[发明专利]含表面金属化陶瓷相的金刚石工具制造方法

说明书

本发明为一种磨削坚硬岩石及硬质金属或非金属材料的孕镶金刚石工具，特别是金刚石钻头、锯片、砂轮的制造方法，它包括陶瓷相颗粒表面金属化、胎体热压烧结等工艺，属于孕镶金刚石工具制造技术领域。

孕镶金刚石工具在磨削坚硬、致密、弱研磨性岩石或其它硬质材料时，胎体部分往往磨损很慢，而金刚石因高应力下的破碎、强烈磨损失去出刃而钝化，因而出现磨损效率极低的“打滑”现象，严重影响工效。为了解决这一问题，传统的方法是降低胎体的硬度，以使胎体加快磨损，保证金刚石及时出刃，这种方法大大缩短工具的寿命，且提高效率的作用非常有限。欧洲公开号为0096591的专利公开了一种金刚石工具的制作方法，其方法是在工具胎体粉末中加入氧化铝、碳化硼、碳化硅等打磨剂颗粒，这种方法虽可以使金刚石有较好的出露，但打磨剂与胎体粘结剂间的结合强度极低，胎体易出现裂纹和掉块现象，工具寿命受到很大影响。美国专利US4399167公开了一种金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀覆金属的方法，可使镀层与磨粒间形成良好的化学结合。但使用该方法处理金刚石制成的工具不能解决“打滑”或“钝化”现象。

本发明的目的在于制造一种孕镶金刚石工具，如钻头、锯片、砂轮等，在磨削坚硬、弱研磨性岩石或其它硬质材料时，既能防止“打滑”或“钝化”现象，又能使工具具有较长的使用寿命。

本发明是在不降低胎体硬度的前提下，在制造金刚石工具时，在胎体中加入经表面金属化处理的碳化硅、碳化硼、刚玉、TiB₂等陶瓷相，既调整胎体耐磨性和研磨性，克服“打滑”或“钝化”现象；同时解决陶瓷相与胎体粘结剂间的结合问题，从而达到提高磨损效率和延长使用寿命的目的。

本发明采用真空混料沉积反应法对陶瓷相颗粒进行表面金属化处理。将能与陶瓷相形成良好化学结合的过渡族元素金属粉末，如Ti、V、Nb、Zr、Ta、Cr、W中的一种或数种的混合物与陶瓷相颗粒均匀混合，过渡族金属粉末与陶瓷相颗粒的混合比例不低于1∶1，所采用的金属粉末的粒度小于75μm。混合料在真空中或非氧化性气氛中，在不高于金属的熔点温度下加热，温度一般为700～1200℃，并在此温度下保温20～60分钟，真空压力为1.33×10^-5Pa或更低，陶瓷相颗粒经表面金属化处理后，在表面生成金属化覆层，覆层内层与陶瓷相反应生成金属碳化物、硅化物、硼化物等过渡层，外层则为纯金属层，金属化覆层厚度为2～8μm，如图1所示。将经表面金属化处理的陶瓷相颗粒与金刚石颗粒及胎体粉末均匀混合，陶瓷相颗粒在胎体中的体积含量为5～15％，粒度为425～106μm，为金刚石粒度的30～100％。混合料装模后经热压烧结而成，烧结温度为750～1050℃，压力为10～25MPa，保温时间为5～8分钟。

采用本发明制得的金刚石工具，由于胎体含有硬脆性陶瓷相，当其破碎或脱落后，可发挥磨削金刚石周围胎体的作用，从而保证失去工作能力的金刚石及时脱落，使新的金刚石及时出露，同时由于经表面金属化处理的陶瓷相与胎体有较高的结合强度，有效避免了胎体裂纹和掉块现象的发生，并且出露于胎体唇面未破碎的陶瓷相颗粒还能发挥磨削作用，减轻出刃金刚石的磨耗，延长工具使用寿命。本发明制得的金刚石工具，由于具有研磨性强、耐磨能力适当的胎体，金刚石能够适时出露和脱落，从而克服“打滑”或“钝化”现象，提高效率20～70％；又由于胎体硬度较高、且陶瓷相颗粒与胎体结合牢固，寿命提高10～30％。

附图说明：

图1.经表面金属化处理后的陶瓷相颗粒，其中，1-陶瓷相颗粒，2-金属与陶瓷的化合物层，3-纯金属层。

实施例：

1.孕镶金刚石工具的制作。陶瓷相为含铬覆层的碳化硅，镀覆过程为：温度为1100℃，保温时间为60分钟，初始真空压力为1.33×10^-5Pa，碳化硅粒度为150～106μm，碳化硅在胎体中的体积含量为10％，热压烧结温度为980℃，压力20MPa，保温时间8分钟。得到的钻头与不含陶瓷相的普通钻头比较，在钻探可钻性为8～10级的岩层时，钻进效率提高66％，降低钻头磨损15％；与含未经表面金属化处理碳化硅的金刚石钻头相比，降低磨损50～80％。