一種用于自蔓延反應快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置的制作方法

本實用新型涉及一種用于自蔓延反應快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置。

背景技術：

目前，金屬結合劑超硬磨具與鉆具的制作方法主要有電鍍法、燒結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合劑，但金剛石磨料與鍍層金屬之間僅存在機械鑲嵌作用，鍍層金屬對磨料把持強度低，磨料出露高度低，如果采用增加鍍層金屬厚度方法提高對磨料的把持強度,會導致磨料出露高度和容屑空間減小,工具容易發生堵塞,散熱效果很差，使其加工效率和使用壽命受到了限制。此外，在制造過程中產生的電鍍廢液會對環境造成嚴重污染。

燒結超硬磨具與鉆具采用鈷、鐵、錫、青銅、鎳合金為主要金屬結合劑材料，由于金剛石磨料與金屬結合劑難以形成化學結合，金剛石磨料也只是被機械包埋在金屬結合劑中，金屬結合劑對金剛石磨料把持強度低，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磨料、釬料和基體三者之間的化學冶金反應實現對磨料的牢固把持，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勢，但是由于受到釬焊工藝過程本身的限制，單層磨料消耗完后沒有后繼磨料補充，限制了其使用壽命的進一步提高。

自蔓延高溫合成技術是在外部能量誘發局部化學反應(點燃)后，利用化學反應自身放熱，使反應持續進行，同時合成出新材料。該技術因其耗能少, 投資少，生產工藝簡單, 生產效率高, 成本低，產物純度高等優點得到了廣泛應用。利用其短時間高溫的特點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效率、降低生產能耗，而且很可能使金剛石與金屬結合劑之間形成化學結合，提高金屬結合劑對金剛石磨料的把持強度。

目前，由于采用自蔓延高溫合成技術制備的金剛石工具所使用的金屬結合劑為低放熱體系，其預熱引發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，反應設備為自蔓延反應容器或馬弗爐，預熱時間較長或設備投資大。此外，自蔓延反應產物是多孔組織燒結體，孔隙率一般為10%~50%，較大孔隙率對金屬結合劑的硬度和耐磨性、金屬結合劑與金剛石之間的界面結合強度均會造成不利影響。

技術實現要素：

本實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裝置。

本實用新型的技術方案如下：

一種用于自蔓延反應快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置，包括承重臺、支撐柱、絲杠、導軌、滑塊、螺母、減速機、支撐板、壓桿、石墨壓頭、石墨外模、壓坯、感應線圈、石英管、工作臺、進氣口，其特征在于，

裝置一側為承重臺，承重臺上固定鑲嵌支撐板，裝置另一側為工作臺，工作臺呈“山”型，壓坯、石墨壓頭和一組石墨外模組裝后放置于工作臺上，所述石墨外模帶有觀察口，壓坯外面套上雙開口石英管，感應線圈環繞于石墨外模頂端位置稍低于壓坯頂端，通過壓桿升降系統安裝于支撐柱上的壓桿輕壓于石墨壓頭頂端，所述壓桿升降系統由絲杠螺母副、導軌滑塊副、驅動電機和減速機、支撐板組成，工作臺內部設有進氣口，進氣口由工作臺外側通向工作臺中部突出的頂端，且在工作臺中部突出部分橫向貫通。

優選的，所述超硬磨具與鉆具壓坯的壓實密度為理論密度的50–90%，所述壓制模具材料為Cr12MoV，壓力大小為20～350MPa。

優選的，所述感應線圈通過的電流頻率范圍為1KHz~200KHz。

優選的，所述壓桿升降系統可以由氣缸或液壓缸、方向閥、壓力閥、流量閥、導軌滑塊副、支撐板組成。

通過感應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自蔓延反應，在自蔓延反應剛結束反應產物還處于紅熱時通過該壓桿升降系統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。

與現有技術相比，本實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裝置具有優點如下：

1.本實用新型的一種用于自蔓延反應的裝置，其功能是通過感應加熱引發自蔓延反應并在反應剛完成時施以高壓制備致密超硬磨具與鉆具，預熱時間短，利用自蔓延反應產生的短時間高溫使得超硬磨料與金屬結合劑形成化學結合，金屬結合劑對金剛石磨料把持強度高，金剛石力學性能損失小，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。

2. 本實用新型一種用于自蔓延反應的裝置具有預熱時間短、反應速度快、生產效率高、能耗低、工藝簡單、投資和生產成本低等優點。

附圖說明

圖1 為自蔓延反應平臺。

圖2 為帶有觀察窗的石墨外模。

承重臺-1、支撐柱-2、絲杠-3、導軌-4、滑塊-5、螺母-6、驅動電機和減速機-7、支撐板-8、壓桿-9、石墨壓頭-10、石墨外模-11、壓坯-12、感應線圈-13、石英管-14、工作臺-15、氬氣進氣口-16。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的優選實施例進行詳細闡述，以使本實用新型的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

一種用于自蔓延反應快速制備致密超硬磨具與鉆具的裝置，包括承重臺(1)、支撐柱(2)、絲杠(3)、導軌(4)、滑塊(5)、螺母(6)、減速機(7)、支撐板(8)、壓桿(9)、石墨壓頭(10)、石墨外模(11)、壓坯(12)、感應線圈(13)、石英管(14)、工作臺(15)、進氣口(16)，其特征在于，

裝置一側為承重臺(1)，承重臺(1)上固定鑲嵌支撐柱(2)，裝置另一側為工作臺(15)，工作臺(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(15)上，所述石墨外模(11)帶有觀察口，壓坯(12)外面套上雙開口石英管(14)，感應線圈(13)環繞于石墨外模(11)頂端位置稍低于壓坯(12)頂端，通過壓桿升降系統安裝于支撐柱(2)上的壓桿(9)輕壓于石墨壓頭(10)頂端，所述壓桿升降系統由絲杠(3)螺母(6)副、導軌(4)滑塊(5)副、驅動電機和減速機(7)、支撐板(8)組成，工作臺(15)內部設有進氣口(16)，進氣口(16)由工作臺(15)外側通向工作臺(15)中部突出的頂端，且在工作臺(15中部突出部分橫向貫通。

優選的，所述超硬磨具與鉆具壓坯的壓實密度為理論密度的50–90%，所述壓制模具材料為Cr12MoV，壓力大小為20～350MPa。

優選的，所述感應線圈(13)通過的電流頻率范圍為1KHz~200KHz。

優選的，所述壓桿升降系統可以由氣缸或液壓缸、方向閥、壓力閥、流量閥、導軌(4)滑塊(5)副、支撐板(8)組成。

通過感應線圈(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)工作層從而引發自蔓延反應，在自蔓延反應剛結束反應產物還處于紅熱時通過該壓桿升降系統使壓桿(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構分為工作層和基體兩個部分，所述工作層組分包括金屬結合劑和超硬磨料，所述金屬結合劑包括Al、Ti、Cu、Fe、Sn、Ni、Co，所述基體材料為中碳鋼。

所述金屬結合劑中Al和Ti的質量比例為0.5:1–2:1，且Al和Ti的總重量份數為15–45份，Ni/Co/(Ni+Co)粉重量份數為0–10份，Sn粉重量份數為2–6份，Cu粉重量份數為20–70份，Fe粉重量份數為0–30份，且Cu粉和Fe粉的總質量份數為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中充分混合均勻，然后添加超硬磨料再進行混料，混料過程均在氬氣保護下進行，從而獲得工作層粉料，其中，所述球磨機轉速為100r/min,球磨時間為4h,球料比為1:5，鋼球和粉料總體積不超過球磨罐體積的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(15)上，所述石墨外模(11)帶有觀察口，超硬磨具與鉆具壓坯(12)外面套上雙開口石英管(14)，感應線圈(13)頂端位置稍低于超硬磨具與鉆具壓坯(12)頂端，通過壓桿升降系統安裝于支撐柱(2)上的壓桿(9)輕壓于石墨壓頭(10)頂端，所述壓桿升降系統由絲杠(3)螺母(6)副、導軌(4)滑塊(5)副、驅動電機和減速機(7)、支撐板(8)組成，支撐板(2)固定于承重臺(1)上，通過感應線圈(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)工作層從而引發自蔓延反應，在自蔓延反應剛結束反應產物還處于紅熱時通過該壓桿升降系統使壓桿(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，所述感應線圈(12)通過的電流頻率范圍為200KHz,所述石英管(14)外徑為15mm，加熱時以氬氣作為保護氣氛，保護氣氛從進氣口(16)進入。

不局限于此，任何不經過創造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。