CN104875132A - 钎焊超硬磨料工具的制备方法及钎焊超硬磨料工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钎焊超硬磨料工具的制备方法及钎焊超硬磨料工具，钎焊超硬磨料工具由多层钎焊胚块钎焊而成，每层钎焊胚块中均匀分布有复合磨粒和填充材料，所述复合磨粒由在超硬磨料外表面包裹钎焊焊料和稀释材料的混合料制成。本发明实现了通过控制钎焊超硬磨料的钎焊区域的大小来间接控制单颗复合磨粒的钎焊强度，并通过填充材料的结构搭配，真正实现了多层钎焊的多层可持续加工性能。

Description

钎焊超硬磨料工具的制备方法及钎焊超硬磨料工具

技术领域

本发明涉及钎焊超硬磨料工具的制备方法及该钎焊超硬磨料工具。

背景技术

传统的以金刚石工具为代表的超硬磨料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。

新一代钎焊超硬工具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。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制备工艺。目前相关钎焊超硬磨料工具多以单层钎焊金刚石工具为主，也有少部分应用于高强度钢铁材料加工的钎焊CBN磨具不断被深入研究与开发。

在钎焊工具应用过程中普通被传统加工行业质疑的一个问题便是：单层的磨料工具，其寿命是否能达到很高，产品是否具有很高的性价比？虽然单层钎焊工具比电镀金刚石工具的寿命有了大幅的提高，但综合考虑到成本、市场等因素，单层钎焊金刚石工具在一些传统领域并不具有很大的优势，而且相比于成熟的传统烧结超硬工具，可替代性仍然不强。这也是目前钎焊超硬磨料工具在开拓市场中遇到了主要问题之一。

国内外专家学者针对单层钎焊超硬磨料工具的问题也展开了一系列的研究。总结来看，主要是通过以下两个方面来进行的。一是对钎焊超硬磨料工具基体结构的改进、通过外形的设计与创造，使单层磨料的分布在加工方向上呈连续分布形。以钎焊钻头为例，将钻头顶端的直线平面改为锯齿状，这样当锯齿顶端的磨料磨平后，下一层的磨料便会出露，继续参与加工，实现多层加工的目的。对于钎焊金刚石锯片，则可以将锯片外端加工成锯齿状或者波浪状，同样可取得上述效果。此种方法所制备的多层钎焊效果是通过改进基体的物理结构来实现，在应用过程中虽然取得了一定的效果，但由于会遇到基体与磨粒的同步磨损不匹配、单层平均寿命降低、加工表面质量较差等问题，导致此类工具的应用范围有一定限制。因此认为此种方式仅可看作“准多层钎焊”，本质上仍然是一种单层钎焊工艺。

另一种多层钎焊工具的制备是参考传统烧结金刚石工具的工艺，将金刚石、焊料、造孔剂按一定比例配混，冷压、烧结制备而成。此种工艺所制备的工具多为精密磨具。磨料粒度小，多应用于磨削，而且通过相关资料分析认为，此种工具虽然在磨料表面产生了一定的化学反应，使磨料与胎体结合具有一定的钎焊效果，但其磨料的出露、磨粒的把持强度，多层磨削性等方面仍然存大较大的困难，磨料粒度大容易脱落，磨料出露低，排屑效果差，多层的磨削效果不明显甚至无法持续。因此认为此种方法没有从根本上对多层钎焊磨料的结构进行设计优化，难以超出传统烧结金刚石工具的窠臼。

因此，需要一种多层钎焊工具，其应具备多层持续加工能力，不低于传统单层钎焊工具的加工表面质量，以及较长的加工寿命。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钎焊超硬磨料工具的制备方法及该钎焊超硬磨料工具，用于解决现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种钎焊超硬磨料工具的制备方法，包括以下步骤：第一步、将稀释材料与钎焊焊料混成复合料，所述稀释材料在钎焊过程中不与所述钎焊焊料发生化学发应、且相对挥发度在钎焊温度下低于预设值；第二步、在超硬磨料外表面包裹由第一步制成的所述复合料，在进行包裹时使用体积浓度为10％～80％的水溶性粘结剂将所述复合料与超硬磨料粘接固定，得到复合磨粒，其中，所述稀释材料不与所述超硬磨料发生化学反应；第三步、将所述复合磨粒与填充材料、填充焊料、水溶性粘结剂混合形成混合料，所述填充材料为既不与填充焊料发生化学反应、又不与超硬磨料发生化学反应的材料；第四步、将所述混合料放入模具内，加压定型形成钎焊胚块；第五步、将多个所述钎焊胚块叠加进行加热钎焊，制成多层的钎焊超硬磨料工具。

基于上述目的，本发明还提供一种钎焊超硬磨料工具，其中，所述钎焊超硬磨料工具由多层钎焊胚块钎焊而成，每层钎焊胚块中均匀分布有复合磨粒和填充材料，所述复合磨粒由在超硬磨料外表面包裹钎焊焊料和稀释材料的混合料制成；所述稀释材料在钎焊过程中既不与钎焊焊料发生化学发应、又不与超硬磨料发生化学反应，而且相对挥发度在所述钎焊温度下低于预设值；所述填充材料既不与钎焊焊料发生化学反应、又不与超硬磨料发生化学反应的材料。

如上所述，本发明的钎焊超硬磨料工具的制备方法及钎焊超硬磨料工具，具有以下有益效果：由复合磨粒、钎焊焊料、填充焊料(其也为钎焊焊料)、稀释材料与填充材料组成的复合结构，实现了通过控制钎焊超硬磨料的钎焊区域的大小来间接控制单颗复合磨粒的钎焊强度，并通过填充材料的结构搭配，真正实现了多层钎焊的多层可持续加工性能。

附图说明

图1显示为本发明的钎焊超硬磨料工具的截面示意图。

图2显示为本发明的所述复合磨粒示意图。

元件标号说明

1  稀释材料

2  钎焊焊料

3  超硬磨料

4  复合磨粒

5  填充材料

6  填充焊料

具体实施方式

本发明提供一种钎焊超硬磨料工具的制备方法，其包括以下步骤：

第一步、见图2所示，将稀释材料1与钎焊焊料2按体积比1：5～2：1配混成复合料，稀释材料1为在钎焊过程中即不与钎焊焊料2发生化学发应、又不与超硬磨料3发生化学反应，而且相对挥发度在钎焊温度下低于预设值的材料；其中，所述预设值设置为对应不易挥发性液体的相对挥发度。

第二步、制作复合磨粒，具体为：在超硬磨料3的外表面包裹由第一步制成的所述复合料，在进行包裹时使用体积浓度为10％～80％的水溶性粘结剂将所述复合料与所述超硬磨料3粘接固定，所述超硬磨料为指天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金、碳化硅或三氧化二铝；

第三步、见图1所示，将由第二步制成的所述复合磨粒4与填充材料5、3％～10％体积比的填充焊料6、10％～80％体积浓度的水溶性粘结剂混合均匀形成混合料，所述填充材料5为不与填充焊料6发生化学反应、又不与超硬磨料3发生化学反应的材料；其中，填充材料5与复合磨粒4的粒度比为0.8～1.2；

第四步、将第三步制成的所述混合料放入模具内，加压定型形成钎焊胚块；

第五步、将多个所述钎焊胚块叠加进行加热钎焊，最终制成多层的钎焊超硬磨料工具；加热钎焊的具体方式为：真空电阻钎焊、真空感应钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊或保护气氛钎焊等方式；其中，所述体积比是指以所述钎焊胚块的几何体积为总体积计算得出。

本发明在第一步中可通过调节稀释材料1与钎焊焊料2的比例来控制超硬磨料3表面的焊接面积。由于稀释材料1不参与反应，当钎焊焊料2熔化后被稀释材料所占面积不发生化学结合，不被稀释材料所占部分的钎焊焊料与超硬磨料3发生化学结合。因此通过控制稀释材料1与钎焊焊料2的体积比，便可以控制超硬磨料3与钎焊焊料2的钎焊结合程度，又由于超硬磨料3的钎焊把持强度是与钎焊焊料2对超硬磨料3的反应面积成正比的，因此间接控制了超硬磨料3的焊接强度。此外，为了使稀释材料1与钎焊焊料2混合均匀，两者的粒度比最好相近，控制在0.6～1.5之间。

本发明第二步中复合磨粒4的制造可以通过机械制粒工艺获得，也可以手工制粒。通过常规的包衣工艺可以制备超硬磨料的包裹效果，如图2所示，超硬磨料3的外表面包裹钎焊焊料2和稀释材料1均匀混合的混合料。其中包裹的钎焊焊料2与稀释材料1的混合与凝固是通过水溶性粘结剂实现的。水溶性粘结剂可在超硬磨料表面粘结、固化，形成包裹；又可将制备的复合磨粒与填充材料配混粘结，易于压模成型，而且水溶性粘结剂易挥发，残留小。

本发明第三步中：填充材料5的粒度应约等于制粒后的复合磨粒4粒度，填充材料5与复合磨粒4的粒度比0.8～1.2。由于多层钎焊工具不仅要求一定的锋利度，其关键的优势在于能够持续稳定参与加工，因此为了使复合磨粒高出露，排屑空间大，并且前一层复合磨粒磨损后脱落顺利露出下一层复合磨粒，所加入的填充材料粒度应与制粒后的复合磨粒粒度一致。这样按一定比例混合后便可使得填充材料5均匀等比例的存在于制粒后的复合磨粒4间隔中，如图1所示。

在模具成型时，加入一定体积比的填充焊料5是为了提高压胚成型率，并提高钎焊焊料流动性。由于制粒后的复合磨粒4与填充材料5混合后存在一定的间隙，如图1所示，若直接施加压力成型，会导致胚料中孔洞出现且不规律，并且导致成型率较低，而且在钎焊时不利于钎焊焊料的流淌，因此需要施加一定比例的填充焊料6，体积比为3％～10％。

如图1所示，本发明还提供一种钎焊超硬磨料工具，所述钎焊超硬磨料工具由多层钎焊胚块钎焊而成，每层钎焊胚块中均匀分布有复合磨粒4和填充材料5，复合磨粒4由在超硬磨料3的外表面包裹钎焊焊料2和稀释材料1的混合料制成，见图2所示；超硬磨料3具体指天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金、碳化硅或三氧化二铝；稀释材料1具体指在钎焊过程中即不与钎焊焊料发生化学发应、又不与超硬磨料发生化学反应，而且在高温下不会挥发的材料；填充材料5具体指不与钎焊焊料(也指上述填充焊料)发生化学反应、又不与超硬磨料发生化学反应的材料。

由于多层钎焊工具不仅要求一定的锋利度，其关键的优势在于能够持续稳定参与加工，因此为了使复合磨粒高出露，排屑空间大，并且前一层复合磨粒磨损后脱落顺利露出下一层复合磨粒，所加入的填充材料粒度应与制粒后的复合磨粒粒度一致。上述填充材料5与复合磨粒4的粒度比为0.8～1.2，这样按一定比例混合后便可使得填充材料5均匀等比例的存在于制粒后的复合磨粒4间隔中，如图1所示。

上述钎焊焊料2和填充焊料6均指能够与超硬磨料3发生化学冶金结合，并能对超硬磨料3进行牢固把持的合金。其可以是预合金粉末，也可以是几种单质金属的混合，平均粒度80目～300目。上述超硬磨料3的粒度为10目～400目。上述水溶性粘结剂将钎焊焊料2与稀释材料1混合粘结，可在超硬磨料表面粘结、固化，形成包裹，又可将制备的复合磨粒与填充材料配混粘结，易于压模成型，而且粘结剂易挥发，残留小，适于本发明的制备方法。

具体地，现需要一款多层钎焊磨盘，对金属材料表面进行打磨。磨盘规格125mm，通过制备10只长×宽×高＝40mm×10mm×4mm的多层钎焊胚块然后通过真空钎焊炉钎焊而成。其具体制备方法如下：

第一步、确定稀释材料为SiO2颗粒，粒度为120目；钎焊焊料为铜基焊料，其成分为铜—锡—钛，含量百分比为：铜60％～65％，锡20％～27％，钛16％～26％，粒度为120目。超硬磨料选择人造金刚石，品级为高品级耐磨型，粒度为40/50目。

将稀释材料与钎焊焊料按体积比1：2配混成复合料。

第二步、将复合磨粒进行制粒包裹，包裹成分为第一步制备的复合料，超硬磨料包裹使用体积浓度40％水溶性粘结剂粘接固定。由于此工具用于磨削金属材料，要求出露较高，排屑散热效果好，因此可将包裹厚度确定在0.15mm。

第三步、填充材料选择SiO₂颗粒，粒度由第二步包裹成的复合磨粒粒度确定，经计算确定为25/30目。将包裹超硬磨料的复合磨粒与填充材料SiO₂颗粒(体积比45％)、8％体积比的铜基钎焊焊料(即填充焊料)、25％体积浓度的水溶性粘结剂混合均匀，形成混合料。

第四步、将第三步的混合料放入设计加工好的模具腔内，压力200Mpa,压制成型，形成钎焊胚块。

第五步、将成型的钎焊胚块晾干后放置真空钎焊炉中进行真空钎焊。钎焊温度915度，保温15分钟。

本发明的钎焊超硬磨料工具的制备方法及钎焊超硬磨料工，具有以下特点：

①适用范围广，不仅天然金刚石、人造金刚石、CBN等材料可以应用，而且对于聚晶金刚石、聚晶CBN、硬质合金颗粒均可适用。

②制备稳定，各道工序均可进行标准化、量化操作。人工影响因素小。

③工序简单，经济性好。

④超硬磨料出露好，把持力可控。复合磨粒间隙确定，排屑空间可控，保证了超硬磨料的持续工作能力，而且加工表面质量稳定。

⑤宜于工业化生产。结合制粒、冷压设备，本发明批量化、标准化工业生产。

Claims (10)

1.一种钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将稀释材料与钎焊焊料混成复合料，所述稀释材料在钎焊过程中不与所述钎焊焊料发生化学发应、且相对挥发度在钎焊温度下低于预设值；

第二步、在超硬磨料外表面包裹由第一步制成的所述复合料，在进行包裹时使用体积浓度为10％～80％的水溶性粘结剂将所述复合料与超硬磨料粘接固定，得到复合磨粒，其中，所述稀释材料不与所述超硬磨料发生化学反应；

第三步、将所述复合磨粒与填充材料、填充焊料、水溶性粘结剂混合形成混合料，所述填充材料为既不与填充焊料发生化学反应、又不与超硬磨料发生化学反应的材料；

第四步、将所述混合料放入模具内，加压定型形成钎焊胚块；

第五步、将多个所述钎焊胚块叠加进行加热钎焊，制成多层的钎焊超硬磨料工具。

2.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于：所述填充材料与所述复合磨粒的粒度比为0.8～1.2；所述填充料的体积比为3％～10％；所述水溶性粘结剂的体积浓度为10％～80％；所述稀释材料与钎焊焊料按体积比1：5～2：1配混成复合料；其中，所述体积比是指以所述钎焊胚块的几何体积为总体积计算得出。

3.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于：所述第五步中加热钎焊的具体方式包括以下至少一种：真空电阻钎焊、真空感应钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊和保护气氛钎焊。

4.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于：所述第一步中，通过调节所述稀释材料与所述钎焊焊料的比例来控制所述超硬磨料表面的焊接面积。

5.一种钎焊超硬磨料工具，其特征在于，所述钎焊超硬磨料工具由多层钎焊胚块钎焊而成，每层钎焊胚块中均匀分布有复合磨粒和填充材料，所述复合磨粒由在超硬磨料外表面包裹钎焊焊料和稀释材料的混合料制成；所述稀释材料在钎焊过程中既不与钎焊焊料发生化学发应、又不与超硬磨料发生化学反应，而且相对挥发度在所述钎焊温度下低于预设值；所述填充材料既不与钎焊焊料发生化学反应、又不与超硬磨料发生化学反应的材料。

6.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料工具，其特征在于：所述填充材料均匀等比例的分布在所有复合磨粒间的间隔中。

7.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料工具，其特征在于：所述填充材料与所述复合磨粒的粒度比为0.8～1.2；所述填充料的体积比为3％～10％；所述水溶性粘结剂的体积浓度为10％～80％；所述稀释材料与钎焊焊料按体积比1：5～2：1配混成复合料；其中，所述体积比是指以所述钎焊胚块的几何体积为总体积计算得出。

8.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料工具，其特征在于：所述钎焊焊料及所述填充焊料均为预合金粉末，或者为几种单质金属的混合。

9.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料工具，其特征在于：所述钎焊焊料的平均粒度80目～300目。

10.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料工具，其特征在于：所述超硬磨料的粒度为10目～400目。