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1、(10)申请公布号 CN 103038025 A(43)申请公布日 2013.04.10CN103038025A*CN103038025A*(21)申请号 201180011937.3(22)申请日 2011.02.172010107315 2010.03.01 RU2010107314 2010.03.01 RUB24D 3/06(2006.01)B82B 1/00(2006.01)(71)申请人俄罗斯联邦政府预算机构联邦军事、特殊及双用途智力活动成果权利保护机构地址俄罗斯莫斯科申请人国立科技与理工学院(72)发明人叶夫根尼阿里桑德罗维奇赖巴舍夫弗拉基米尔阿莱克瑟维奇安德烈耶夫维多利亚弗拉基。
2、米尔洛夫娜库尔巴特齐娜亚历山大阿纳托勒维奇扎伊采夫达娅安德烈夫娜斯多洛恩科谢尔盖伊万诺维奇洛巴索夫(74)专利代理机构北京商专永信知识产权代理事务所(普通合伙) 11400代理人方挺 葛强(54) 发明名称用于金刚石工具制造的铜基粘结剂(57) 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(3060),铁(2035),钴(1015),锡(010.5),碳化钨(020)以及合金添加剂。根据第一个变型方式,合金添加剂是以625m2/g比表面积纳米粉末的形式添入,重量百分比为。
3、115。根据第二变型方式,合金添加剂是以75150m2/g比表面积纳米粉末的形式添入,重量百分比为0.015。粘结剂具有高耐磨性,而且不会显著提高所需要的烧结温度,同时还具有高的硬度、强度和耐冲击韧性。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2012.08.31(86)PCT申请的申请数据PCT/RU2011/000087 2011.02.17(87)PCT申请的公布数据WO2011/108959 EN 2011.09.09(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书7页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 7 页1/1页21.铜基粘结剂。
4、,用于制造含有625m2/g比表面积纳米粉末合金的金刚石工具,按以下成分比wt.进行添加:Cu3060Fe2035Co1015Sn010.5WC020合金添加剂115。2.根据权利要求1所述的粘结剂,其中所述的合金添加剂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。3.铜基粘结剂,用于制造含有75150m2/g比表面积纳米粉末合金的金刚石工具,按以下成分比wt.进行添加:Cu3060Fe2035Co1015Sn010.5WC020合金添加剂0.015。4.根据权利要求1所述的粘结剂,其中所述的合金添加剂是以碳纳米管或以纳米粒金刚石的形式存在。权 利 要 求 书CN 103038025。
5、 A1/7页3用于金刚石工具制造的铜基粘结剂发明领域0001 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。0002 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0003 已知一种钻石工具粘结剂(RU 2286241C2,公开于2006.0。
6、7.07)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。0004 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。0005 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)。0006 所述材料的缺点是耐磨性、硬度、强度和冲击韧性不足。0007 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。
7、明内容0008 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。0009 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):0010 Cu(铜)30600011 Fe(铁)20350012 Co(钴)10150013 Sn(锡)010.50014 WC(碳化钨)0200015 合金添加剂115。0016 合金添加剂是以625m2/g比表面积纳米粉末的形式添入。0017 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。0018 在本发明的另一实施方。
8、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):说 明 书CN 103038025 A2/7页40019 Cu(铜)30600020 Fe(铁)20350021 Co(钴)10150022 Sn(锡)010.50023 WC(碳化钨)0200024 合金添加剂0.015。0025 合金添加剂是以75150m2/g比表面积纳米粉末的形式添入。0026 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。0027 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:0028 a)对金刚石具有良好的润湿性;0029 b)金刚砂的。
9、强粘合性;0030 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;0031 d)足够的热稳定性和高导热系数;0032 e)对所处理的材料的最小的摩擦比率;0033 f)接近金刚石的线膨胀系数;0034 g)与所处理的材料和冷却剂不发生化学反应。0035 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。0036 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。
10、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(115wt.)只适用于625m2/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。0037 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,。
11、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。0038 所述合金添加的剂含量范围(0.015wt.)只适用于75150m2/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。0039 发明的实施方式说 明 书CN 103038025 A3/7页5。
12、0040 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。0041 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。0042 表13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。0043 表1.粘结剂性能相对于纳米粒碳化钨WC浓度0044 0045 *Cubinder(铜粘结剂。
13、)组成:30Cu;35Fe;15Co;10.5Sn;9.5WC0046 *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。0047 表2.粘结剂性能相对于纳米颗粒的氧化锆(ZrO2)浓度0048 0049 说 明 书CN 103038025 A4/7页60050 *Cubinder(铜粘结剂)组成:40Cu;25Fe;10Co;5Sn;20WC0051 *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。0052 表3.粘结剂性能相对于纳米颗粒氧化铝(Al2O3)的浓度0053 0054 *Cubinder(铜粘结剂)组成:60Cu;20Fe;10Co;0。
14、Sn;10WC0055 *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。0056 表46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。0057 表4.粘结剂性能对碳纳米管(Cnt)浓度0058 说 明 书CN 103038025 A5/7页70059 *Cubinder(铜粘结剂)组成:30Cu;35Fe;15Co;10.5Sn;9.5WC0060 *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。0061 表5.粘结剂性能相对于碳纳米管浓度0062 0063 *Cubinder(铜粘结剂)组成:40Cu。
15、;25Fe;10Co;5Sn;20WC0064 *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。0065 表6.粘结剂性能相对于纳米粒金刚石浓度0066 说 明 书CN 103038025 A6/7页80067 *Cubinder(铜粘结剂)组成:60Cu;20Fe;10Co;0Sn;10WC0068 *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。0069 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78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。0070 表7.发明第一实施方案的粘结剂性能相。
16、对于纳米粒碳化钨WC粉末比表面积0071 0072 说 明 书CN 103038025 A7/7页90073 *Cubinder(铜粘结剂)组成:30Cu;35Fe;15Co;10.5Sn;9.5WC0074 *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。0075 表8.粘结剂性能相对于合金添加剂比表面积*0076 0077 *Cubinder(铜粘结剂)组成:30Cu;35Fe;15Co;10.5Sn;9.5WC0078 *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。0079 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。
17、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)。0080 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1520。0081 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3060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1550的寿命。说 明 书CN 103038025 A。