專利名稱：具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種通過燒結制造的超硬材料刀頭(亦稱工作齒)，主要涉及超硬材料切割/鉆削工具中的超硬材料刀頭。
背景技術：
目前，用于加工石材、鋼筋混凝土及陶瓷等超硬材料制品(鋸片及工程薄壁鉆)的結構型式絕大多數(shù)為燒結型節(jié)塊式工作齒，少數(shù)為圓周式連續(xù)齒，金屬結合劑節(jié)刀頭的制作工藝通常是將超硬磨料(金剛石或立方氮化硼)與若干種單質金屬粉末或預合金粉末混合均勻后，在冷壓成型設備上冷壓成所需形狀和尺寸的塊體，熱壓燒結成具有較高致密度及一定硬度的成品節(jié)塊。通過焊接或直接熱壓燒結于鋼質基體上制備出成品工具，然后在開刃機上對工作齒進行磨削開刃，使超硬磨粒凸出一定高度，便于起始切割/鉆削。此種通用工藝所制備的刀頭的特點是金屬結合劑成分均勻的單體式節(jié)塊，刀頭在工作過程中易引發(fā)兩個問題①金屬結合劑燒結胎體自身會逐漸磨損減薄，導致刀頭厚度尺寸變小，常常會減薄至與鋼質基體厚度相當；②刀齒胎體磨損后，其對超硬磨粒的把持力降低，會導致超硬磨粒過早脫落，降低工具效能。這樣，在石材加工或鋼筋混凝土的鉆削過程中就會帶來很大的弊端在切割時會導致被加工工件的切縫寬度發(fā)生變化，工件的加工尺寸工精度變化較大，導致被加工件成品率的降低；而在鉆削時，隨著刀頭厚度磨損減薄， 易發(fā)生鉆芯卡塞于鉆筒內部，無法取出，或者，鉆頭本身卡塞于被加工件中，無法正常工作。

實用新型內容本實用新型所要解決的第一個技術問題是提供一種表面硬度高，耐磨性強的具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭。為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，所述刀頭的側表面設有硬質耐磨相。作為一種優(yōu)選的技術方案，所述硬質耐磨相為設置在所述刀頭表面的滲碳層、滲氮層或者強碳化物形成元素與金屬結合劑反應形成的硬質耐磨層。作為一種優(yōu)選的技術方案，所述刀頭包括平行設置且燒結在一起的至少三層疊片，所述疊片包括兩個表層疊片和至少一個內層疊片，所述表層疊片的側表面上設有硬質耐磨相。作為一種優(yōu)選的技術方案，所述疊片中包含有超硬磨粒。作為一種優(yōu)選的技術方案，所述刀頭的表層疊片超硬磨粒的數(shù)量多于所述刀頭的內層疊片超硬磨粒的數(shù)量。由于采用了上述技術方案，具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，所述刀頭的側表面設有硬質耐磨相；刀頭側表面設有硬質耐磨相，大幅度提高了刀頭表面耐磨性，保護內層胎體金屬受磨損，維持刀頭厚度尺寸，保障平穩(wěn)的連續(xù)加工過程；刀頭耐熱抗氧化性增強， 可有效避免因加工過程中產生的大量摩擦熱而引起的胎體金屬氧化失效，從而有效的增強了胎體對超硬磨料的機械把持力，提高工具的加工效率和使用壽命。
圖1是本實用新型實施例鋸片的結構示意圖；圖2是本實用新型實施例疊片的超硬磨粒濃度均勻的刀頭結構示意圖，并且圖2 是圖1中的A-A向視圖；圖3是本實用新型實施例薄壁鉆的結構示意圖；圖4是本實用新型實施例疊片的超硬磨粒濃度不均的刀頭結構示意圖，并且圖4 是圖3中的B-B向視圖；圖5是圖4中刀頭使用一段時間后的結構示意圖；圖6是圖4中刀頭設置排屑層后的結構示意圖；圖7是圖6中刀頭使用一段時間后的結構示意圖；圖中1-刀頭；2-表層疊片；3-內層疊片；4-硬質耐磨相；5-排屑層。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，進一步闡述本實用新型。在下面的詳細描述中，只通過說明的方式描述了本實用新型的某些示范性實施例。毋庸置疑，本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本實用新型的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用于限制權利要求的保護范圍。具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，包括刀頭1，所述刀頭1包括燒結在一起的金屬結合劑和超硬磨粒，所述金屬結合劑的基礎成分體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn中三種以上元素的組合，所述金屬結合劑的金屬粉末為三元以上的預合金粉末和/或單質金屬粉末； 所述超硬磨粒包括金剛石和立方氮化硼。所述超硬磨粒在所述刀頭1中的體積比濃度為 9 % 60 %。所述金剛石在所述超硬磨粒中的體積比濃度為20 % 95 %，所述立方氮化硼在所述超硬磨粒中的體積比濃度為5% 80%。如圖2所示，所述刀頭1包括平行設置且燒結在一起的至少三層疊片，所述疊片包括兩個表層疊片2和至少一個內層疊片3，所述表層疊片2的硬度和耐磨性高于所述內層疊片3的硬度和耐磨性，所述表層疊片2的側表面上設有硬質耐磨相4，所述刀頭1的表層疊片2超硬磨粒的數(shù)量多于所述刀頭的內層疊片3超硬磨粒的數(shù)量。如圖4所示，以具有三層疊片的刀頭為例，對表層疊片2和內層疊片3的超硬磨粒濃度進行差異化設計，表層疊片2和超硬磨粒濃度高于內層疊片3的超硬磨粒濃度，硬質耐磨相4設置于所述表層疊片2的外側，使用過程中，內層疊片3最易磨損，表層疊片2次之， 最外側的硬質耐磨相4的耐磨性能最好，這樣，在刀頭1的端部呈現(xiàn)“U”狀，如圖5所示， 能夠減小刀頭在加工過程中的切割/鉆削阻力，使刀頭在與被加工件緊密接觸的連續(xù)加工過程中始終像車輪置于軌道上一樣保持準確的加工軌跡和加工精度，提高超硬磨粒的利用率，改善工具的鋒利度和使用壽命。如圖6所示，在表層疊片2和內層疊片3之間設置不含超硬磨粒的排屑層5，使用過程中，排屑層5最易被磨損，然后依次是內層疊片3、表層疊片2和硬質耐磨相4，這樣的刀頭使用一段時間后，端部呈現(xiàn)如圖7所示的形狀。具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭與現(xiàn)有的刀頭相比，本實用新型具備了下述突出優(yōu)點①刀頭的側表面硬度明顯提高，較常規(guī)工藝生產的刀頭提高30%以上，可達 HRBl 16以上，大幅度提高了刀頭表面耐磨性，保護內層胎體金屬受磨損，維持刀頭厚度尺寸，保障平穩(wěn)的連續(xù)加工過程。②刀頭側表面的耐熱抗氧化性增強，可有效避免因加工過程中產生的大量摩擦熱而引起的胎體金屬氧化失效，從而有效的增強了胎體對超硬磨料的機械把持力，提高工具的加工效率和使用壽命。③可有效提高硬化耐磨層的致密度，增強硬化層對超硬磨料的固結包鑲能力，降低超硬磨粒的脫落率，提高超硬磨粒的有效利用率。④層疊式刀頭可根據(jù)加工需要，將刀頭表層疊片2和內層疊片3進行差別設計， 內表層疊片2在金屬結合劑的成分、比例及超硬磨粒的強度、粒度、濃度等方面實行差別調整，使內表層疊片2和內層疊片3間產生性能差異，表層疊片2耐磨性高，保型性好；內層疊片磨損速率適當提高，在加工過程中刀頭形成外凸內凹的U型，這樣，即可保持工具的整體鋒利度，不“跑刀”，又可保證加工縫隙均勻一致，從而實現(xiàn)工具的高效、高精度加工。下面結合實驗數(shù)據(jù)對本實用新型做進一步的說明。應用實例一Φ400mm單層刀頭花崗巖鋸片制備(長)40mmX (高)10mmX (寬)3. 2mm的花崗巖鋸片刀頭，如圖1所示，鋸片基體為65Mn鋼，每片觀粒刀頭(為了使附圖更清楚，圖1中僅設置了 20粒刀頭，刀頭的數(shù)量可以根據(jù)實際需要自由設置)。刀頭金屬結合劑成分體系確定為i^-Ni-Cu-Sn，單質金屬粉末與預合金粉末混配應用，金剛石體積濃度為22% (其中，粒度40/45 (HWD60)占60%， 粒度45/50 (HWD40)占40%)。將金剛石與金屬結合劑粉末混合均勻后，置于石墨模具中進行熱壓燒結，通過熱壓反應，在一定的溫度和壓力條件下，使石墨與刀頭中的狗反應，在成品刀頭的外側表面形成非連續(xù)分布、厚度約為0. 2mm的!^e3C硬質耐磨層，硬度為HRB116。用此鋸片切割厚度為30mm的600mmX 600mm花崗巖(硬度為5級)石板，切割條件為濕切，切機的電機功率為4KW，鋸片轉動線速度為36m/min，切割電流為23A。在此條件下，此鋸片的切割速度可達5m/min連續(xù)切割253m2，而國內其它廠家的同類鋸片平均切割速度一般為3. 5 4. Om/min,切割壽命通常為200 220m2。金剛石鋸片的性能指標通常體現(xiàn)為兩個方面鋒利度(切割速度)及使用壽命，同時還要必須保證切縫質量(成品石板的棱角崩邊小、加工尺寸誤差小)。鋒利度的好壞體現(xiàn)為同等切割速度下，切機電流越小，表明切割阻力越小，則鋸片的鋒利度越好；同等切割電流情況下，切割速度越快，鋒利度越好。 而鋸片的使用壽命則由切割板材的平方米數(shù)決定。從上述切割情況比較，本實用新型的鋸片刀頭較其它同類產品在鋒利度和使用壽命方面均有明顯提高，更為突出的是由于刀頭外側表面具有耐磨硬質相，在切割過程中刀頭厚度基本不變，石板的切縫寬度變化小，石板的加工精度明顯提高，成品板材的加工尺寸誤差始終保持為士0. 2mm，而同類其它鋸片的切割尺寸誤差通常為士0. 5 1. Omm。應用實例二 [0036]Φ 400mm單層刀頭混凝土鋸片金剛石混凝土鋸片的好壞也主要體現(xiàn)在切割鋒利度和使用壽命兩個方面。切割壽命通常以切割延長米來計算。刀頭的合金體系為i^e-Ni-Cu-Sn-WC，刀頭中金剛石的體積濃度為25% (其中，粒度40/45 (HWD60)占60%，粒度45/50 (HWD40)占40%)。采用與應用實例一中相同的技術工藝，制備(長)40mmX (高)12mmX (寬)3. 6mm的混凝土鋸片刀頭，同樣，在刀頭外側表面上形成厚度> 0. 3mm的i^3C+WC硬質耐磨層。將成品刀頭焊于(釬焊或激光焊)鋼質基體上，做成鋸片。用此鋸片切割厚度為80 IOOmm的表層帶砂石硬化層的C35混凝土地坪。 切割條件為濕切，切機功率為5KW，鋸片轉動線速度為36m/min。在此條件下，鋸片可連續(xù)切割^56m，切割速度為1.2m/min。此鋸片的突出特點是鋒利度好(切割電流為23 26A，較常規(guī)鋸片少7 10A)，使用壽命長，在切割過程中刀頭厚度基本不變，側面金剛石脫落極少，刀頭切割面外緣始終保持為類直角狀態(tài)，無明顯的磨損圓鈍現(xiàn)象，混凝土的切縫平直，推切順暢，無切割“跑偏”現(xiàn)象。應用實例三Φ 600mm層疊式刀頭混凝土鋸片制備(長)40mmX15mm(高)X4.6mm(厚)的層疊式混凝土鋸片刀頭在厚度方向上由5層疊片組成，最外側兩層厚度為1. 3mm，中間3層每片厚度均為1mm。刀頭表層疊片2 表面含有0. 3mm厚的、非連續(xù)分布的WC+Fe3C混合耐磨相，刀頭外側表面硬度可達HRB136， 遠高于常規(guī)普通的硬度值(通常在HRB115左右)，耐磨性極強。刀頭中的金剛石體積濃度為觀％，濕切300mm厚的C35鋼筋混凝土路面(含四層Φ 8mm鋼筋網(wǎng))，壽命可達2200m，較其它鋸片的壽命高20%左右。此鋸片的使用特點是濕切一段時間后，刀頭呈外凸內凹的 “U”形狀，使鋸片具有良好的鋒利度；刀頭外側表面耐磨性好，切割過程中刀頭厚度不減， 路面切縫寬度均勻，鋸切推進時能保持良好的切縫直線度，推進阻力小，高效省時。而普通工藝制備的刀頭在切割過程中金屬結合劑燒結胎體磨損較快，刀頭頂端易因磨損而形成倒 “U”形，切割推進時容易偏刀，切割不穩(wěn)，推進阻力大，切縫直線度差，切割一段時間后鋒利度衰減嚴重。應用實例四Φ63πιπι單層刀頭薄壁鉆制備20mm(長)XSmm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鉆刀頭，如圖3所示。刀頭的合金體系為i^e-Ni-Co-Cu-Sn-Ti-Cr，超硬磨料為金剛石+立方氮化硼，通過熱壓反應燒結方式，在刀頭外側表面形成非連續(xù)分布的Cr2C3+Fe3C的混合耐磨相，硬度可達HRB125。 用此薄壁鉆鉆削厚度為200mm，含2層Φ 18mm螺紋鋼的C60混凝土構件，可鉆削鉆孔50個以上(其它同類鉆頭鉆孔數(shù)量一般不超過30個)，鉆孔平均速度為15min/孔，較常規(guī)鉆頭的速度提高1倍以上，鉆削效率及使用壽命的優(yōu)勢十分突出。此外，還有一個明顯特點是 刀頭外側表面耐磨性好，鉆削過程中刀頭的厚度基本不變，鋒利度好，鉆削阻力小，鉆削過程平穩(wěn)快速，無鉆頭卡塞現(xiàn)象，鉆芯容易取排，克服了同類產品因刀頭厚度磨損減薄而帶來的鉆頭卡塞、鉆削失穩(wěn)、憋機停鉆、鉆芯取排困難等弊端。應用實例五Φ 63mm單層刀頭墻體用薄壁鉆[0047]制備20mm(長)X8mm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鉆刀頭。刀頭的合金體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為金剛石。通過熱壓反應燒結方式，在刀頭外側表面形成非連續(xù)分布的I^e3C耐磨相，表面硬度為HRB118。用此薄壁鉆鉆削300mm厚的建筑磚墻，鉆孔數(shù)量超過200孔，鉆孔速度為1.5min/孔。其突出特點是刀頭表面耐磨性好，厚度自始至終基本不變，鉆削速度快，推進輕松省力，排屑容易，使用壽命長，鉆削效率和使用壽命較其它同類產品可提高30%以上，優(yōu)勢明顯。應用實例六Φ 63mm單層刀頭鋼筋混凝土構件用薄壁鉆制備20mm(長)X8mm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鉆刀頭。刀頭的合金體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為金剛石+立方氮化硼，總體積濃度為18%。通過熱壓反應燒結方式，在刀頭外側表面形成非連續(xù)分布的I^e3C耐磨相，側表面硬度為HRB120。用此鉆頭鉆削300mm厚、帶有兩層Φ 8mm鋼筋網(wǎng)的建筑樓板，鉆孔數(shù)量超過50孔，鉆孔速度為 10 20min/孔。其突出特點是①由于切削磨粒中含有立方氮化硼，適于切割黑色金屬，因而鉆頭鉆削含鋼筋的混凝土構件時，可彌補金剛石不適于加工黑色金屬的弊端，金剛石與立方氮化硼組合應用， 可大幅度提高鉆削效率。②由刀頭表面耐磨性好，厚度自始至終基本不變，鉆削速度快，推進輕松省力，排屑容易，使用壽命長，鉆削效率和使用壽命較其它同類產品可提高40%以上，優(yōu)勢明顯。應用實例七Φ 63mm單層刀頭高速公路維修用薄壁鉆制備20mm(長)X8mm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鉆刀頭。刀頭的合金體系為i^-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為金剛石，體積濃度為20%。通過熱壓反應燒結方式，在刀頭外側表面形成非連續(xù)分布的I^e3C耐磨相，側表面硬度為HRB118。用此鉆頭鉆削300mm厚的高速公路混凝土路面維修注漿孔，鉆孔數(shù)量超過60孔，平均鉆孔速度為IOmin/孔，較其它同類產品的鉆削效率及使用壽命高20%以上。應用實例八Φ 63mm單層刀頭高鐵鋼筋混凝土枕木用薄壁鉆制備20mm(長)X8mm(高)X4mm(厚)的單層弧形薄壁鉆刀頭。刀頭的合金體系為i^-Ni-Co-Cu-Sn-Ti，超硬磨料為金剛石+立方氮化硼，總體積濃度為22%。通過熱壓反應燒結方式，在刀頭外側表面形成厚度約為0. 5mm的非連續(xù)分布的i^3C+WC復合耐磨相，側表面硬度為HRB128。用此鉆頭鉆削300mm厚、含2層Φ 18mm螺紋鋼的高速鐵路高強鋼筋混凝土枕木，鉆孔數(shù)量超過60孔，平均鉆孔速度為5. Omin/孔，較其它同類產品的鉆削效率及使用壽命高50%以上。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征及本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，其特征在于所述刀頭的側表面設有硬質耐磨相。
2.如權利要求1所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，其特征在于所述硬質耐磨相為設置在所述刀頭表面的滲碳層、滲氮層或者強碳化物形成元素與金屬結合劑反應形成的硬質耐磨層。
3.如權利要求1或2所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，其特征在于所述刀頭包括平行設置且燒結在一起的至少三層疊片，所述疊片包括兩個表層疊片和至少一個內層疊片，所述表層疊片的側表面上設有硬質耐磨相。
4.如權利要求3所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，其特征在于所述疊片中包含有超硬磨粒。
5.如權利要求4所述的具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，其特征在于所述刀頭的表層疊片超硬磨粒的數(shù)量多于所述刀頭的內層疊片超硬磨粒的數(shù)量。
專利摘要本實用新型公開了一種具有高表面耐磨性的超硬材料刀頭，包括刀頭，所述刀頭的側表面設有硬質耐磨相；刀頭側表面設有硬質耐磨相，大幅度提高了刀頭表面耐磨性，保護內層胎體金屬受磨損，維持刀頭厚度尺寸，保障平穩(wěn)的連續(xù)加工過程；刀頭耐熱抗氧化性增強，可有效避免因加工過程中產生的大量摩擦熱而引起的胎體金屬氧化失效，從而有效的增強了胎體對超硬磨料的機械把持力，提高工具的加工效率和使用壽命。
文檔編號B28D1/00GK202137854SQ201120242958
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權日2011年7月12日
發(fā)明者陳濤 申請人:山東日能超硬材料有限公司