本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种切削型金刚石刀具及其制备方法。
背景技术
锯切或钻进类金刚石刀具主要由锯切或钻进类金刚石磨料和金属结合剂组成，近年来因金刚石合成技术和刀具制作技术快速发展，降低了刀具成本，导致了石材、玻璃、混凝土等加工领域的刀具成本大幅下降，转而促进了金刚石刀具的广泛应用。对于在石材、玻璃、陶瓷、混凝土和沥青等建筑材料和基础建设中所使用的锯切或钻进类金刚石刀具而言，适合的金属结合剂包括钴基结合剂、镍基结合剂和铁基结合剂，从降低成本和可获取性来讲，目前铁基结合剂占了主流地位。在这些结合剂体系的烧结中，是典型的固相烧结，即由颗粒重排、气孔填充、晶粒生长等阶段组成，普遍存在烧结温度偏高或烧结坯致密度偏低的现象。固相烧结主要靠扩散传质，相对于液相烧结的熔体传质而言，在同样温度、压力和时间下获得高致密度更为困难。
当前，锯切或钻进类金刚石刀具的制造工艺是粉末冶金热压成型工艺，工艺的主要参数是烧结(峰值)温度、压强和烧结时间。工艺参数选择，主要围绕压坯高度或压坯的致密度和烧结成本。因此，烧结温度要尽可能低，来防止金刚石性能降级和节约电力；压强要经过合理选择来延长石墨模具的使用寿命；烧结时间尽可能短，来降低能耗要求，提高单班次产量。但是，目前主要使用的钴、镍、铁基金属结合剂体系，在热压烧结过程中主要以固相烧结为主，存在着以下问题：
(1)如果烧结温度提高来满足提高烧结坯致密度，则存在金刚石磨料在高温下将趋于受到氧化、石墨化、和强度降级，降低金刚石磨料的切削性能，而对于大批量生产而言，烧结温度越高，耗电量越大，造成了刀具生产成本提高。
(2)如果烧结温度降低，则存在烧结坯致密度不够，烧结坯致密度是金刚石刀具的一项关键性指标，烧结坯致密度至少要达到90％的理论密度，如果烧结坯致密度低至85％理论密度或以下，则会在使用期间加快金属结合剂磨损，削弱对金刚石磨料的把持，造成使用中金刚石磨料过早脱粒的现象，最终大幅降低刀具的寿命。如果在热压烧结工艺中提高压力，尽管可以小幅提高烧结坯致密度，但是却可能超过石墨模具的极限抗压强度，石墨模具的大量损耗最终导致产品成本大幅提高。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种切削型金刚石刀具及其制备方法，通过向金属结合剂中添加高硅铝合金添加剂，在同样烧结温度条件下可显著改善烧结坯致密度和其它各项机械性能指标，从而提高金刚石刀具切削性能并延长其使用寿命。
本发明的技术方案为：
一种切削型金刚石刀具的原料组分包括：3-10重量份金刚石磨料、90-97重量份金属结合剂粉末；
所述金属结合剂粉末包括5-20％的高硅铝合金添加剂；所述高硅铝合金添加剂由硅和铝组成，其中，所述硅含量占50-70％。
优选的，所述高硅铝合金添加剂为球形粉末。
优选的，所述球形粉末的平均粒径为20-200μm。
优选的，所述切削型金刚石刀具为锯切或钻进类金刚石刀具。
优选的，所述锯切或钻进类金刚石刀具为锯片、钻头、砂轮、磨辊。
一种制备所述切削型金刚石刀具的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述混合粉末装入模具，经热压烧结，即得所述切削型金刚石刀具。
步骤(1)中，所述金属结合剂粉末为铜基结合剂粉末、钴基结合剂粉末、镍基结合剂粉末和铁基结合剂粉末中的任意一种。
步骤(2)中，所述热压烧结的温度峰值为800-900℃。
步骤(2)中，所述热压烧结的压力为0.5-5t/cm2。
步骤(2)中，所述热压烧结的时间为5-15min。
本发明的有益效果为：
本发明所述的切削型金刚石刀具，热压烧结过程中，随着烧结温度升高，金刚石磨料和金属结合剂粉末克服颗粒间的摩擦阻力发生颗粒迁移并排放内部气体以压缩体积。向金属结合剂粉末中添加5-20％高硅铝合金添加剂后，高硅铝合金添加剂在热压烧结期间，低于热压烧结温度峰值(800-900℃)，于577℃时预先熔化成液态，一方面，所述液态渗入颗粒间的界面起到润滑剂的作用，降低颗粒间迁移产生的摩擦阻力，进而促进体积压缩；另一方面，所述液态中的铝是一种活泼金属，可分别与颗粒中残留的氮气和氧气反应生成固态氮化铝和氧化铝，导致颗粒间间隙的局部真空，从而促进颗粒的塑性变形以填充这些空间，即通过脱氧剂和脱氮剂的作用进一步促进体积压缩，且在800℃时，液态铝通过对金刚石磨料的润湿，在金刚石磨料表面形成碳化物相，以钉扎的形式构成金刚石与金属结合剂之间粘接的桥梁，从而提高了金属结合剂对金刚石的把持。经实验证明，向金属结合剂粉末中添加高硅铝合金添加剂，在同样烧结温度条件下烧结坯致密度和其它各项机械性能指标显著提高，从而大幅提高了金刚石刀具的切削性能并延长了其使用寿命。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种锯片，原料组分包括：3g粒度为40#的金刚石磨料、97g金属结合剂粉末；其中，金属结合剂粉末为含5％高硅铝合金添加剂的羰基铁粉；高硅铝合金添加剂为球形粉末，平均粒径为20μm。
进一步，提供一种制备所述锯片的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将混合粉末装入模具，在烧结的温度峰值为800℃，烧结压力为0.5t/cm2的条件下进行热压烧结15min即得所述锯片。
实施例2
本实施例提供一种钻头，原料组分包括：10g粒度为50#的金刚石磨料、90g金属结合剂粉末；其中，金属结合剂粉末为含20％高硅铝合金添加剂的羰基铁粉；高硅铝合金添加剂为球形粉末，平均粒径为200μm。
进一步，提供一种制备所述钻头的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将混合粉末装入模具，在烧结温度峰值为900℃，烧结压力为5t/cm2的条件下进行热压烧结5min即得所述钻头。
实施例3
本实施例提供一种砂轮，原料组分包括：5g粒度为60#的金刚石磨料、95g金属结合剂粉末；其中，金属结合剂粉末为含10％高硅铝合金添加剂的羰基铁粉；高硅铝合金添加剂为球形粉末，平均粒径为60μm。
进一步，提供一种制备所述砂轮的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将混合粉末装入模具，在烧结温度峰值为900℃，烧结压力为1t/cm2的条件下进行热压烧结10min即得所述砂轮。
实施例4
本实施例提供一种磨辊，原料组分包括：7g粒度为40#的金刚石磨料、93g金属结合剂粉末；其中，金属结合剂粉末为含15％高硅铝合金添加剂的羰基铁粉；高硅铝合金添加剂为球形粉末，平均粒径为80μm。
进一步，提供一种制备所述磨辊的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将混合粉末装入模具，在烧结温度峰值为800℃，烧结压力为2t/cm2的条件下进行热压烧结10min即得所述磨辊。
实施例5
本实施例提供一种锯片，原料组分包括：9g粒度为40#的金刚石磨料、91g金属结合剂粉末；其中，金属结合剂粉末为含15％高硅铝合金添加剂的羰基铁粉；高硅铝合金添加剂为球形粉末，平均粒径为100μm。
进一步，提供一种制备所述锯片的方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石磨料和金属结合剂粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)将混合粉末装入模具，在烧结温度峰值为800℃，烧结压力为3t/cm2的条件下进行热压烧结10min即得所述锯片。
对比例1
与实施例5的区别仅在于，原料组分中不含有高硅铝合金粉末添加剂。
将实施例5和对比例1的锯片分别进行机械性能研究，结果表明：实施例5的烧结坯致密度较对比例1提高10％，抗拉强度、冲击韧性或硬度提高7-14％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。