專利名稱：制備切削工具用的金剛石切割部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過燒結(jié)制備切削工具用的金剛石切割部件(diamondsegment)的方法，所述方法包括連續(xù)進(jìn)行以下操作-混合金屬粉末與金剛石顆粒，-通過冷壓預(yù)成型所述混合物，獲得可處理的預(yù)成型件，以及-熱預(yù)燒結(jié)所述預(yù)成型件，以消除壓緊殘余物(compaction residues)和對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫氧，同時進(jìn)行燒結(jié)的初期階段(beginning ofsintering)。
背景技術(shù)：
切削工具金剛石切割部件的制造基于粉末冶金學(xué)，其包括通過熱和機(jī)械效應(yīng)，固結(jié)預(yù)定組成的金屬粉末與天然或合成金剛石顆粒。獲得的產(chǎn)物為由燒結(jié)金屬構(gòu)成的物體，其性能取決于基本金屬粉末的性質(zhì)和燒結(jié)條件。
下述不同技術(shù)常用于制造金剛石切割部件-自由燒結(jié)在中性或還原氣氛下于爐中進(jìn)行固結(jié)，而沒有提供任何機(jī)械能，-加壓燒結(jié)在中性或還原氣氛下于爐中進(jìn)行固結(jié)，通過壓力(氣體壓力或機(jī)械壓力)提供額外的能量。
自由燒結(jié)技術(shù)在900-1200℃之間的溫度和大氣壓力下進(jìn)行。制造周期時間相當(dāng)長(數(shù)小時)，并且所述燒結(jié)材料獲得的緊密度(compactness)為約92-95％。然后，燒結(jié)后部件的殘余孔隙率易于損害燒結(jié)材料和金剛石的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)?shù)蛪合碌臏囟瘸^1000℃時，金剛石的熱穩(wěn)定性實際上受到相當(dāng)大的影響。
機(jī)械加壓燒結(jié)技術(shù)在700-1200℃之間的溫度和250-400巴(25-40MPa)的壓力下進(jìn)行。周期時間為約15分鐘，緊密度為97-99％。這種技術(shù)要求相當(dāng)多的人力，并且使用石墨活塞施加負(fù)載，這增加了消耗品的成本。
氣體加壓燒結(jié)技術(shù)在700-1000℃的溫度和2000-2500巴(200-250MPa)的壓力下進(jìn)行。獲得的緊密度為99％-100％，周期時間為數(shù)小時。這種技術(shù)也要求相當(dāng)多的人力，以及制造設(shè)備需要昂貴的投資。
無論使用哪種燒結(jié)技術(shù)，通過燒結(jié)制造金剛石切割部件的的標(biāo)準(zhǔn)制造步驟如下-混合金屬粉末和金剛石顆粒，-通過冷壓預(yù)成型所述產(chǎn)品，以壓實所述混合物，-組裝燒結(jié)單元，-自由燒結(jié)或加壓燒結(jié)，-回收燒結(jié)的產(chǎn)品，-精加工燒結(jié)的產(chǎn)品。
金剛石切割部件中存在金剛石意味著制造商必須在盡可能低的溫度下加工，以避免損害金剛石。此外，為了具有恰當(dāng)?shù)膲勖颓邢髻|(zhì)量，殘余孔隙率必須低，顯著地小于2％。
這兩種必須性導(dǎo)致了下述限制·使用施加壓力的燒結(jié)工藝；·使用粒度分析小于50微米的昂貴微細(xì)粉末，這使得燒結(jié)條件降低。
與自由燒結(jié)相比，這導(dǎo)致了相當(dāng)多的金剛石切割部件額外制造成本。
存在冶金中常用的低成本金屬粉末，但是它們非常粗糙，特別是大于50微米。這些材料不能用于根據(jù)上述燒結(jié)技術(shù)制造的金剛石切削工具，因為使用的溫度和壓力太低，以致于不能恰當(dāng)?shù)亟档蜔Y(jié)結(jié)構(gòu)的孔隙率。
文獻(xiàn)CH 471 641描述了使用含有硬質(zhì)合金和黑色金屬的冷壓粉末制造金剛石工具的方法，浸漬溫度最低等于銅的熔點，且最高等于1130℃。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的包括基于燒結(jié)的金屬粉末，開發(fā)一種制造切削工具用的金剛石切割部件的方法，使得能夠獲得具有低殘余孔隙率的均勻結(jié)構(gòu)，以及具有改進(jìn)的機(jī)械性能。
根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過以下事實獲得的在預(yù)燒結(jié)后，通過機(jī)械壓力的閉模施加(closed die application)對所述預(yù)成型件進(jìn)行鍛造操作，所述機(jī)械壓力為400MPa至700MPa之間，所述壓力的施加時間為約幾秒鐘，以及鍛造溫度為小于1000℃。鍛造部件的殘余孔隙率小于2％。
將所述模預(yù)先加熱至200℃至約450℃之間的溫度，以及借助沖壓裝置(press stamp)，將機(jī)械鍛造壓力施加至所述預(yù)成型件。優(yōu)選地，在預(yù)燒結(jié)前，在420℃至560℃之間的溫度下，對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫蠟處理，然后在氮氣流中冷卻。
本發(fā)明的第二目的涉及含有鐵的低成本金屬粉末在通過熱燒結(jié)制造金剛石切割部件中作為粘結(jié)料的用途，從而使得能夠減小孔隙率，增加結(jié)構(gòu)的密度。
為此，粘結(jié)料含有下述混合物50-100重量％的粒度分析小于300微米的鋼粉，所述鋼粉含有Fe、C、Ni和Mo，以及0-50重量％的成分A，其可為青銅、碳化鎢或者設(shè)計用來改變粘結(jié)料性能的任何其它成分或化合物。
鋼粉的組成含有以重量百分比計的-90-97％的Fe，-0.01-0.1％的C，-1-3％的Ni，-0.1-0.8％的Mo。
-可能的其它成分，例如鉻、釩或錳。
在成分A是青銅的情況下，鋼粉的組成優(yōu)選以重量百分比計為-1.8-2％的Ni，-含量小于0.06％的C，-0.5-0.6％的Mo，-0.15-0.25％的Mn，-余量的Fe，以及20％的青銅。成分A的青銅能夠有利地為具有小于400目粒度分析的無規(guī)90/10青銅(irregular 90/10 branze)。
在成分A是碳化鎢的情況下，鋼粉的組成優(yōu)選以重量百分比計為-1.5-2％的Ni，-1.35-1.65％的Cu，-含量小于0.01％的C，-0.45-0.6％的Mo，
以及10％的碳化鎢。成分A的碳化鎢具有小于35微米的粒度分析。


從下述本發(fā)明的具體實施方式
的描述中，其它優(yōu)點和特征將是清楚易見的，所述的具體實施方式
僅以非限制性實例形式給出，并且表示在附圖中，其中圖1是本發(fā)明制備方法步驟的概圖；圖2顯示了密閉和加熱的模鍛造步驟的示意橫截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及使用鍛造技術(shù)，將高壓施加至加熱至高溫的由金屬粉末制成的預(yù)成型部件，這使得完全閉合這些材料的孔隙。通過熱動態(tài)能量傳送(hot dynamic energy transmission)，實現(xiàn)了金屬的致密化。這種鍛造技術(shù)特別適合使用低成本的金屬粉末代替常規(guī)的燒結(jié)粘結(jié)料，來制造金剛石切割部件。
以下給出本發(fā)明方法中使用的金屬粉末組成的兩個實施例。
實施例1鋼和青銅基粉末具有下述組成的混合物80重量％的鋼粉，所述鋼粉含有·Fe＞90％·C＜0.06％·Ni1-2％·Mo0.5-0.6％·Mn0.15-0.25％粒度分析+250μ0％150μ-250μ＜18％45μ-150μ余量＜45μ15-30％以及，20重量％的無規(guī)90/10青銅＜400目。
該混合物特別適合制備切割干硬性混凝土用的工具。金剛石組成是可變的，且根據(jù)切割類型、工具的直徑和機(jī)器的功率而改變。
實施例2鋼和碳化鎢基粉末具有下述組成的混合物90重量％的鋼粉，所述鋼粉含有·Fe＞90％·C＜0.01％·Ni1.58-1.93％·Cu1.35-1.65％·Mo0.45-0.55％，粒度分析+212μ0％180μ--212μ＜2％150μ-180μ余量150μ-212μ＜12％45μ-150μ余量＜45μ10-30％以及10重量％的粒度分析小于35μ的碳化鎢。
該混合物特別適合制備切割瀝青用的工具。金剛石的組成是可變的，且根據(jù)切割類型、工具的直徑和機(jī)器的功率而改變。添加各種成分，例如石墨、碳化或未碳化的鐵合金、青銅、銅等，使得能夠獲得各種性質(zhì)，從而使得這些粘結(jié)料適合任何使用金剛石工具的切削用途。
制備金剛石切割部件的方法的不同步驟如圖1所示步驟1制備和混合所述粉末首先，將兩實施例1或2之一的金屬粉末混合在一起，并以預(yù)定比例與金剛石顆?；旌?。
步驟2冷壓使用合適的模具，在水力或機(jī)械壓力機(jī)上，以常規(guī)的方式，通過冷壓所述混合物，來進(jìn)行該壓緊操作，從而獲得可處理的預(yù)成型件。壓力通常為100-600MPa，取決于混合物中金屬粉末的性質(zhì)。
步驟3預(yù)燒結(jié)該操作實質(zhì)上設(shè)計用來消除有機(jī)壓緊殘余物，對部件進(jìn)行脫氧，以及進(jìn)行燒結(jié)的初期階段。
在420至560℃之間的溫度進(jìn)行預(yù)先脫蠟(prior dewaxing)5-30分鐘。
然后，在還原氣流下，于820-900℃的爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)3-30分鐘。預(yù)燒結(jié)可以如同脫蠟在相同的密閉空間(enclosure)中進(jìn)行。
冷卻后，預(yù)燒結(jié)的切割部件能夠獲得氧化保護(hù)層。為此，使用D17A型石墨涂層(graphite spray)。如果已經(jīng)冷卻了部件，最后在中性或還原氣體下，于鍛造溫度(例如870℃)下，進(jìn)行加熱。
步驟4鍛造以閉合孔隙在預(yù)先加熱至200-450℃和潤滑過的冷模中施加壓力，進(jìn)行鍛造操作。使用的壓力機(jī)可為機(jī)械或水力螺桿壓力機(jī)。
如圖2所示，借助于沖壓機(jī)(stamp)10，將機(jī)械壓力施加至預(yù)燒結(jié)的部件PR上。壓力隨加工條件和材料而變化。對于上述實施例，其值如下-鍛造壓力在400MPa至700MPa之間，-模入口處(die input)的有效鍛造溫度為約750℃-850℃，-壓力施加時間小于5秒。
步驟5后處理然后對燒結(jié)的部件進(jìn)行砂磨并冷卻，可能的話，進(jìn)行熱處理，以及最終加工。
使用本發(fā)明的鍛造技術(shù)成本上比常規(guī)機(jī)械加壓燒結(jié)低，因為本發(fā)明的鍛造技術(shù)能夠使用低成本的較粗糙粉末，大約大于50微米，同時保持相對溫和的溫度(約750℃至950℃)，以避免損害金剛石。而且，由于獲得了大于98％的緊密度的事實，機(jī)械性能得以顯著改進(jìn)。
密度從7.6增加至7.85(100％密度)，使得抗張強(qiáng)度增加40％，而斷裂伸長率增加4倍。孔隙率的減小使得彈性能夠增加5倍，而在用常規(guī)燒結(jié)獲得的95％至98％緊密度之間彈性幾乎沒有變化。
能夠容易鍛造上述實施例1或2的粉末的混合物，并且有利地代替常規(guī)燒結(jié)粘結(jié)料，以制備切削工具用的金剛石切割部件。
優(yōu)選在氣流中處理預(yù)成型件，以防止氧化。
粉末混合物含有50％-100重量％的粒度分析小于300微米的鋼粉，其含有Fe、C、Ni和Mo。
此外，鋼粉能夠含有0.1％-0.8％的Mn或1％-2％的Cu。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.通過燒結(jié)制備切削工具用的金剛石切割部件的方法，所述方法包括連續(xù)進(jìn)行以下操作-混合金屬粉末與金剛石顆粒，-通過冷壓預(yù)成型所述混合物，獲得可處理的預(yù)成型件，以及-熱預(yù)燒結(jié)所述預(yù)成型件，以消除壓緊殘余物和對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫氧，同時進(jìn)行燒結(jié)的初期階段，所述方法的特征在于在預(yù)燒結(jié)后，通過機(jī)械壓力的閉模施加對所述預(yù)成型件進(jìn)行鍛造操作，所述機(jī)械壓力為400MPa至700MPa之間，所述壓力的施加時間為約幾秒鐘，以及鍛造溫度為小于1000℃。
2.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于將所述模預(yù)先加熱至200℃至約450℃之間的溫度。
3.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于通過模-沖壓組件，將機(jī)械鍛造壓力施加至所述預(yù)成型件。
4.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于在預(yù)燒結(jié)前，在420℃至560℃之間的溫度下，對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫蠟處理。
5.權(quán)利要求4的制備方法，其特征在于冷卻后，所述預(yù)成型件被石墨層覆蓋，以防止氧化。
6.權(quán)利要求4的制備方法，其特征在于在氣流中處理所述預(yù)成型件，以防止氧化。
7.權(quán)利要求1-6中任一項的方法，其特征在于金屬粉末混合物含有-50-100重量％的粒度分析小于300微米的鋼粉，所述鋼粉含有Fe、C、Ni和Mo，以及0-50重量％的成分A，其可為青銅、碳化鎢或者設(shè)計用來改變金屬壓型性能的任何其它成分。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-90-97％的Fe，-0.01-0.1％的C，-1-3％的Ni，-0.1-0.8％的Mo。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于鋼粉還含有0.1-0.8％的Mn。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-1.8-2％的Ni，-含量小于0.06％的C，-0.5-0.6％的Mo，-0.15-0.25％的Mn，-余量的Fe，20％的青銅。
11.權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述鋼粉組成含有1-2％的Cu。
12.權(quán)利要求11的金剛石切割部件，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-1.5-2％的Ni，-1.35-1.65％的Cu，-含量小于0.01％的C，-0.45-0.6％的Mo，-以及10％的碳化鎢。
13.權(quán)利要求10的方法，其特征在于成分A青銅為無規(guī)90/10青銅。
14.權(quán)利要求12的方法，其特征在于成分A碳化鎢具有小于35微米的粒度分析。
15.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于鍛造溫度優(yōu)選為750-900℃之間。
16.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于鍛造部件的殘余孔隙率小于2％。
權(quán)利要求
1.通過燒結(jié)制備切削工具用的金剛石切割部件的方法，所述方法包括連續(xù)進(jìn)行以下操作-混合金屬粉末與金剛石顆粒，-通過冷壓預(yù)成型所述混合物，獲得可處理的預(yù)成型件，以及-熱預(yù)燒結(jié)所述預(yù)成型件，以消除壓緊殘余物和對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫氧，同時進(jìn)行燒結(jié)的初期階段，所述方法的特征在于在預(yù)燒結(jié)后，通過機(jī)械壓力的閉模施加對所述預(yù)成型件進(jìn)行鍛造操作，所述機(jī)械壓力為400MPa至700MPa之間，所述壓力的施加時間為約幾秒鐘，以及鍛造溫度為小于1000℃。
2.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于將所述模預(yù)先加熱至200℃至約450℃之間的溫度。
3.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于通過模-沖壓組件，將機(jī)械鍛造壓力施加至所述預(yù)成型件。
4.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于在預(yù)燒結(jié)前，在420℃至560℃之間的溫度下，對所述預(yù)成型件進(jìn)行脫蠟處理。
5.權(quán)利要求4的制備方法，其特征在于冷卻后，所述預(yù)成型件被石墨層覆蓋，以防止氧化。
6.權(quán)利要求4的制備方法，其特征在于在氣流中處理所述預(yù)成型件，以防止氧化。
7.切削工具用的金剛石切割部件，其是由熱燒結(jié)金屬粉末混合物而制成的，所述金屬粉末混合物含有-50-100重量％的粒度分析小于300微米的鋼粉，所述鋼粉含有Fe、C、Ni和Mo，以及-0-50重量％的成分A，其可為青銅、碳化鎢或者設(shè)計用來改變金屬壓型性能的任何其它成分，特征在于金剛石切割部件是由權(quán)利要求1-6中任一項方法制備的。
8.權(quán)利要求7的金剛石切割部件，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-90-97％的Fe，-0.01-0.1％的C，-1-3％的Ni，-0.1-0.8％的Mo。
9.權(quán)利要求8的金剛石切割部件，其特征在于鋼粉還含有0.1-0.8％的Mn。
10.權(quán)利要求9的金剛石切割部件，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-1.8-2％的Ni，-含量小于0.06％的C，-0.5-0.6％的Mo，-0.15-0.25％的Mn，-余量的Fe，以及20％的青銅。
11.權(quán)利要求8的金剛石切割部件，其特征在于所述鋼粉組成含有1-2％的Cu。
12.權(quán)利要求11的金剛石切割部件，其特征在于所述鋼粉的組成以重量百分比計為-1.5-2％的Ni，-1.35-1.65％的Cu，-含量小于0.01％的C，-0.45-0.6％的Mo，-以及10％的碳化鎢。
13.權(quán)利要求10的金剛石切割部件，其特征在于成分A青銅為無規(guī)90/10青銅。
14.權(quán)利要求12的金剛石切割部件，其特征在于成分A碳化鎢具有小于35微米的粒度分析。
15.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于鍛造溫度優(yōu)選為750-900℃之間。
16.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于鍛造部件的殘余孔隙率小于2％。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備切削工具用的金剛石切割部件的方法。根據(jù)本發(fā)明，使用鍛造，以將高壓施加至從金屬粉末預(yù)成型的和達(dá)到高溫的部件，由此使得能夠完全閉合所述材料的孔隙。借助于熱動態(tài)能量傳送對金屬進(jìn)行致密化。上述鍛造技術(shù)特別適合使用低成本的金屬粉末制備金剛石切割部件。上述鍛造操作包括機(jī)械壓力的閉模施加，所述機(jī)械壓力為400MPa至700MPa之間，所述壓力的施加時間為約幾秒鐘，以及鍛造溫度為小于1000℃。
文檔編號B24D3/08GK1918312SQ200580002155
公開日2007年2月21日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者伊曼紐爾·福爾耶 申請人:Wa S.A.S.公司