。

以上公开的成分中的合金添加剂为粘结剂提供了高硬度、高温强度和热 稳定性，并由此增加了切割速度和工具寿命。

对于本发明的第一实施方案，合金添加剂的含量低于此处提供的范围的 下限(1wt.％)，对于粘结剂的有效的弥散硬化是不足的，它们几乎不影响合 成材料的结构和性能。然而，如果合金添加剂的含量高于此处提供的范围的 上限(15wt.％)，则纳米成分的含量太高。与铜相比，由于合金添加剂更加 耐火，更加坚硬且有更高的弹性模量，它们使内应力集中，因此使材料表现 出明显的脆性行为，降低了粘结剂的强度和耐磨性，增加了所需的烧结温度 和降低了(compromising)压缩性。所述合金添加剂的浓度范围(1～15wt.％) 只适用于6～25m²/g比表面积纳米粉末，因为理论和试验数据表明，弥散硬化 的效率不仅取决于合金中纳米粒子的含量，还取决于它们的平均尺寸，该平 均尺寸可以从纳米粉末的比表面积计算出。

对于本发明的第二实施方案，合金添加剂的含量低于此处提供的范围的 下限(0.01wt.％)，对于粘结剂的有效的弥散硬化是不足的，它们几乎不影 响合成材料的结构和性能。然而，如果合金添加剂的含量高于此处提供的范 围的上限(5wt.％)，则纳米成分的含量过高。与铜相比，由于合金添加剂是 更加耐火，坚硬且有较高的弹性系数，它们使内应力集中，因此造成材料表 现出明显的脆性，降低了粘结剂的强度和耐磨性，增加了所需的烧结温度和 降低了压缩性。

所述合金添加的剂含量范围(0.01～5wt.％)只适用于75～150m²/g比表面积 纳米粉末，因为理论和试验数据表明，弥散硬化的效率不仅取决于合金中纳 米粒子的含量，还取决于它们的平均尺寸，该平均尺寸可以从纳米粉末的比 表面积计算出。

发明的实施方式

粘结剂可以使用粉末冶金的方法生产：烧结然后在烧结温度浓缩。这种 方法因为加热到烧结温度，暴露在烧结温度、浓缩和冷却到室温的总持续时 间是在15分钟内，因而有较高的产量。工作室内的高加热速率和均匀的温度 分布是使电流通过作为冲模(die)的烧结模具提供的。

在暴露于烧结温度后立即压缩，产生产品所需的密度和形状。该冲模设 计允许在惰性环境或防护环境中实施加工，以提高工具的质量。

表1～3所示的例子说明了根据本发明的第一实施方案的粘结剂的性能是 如何依赖于粘结剂成分和合金添加剂的含量的。

表1.粘结剂性能相对于纳米粒碳化钨WC浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：30％Cu；35％Fe；15％Co；10.5％Sn；9.5％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供了比磨损，比寿命和切割速度。

表2.粘结剂性能相对于纳米颗粒的氧化锆(ZrO₂)浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：40％Cu；25％Fe；10％Co；5％Sn；20％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供的比磨损，比寿命和切割速度。

表3.粘结剂性能相对于纳米颗粒氧化铝(Al₂O₃)的浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：60％Cu；20％Fe；10％Co；0％Sn；10％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供的比磨损，比寿命和切割速度。

表4～6所示的例子说明了根据本发明的第二实施方案粘结剂的性能是如 何依赖于粘结剂成分和合金添加剂的含量的。

表4.粘结剂性能对碳纳米管(C_nt)浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：30％Cu；35％Fe；15％Co；10.5％Sn；9.5％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供比磨损，比寿命和切割速度。

表5.粘结剂性能相对于碳纳米管浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：40％Cu；25％Fe；10％Co；5％Sn；20％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供的比磨损，比寿命和切割速度。

表6.粘结剂性能相对于纳米粒金刚石浓度

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：60％Cu；20％Fe；10％Co；0％Sn；10％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供了比磨损，比寿命和切割速度。

可以表示为粉末的比表面积的合金添加剂的粒度和粘结剂的成分对粘结 剂性能有极大的影响。表7～8所示的例子说明了粘结剂性能是如何取决于合 金化粉末比表面积的。

表7.发明第一实施方案的粘结剂性能相对于纳米粒碳化钨WC粉末比表面积

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：30％Cu；35％Fe；15％Co；10.5％Sn；9.5％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供的比磨损，比寿命和切割速度。

表8.粘结剂性能相对于合金添加剂比表面积*

*Cu_binder(铜_粘结剂)组成：30％Cu；35％Fe；15％Co；10.5％Sn；9.5％WC

**对高度强化的M400混凝土切割轮测试提供的比磨损，比寿命和切割速度。

本发明的粘结剂材料将比来自世界领先制造商的相应产品关于价格/寿命 与价格/输出标准方面提供更好的经济效益。比如，切割高度强化的混凝土的 金刚石片段用在了超硬的研磨环境。因所需的烧结温度的增加，由碳化钨合 金硬化的传统模型具有浓度限制(降低了金刚石的强度并且导致加工工具额 外的磨损)。

通过添加碳化钨、钨、钼和其他纳米颗粒，使用铜作为粘结剂基质能够 在保留其操作的优点(工具切割速度和寿命)的同时，降低原材料成本，让产 品更便宜15％～20％。

本发明的第一和第二实施方案的合金材料提供了高强度、导热系数和冲 击韧性。受控的低合金提供了独一无二的所需性能的结合，如强度、硬度、 冲击韧性、抗磨损及切割区的摩擦比，从而增加了30～60％的切割速度和在严 重负荷条件下传承(delivering)了工具的寿命，例如，与传统的材料相比， 对于切割高度强化的混凝土，延长了15～50％的寿命。