CN102896387B - 钎焊超硬磨料工具布料工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎焊超硬磨料工具布料工艺，包括以下步骤：第一步、清理基体表面；第二步、在布洒磨料的布料区表面刷涂一层体积浓度为20%～60%的浓粘结剂；第三步、在粘结剂表面布洒粒度为10～300目的磨料，磨料之间的间距L为0.02mm～15mm；第四步、在粘结剂表面布洒球形或近球形焊料颗粒；第五步、在布料区域喷洒体积浓度为5%～15%的稀粘结剂以固定金刚石与焊料；第六步、清理上述已经固定好后金刚石和焊料的基体。本发明由于选择了合适粒度的焊料，与钎焊的超硬磨料粒度匹配，并结合布料设备的使用，保证了钎焊质量。同时又便于工业化生产操作。本发明所设计方案，对工件的适应性好，钎焊质量好，而且连续生产具有一致性，适于工业化生产。

Description

钎焊超硬磨料工具布料工艺

技术领域

本发明涉及一种钎焊超硬工具布料工艺，广泛应用于制作钎焊金刚石锯片、钎焊金刚石钻头、钎焊金刚石磨轮、钎焊串珠绳锯、异型金刚石工具、钎焊CBN工具、合金碎粒等超硬工具。利用该方法制备的超硬磨料工具可应用于石材加工、金属或非金属加工、矿山开采等领域。

背景技术

传统的以金刚石工具为代表的超硬工具可以分为电镀工具与烧结工具两大类，它们各有所长。但是由于金刚石表面存在较高的表面能，难与一般金属浸润，磨粒与胎体金属间的界面不存在牢固的冶金结合层。胎体对磨粒的把持力小，极易因胎体磨损而使磨粒脱落，利用率不高； 另一方面，由于金刚石颗粒是机械包埋，故其出露的高度较小，切削效率不高。

新一代的超硬工具多为利用钎焊工艺的单层钎焊超硬工具，它是利用焊料熔化的方式将超硬磨料与工件基体焊接在一起制作而成。目前常用的钎焊工具有钎焊锯片、钎焊磨轮、钎焊钻头等。钎焊工具由于其具有磨料出露高、高把持强度、锋利度高以及寿命长等优势，在金属材料、硬脆材料等领域的切割、磨削已得到了越来越多的应用，并在许多领域替代了传统的电镀工具。

以金刚石和立方氮化硼（CBN）为主制作的钎焊超硬磨料工具被广泛应用于各类金属材料的切割、磨削加工，石材、微晶玻璃、塑料、碳纤维等硬脆材料的切割加工。并且在公路养护、地质钻探、矿山开采、公共安全等领域得到了越来越多的应用，市场需求逐渐增多。

由于钎焊超硬磨料技术是近几年才开始深入研究的新兴技术。相关的钎焊工具生产厂家较少，而且对钎焊超硬工具的制备仍处于边研发边生产的阶段。目前，欧美、韩国少数国家以及我国台湾地区掌握了一定的钎焊超硬工具的布料工艺。国内厂家由于研发能力有限，且受利益因素影响难以做持久深入的研究，一般多根据简单数次试验结果便确定某种钎焊工艺，这种做法虽然能生产出基本符合要求的产品，但也暴露出一定的问题，一是由于生产工艺没有相关精确控制，生产质量难以稳定，造成产品合格率一直无法快速提高。再者，所确定的生产工艺难具精确化、细分化，对不同加工要求难以做到区别对待。以上两个方法在较大程度上制约了钎焊工具技术在国内的发展，也限制了中国钎焊超硬磨料技术在国际上的影响力。

钎焊超硬磨料工艺的整个过程包括以下几个方面，如图1所示。从整个生产流程中可以看出，基体清理、高温钎焊、质检、包装入库等工序属于常规化操作，目前相关规范与操作要求均已精确与标准，可以保证稳定与一致。但对于制备半成品则有很大的不同，这不仅与制备半成品的工艺方法有关，还与整个工艺方法的可控性与可操作性有关。因此，决定钎焊超硬磨料工具质量关键的便是半成品的制作，即磨料与焊料的钎焊布料工艺。

目前相关生产厂家以及国内高校研究所对钎焊布料工艺做了一定的研究，也有相关研究被报道。总结目前所报道的布料工艺方式，主要有两种：一种是用粉末状焊料进行钎焊，将焊料与钎剂或者粘结剂搅拌成膏状，然后均匀涂于工件基体表面，再布洒磨料，然后再进行火焰钎焊或者真空钎焊。另一种是将片状或者箔状焊片贴于基体表面，再将超硬磨料置于焊片上进行火焰钎焊或者真空钎焊。

上述两种方法均存在一定的缺陷。第一种方法焊料的刷涂厚度较难控制，容易造成焊料过少或者过多。而且也难以刷涂均匀，且对于曲面弧度较大工件（异型磨轮）以及边缘锐利工件（如锯片）适应性差，此外粉末状焊料与粘结剂的混合也是较难控制的，这是由于粘结剂一般会有部分挥发，所调制的膏状焊料浓度不断变化，在涂抹工件时容易造成厚度不均匀；而且由于钎焊焊料一般为金属，密度大，容易从粘结剂中析出，形成沉淀块，也影响了膏状焊料的使用。第二种方法对平面工件易于操作，但对于曲面以及回转件则具有较大的困难。这是由于焊片多为箔片，但具有一定的厚度与形状，对于平面工件可以贴紧，但如果焊接表面为曲面（如异型磨轮），贴焊片将成为一件非常困难的事情，实际可操作性不大。

除了以上两种方法，亦有研究人员提出将磨料与粉末状焊料混合在一起，调制成膏状，涂抹于工件表面，一次成型。这种工艺方法虽然在操作上不难，但是半成品钎焊后，磨料难出有高出露，甚至不出露，而且对于大粒度的磨料更难以混合均匀。这种工艺方法制备的工具实际上丧失了钎焊超硬磨料技术所具有的优势，无法发挥钎焊技术所带来的锋利度高，排屑空间大的革命性效果。因此，为了能够精确控制产品质量，稳定生产工艺，需要一种新型钎焊超硬磨料布料工艺来解决以上存在的问题。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种钎焊超硬磨料工具布料新工艺。此工艺能够精确地与不同粒度的磨料进行匹配，并适应于各种几何形状的工件，达到产品质量可控，质量稳定一致的效果。

具体发明方案如下：

一种钎焊超硬工具布料工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、清理基体表面；

第二步、在布洒磨料的布料区表面刷涂一层体积浓度为20%～60%的浓粘结剂；

第三步、在粘结剂表面布洒粒度为10～300目的磨料，磨料之间的间距L为0.02mm～15mm；

第四步、在粘结剂表面布洒球形或近球形焊料颗粒，其中焊料颗粒的半径R为：

其中，h为磨粒高度，L为磨粒间距，k为钎焊后磨粒出露磨粒的高度与磨粒高度之比，k取0.45～0.85；

第五步、在布料区域喷洒体积浓度为5%～15%的稀粘结剂以固定金刚石与焊料；

第六步、清理上述已经固定好后金刚石和焊料的基体。

本发明布料工艺，粘结剂为压敏胶，由丙酮稀释调配。先将浓的粘结剂刷涂于工件基体上，然后洒布超硬磨料，由于粘结剂的粘性，超硬磨料被粘附于工件基体表面。然后再布洒与超硬磨料粒度匹配的焊料，由于超硬磨料分布比较稀疏，则焊料填补于超硬磨料之间。布洒完毕后，再喷洒一遍稀的粘结剂进行固定。

所述的k为0.7。

所述的磨料为金刚石、CBN、聚晶金刚石、聚晶CBN、合金碎粒或碳化硅。

所述的焊料为单一粒度焊料或由某一粒度区间焊料混合的混合粒度焊料。

所述的混合粒度焊料是由不同粒度的焊料按同等比例均匀混合而成。

磨料与焊料的排布为是手工布料或机械式振动筛网布料。

与传统的布料工艺相比，本发明有以下特点：

①    操作简便，不需要刷涂焊料。

②    生产一致性好，对焊料的厚度可以与磨料匹配确定，人工因素影响小。

③    对工件的适应性好，对平面工件、回转面工件、异型曲线工件均可布料，且布料均匀。

④    磨料出露高，把持力强。由于焊料厚度确定、可控，则磨料的出露也可以保证，这样也保证了钎焊工具的锋利度，质量好。

⑤    宜于工业化生产。结合布料设备，本发明可以进行边续操作，适合工业化生产操作。

附图说明：

图1 常规钎焊超硬磨料工具生产流程；

图2 焊料对磨料的理想包埋效果；

图3 焊料金刚石粒度匹配数学模型；

图4 钎焊超硬磨料排布工艺。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明工艺作详细说明：

（1）焊料是大粒度的，球形或类球形的。为解决钎焊焊料对工件几何外形的适应性，以及对均匀性一致性的要求，创造性地提出将焊料大颗粒化的方案，此处的大颗粒化是与传统的焊料合金粉末粒度相比的，焊料的成分根据生产要求配制，由金属粉末经过合金化后制备成颗粒球状的焊料粒。制备成颗粒状的方法可以是气化法、也可以是雾化法。但要求焊料粒几何外形是球形或近球形。

（2）焊料粒度是多种的，是根据磨料的排布密度以及磨料粒度确定的。大颗粒化焊料粒度一般在30目至300目之间，以匹配不同粒度的磨料。其匹配原理是大粒度磨料与大粒度焊料匹配，小粒度磨料与小粒度焊料匹配。

具体料颗粒的半径R为：

其中，h为磨粒高度，L为磨粒间距，k为钎焊后磨粒出露磨粒的高度与磨粒高度之比，k取0.45～0.85。

为了获得磨料的最佳磨削加工性能，一般钎焊磨料的出露高度在其磨料自身高度的70%左右，即k取0.7的情况。这是由前人经过多次试验验证的，从另一方面理解，即焊料对磨料的包埋深度应在30%左右便能获得最佳的效果，即保证了较高的磨料把持强度，又获得了大排屑空间，如图2所示。

为了获得出露高度为70%的钎焊磨料工作面，现将焊料与金刚石粒度匹配模型建立如下：如图3所示。单颗磨料间距为L，磨料整体高度为h，焊料半径为R，不失一般性，将超硬磨料简化为正六面体，焊料置于两颗磨料之间，为了达到焊料熔化后能够包埋磨料高度的30%，则需要焊料能够将磨料之间的空隙布满并爬升一定高度。由于磨料排面与焊料排布是均匀的，而且各个方向相同，因此将整个模型简化为二维模型，即任取某个截面，计算焊料所在的圆面积是否与填充磨料高度30%之间的面积相等。其计算公式如下：

                                                    (公式1)

将公式1整理为一元二次方程，得公式2

                                             (公式2) 

由公式2可知，在已知磨料间距与磨料粒度的情况下，便可通过此公式计算出焊料的半径R，即焊料的粒度。由于磨料间距L与磨料粒度可控，因此焊料的粒度亦可控，而且可以保证焊料与粒度之间的匹配。

（3）焊料层的均匀性是由粘结剂控制的。将一定浓度的粘结剂均匀涂抹于工件待焊表面，便可以获得一个具有粘性的表面，此粘性表面的作用是可以将超硬磨料与球状焊料粘附，由于磨料与焊料粘附是单层效果，这样便可以便到与工件几何外形一致的焊接表面，以此便可以保证焊接表面的均匀性。

此粘结剂可用压敏胶，其主要成分为碳氢化合物，在高温时会挥发掉，基本不留下残余杂质，不会影响磨料的钎焊性能。而且常温下保持粘性，不因时间变化，具有较好的可控性。

（4）磨料与焊料的布料顺序是先布磨料，再布焊料。一般工件表面磨料的分布不是颗粒紧挨的，为了保证一定的排屑空间，磨料之间要有一定的距离，此外，由于经过高温钎焊后，焊料熔化，失去原有形态，磨料被焊牢，基体维持原状态。因此，先排布磨料可以有效地控制工件表面磨料排布地貌。

（5）磨料与焊料的布洒可以是手工，也可以是机械布洒。由于磨料与焊料均为颗粒状，因此布料过程但较为简单，可以利用不同目数的筛网采取手工布洒，也可以利用机械振动筛网进行自动布洒。主要目的是保证布洒效果均匀一致。

通过以上创造性设计与综合，便可以得出以下制备钎焊超硬磨料工具半成品的制备流程。

首先清理工件基体表面（图4中4），再将浓的粘结剂（图4中3）刷涂于工件基体上，然后洒布超硬磨料（图4中1），由于粘结剂的粘性，超硬磨料被粘附于工件基体表面。然后再布洒焊料（图4中2），由于超硬磨料分布比较稀疏，则焊料填补于超硬磨料之间。布洒完毕后，再喷洒一遍稀的粘结剂进行固定即可。

由于选择了合适粒度的焊料，与钎焊的超硬磨料粒度匹配，并结合布料设备的使用，保证了钎焊质量。同时又便于工业化生产操作。本发明所设计方案，对工件的适应性好，钎焊质量好，而且连续生产具有一致性，适于工业化生产。

实施例一

以外径110mm的常规钎焊金刚石锯片布料为例。其具体布料工艺如下：

①    选择锯片基体材料为65Mn,冲压基体，并倒角。

②    清理锯片基体表面，确保无油脂、杂质。

③    在锯片外端刀头处刷涂宽度为5mm的浓粘结剂。粘结剂为压敏胶。

④    布洒金刚石磨料。金刚石粒度为50/60目。

⑤    布洒粒度为50目至80目的混合粒度焊料。焊料为镍基焊料，其成分为镍－铬－铁－硅。含量百分比为：镍84%~85%，铬4%~5%，铁6.5%~7.5%，硅4%~5%。

⑥    对锯片的布料区域喷洒稀粘结剂以固定金刚石与焊料。

⑦    清理半成品表面。

⑧    进行真空炉中钎焊。钎焊温度选择1030度，保温20分钟。

实施例二

以铜基焊料钎焊异型曲面手扶磨轮F20为例。其具体布料工艺如下：

①    按要求加工异型曲面手扶磨轮F20基体。

②    清理磨轮表面，确保无油脂、杂质。

③    在磨轮回转外表面均匀刷涂一层浓粘结剂。由压敏胶与丙酮按2：3体积比配制而成。

④    布洒粒度为40/50目的金刚石磨料。

⑤    布粒度为60目的铜基焊料，其厚度达到金刚石高度即可。铜基焊料，其成分为铜-锡-钛，含量百分比为：铜60%~65%，锡20%~27%，钛16%~26%。 

⑥    喷洒稀粘结剂固定。由压敏胶与丙酮按1：6体积比配制而成。

清理表面，进行真空炉中钎焊。钎焊温度为930度，保温时间15分钟。 

Claims (6)

1.一种钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于，步骤如下：

第一步、清理基体表面；

第二步、在布洒磨料的布料区表面刷涂一层体积浓度为20%～60%的浓粘结剂；

第三步、在粘结剂表面布洒粒度为10～300目的磨料，磨料之间的间距L为0.02mm～15mm；

第四步、在粘结剂表面布洒球形或近球形焊料颗粒，其中焊料颗粒的半径R为：

其中，h为磨粒高度，L为磨粒间距，k为钎焊后磨粒出露磨粒的高度与磨粒高度之比，k取0.45～0.85；

第五步、在布料区域喷洒体积浓度为5%～15%的稀粘结剂以固定磨料与焊料；

第六步、清理上述已经固定好后磨料和焊料的基体。

2.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于：所述的k为0.7。

3.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于：所述的磨料为聚晶金刚石、聚晶CBN、合金碎粒或碳化硅。

4.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于：所述的焊料为单一粒度焊料或由某一粒度区间焊料混合的混合粒度焊料。

5.根据权利要求4所述的钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于：所述的混合粒度焊料是由不同粒度的焊料按同等比例均匀混合而成。

6.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具布料工艺，其特征在于：磨料与焊料的排布为是手工布料或机械式振动筛网布料。