CN106607778A - 一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬磨料磨轮，包括节块、固定环、弹性支撑盘、刚性套，其中，所述节块包括若干块，每一块节块的表面钎焊超硬磨料；固定环采用高强度钢机加工而成，固定环的周向内表面与弹性支撑盘连接，固定环的周向外表面与若干块节块之间可拆卸的固定连接；弹性支撑盘的中心孔处过盈配合连接所述刚性套外壁，刚性套内壁与机床转轴配合连接。本发明一种超硬磨料磨轮，可有效应用于金属与非金属的磨削加工中，振动小，对砂轮机床功率要求低，利于钎焊制备，成本低，可快速更换，有利于批量生产与应用。

Description

一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺

技术领域

本发明涉及一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，属于超硬磨料工具制造领域。

背景技术

新一代的钎焊超硬磨料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。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。

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。国内目前由于相关技术处于产业化初期，工业生产的自动化程度低，工艺稳定性较低。目前存在的制备工艺主要包括两种形式，一种为先涂覆一层焊料合金层，然后排布金刚石磨料。另一种为先布洒金刚石磨料，再排布合金焊料颗粒。两种方式均有自身的特点。目前均在使用，且在不同结构的工具制备中具有独特的优势。

总结上述两种排布方式，可以看出，两种方式均涉及到超硬磨料的排布。而超硬磨料的排布由于需要达到均匀或者按一定的序列排布，往往涉及到复杂的工艺与设备，且生产效率较低，不利于产品成本降低与工业化推广。通过对超硬磨料工具表面地貌的研究分析可以看出，超硬磨料的分布无论序列还是随机排布，最为关键的因素是超硬磨料的均匀分布，即磨料均匀的状态下，使得每颗磨料的受力状态较为平均，且磨粒的散热空间相同，此时的工具则有较高的加工性能。

因此，实现钎焊工具表面的超硬磨料表面均布，是实现工具自动化高效生产的关键之一。分析钎焊超硬磨料工具的制备工艺，可以看出，钎焊超硬磨料工艺的整个过程中基体清理、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。但对于超硬磨料排布、焊料排布则存在着复杂的工艺，且不易实现自动化操作。因此，决定钎焊超硬磨料工具质量关键是磨料与焊料的钎焊布料工艺。

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

针对上述技术问题，本发明提供了一种可实现均布地貌的单层钎焊超硬磨料布料工艺。此工艺能够根据超硬磨料的要求匹配焊料用量，并实现超硬磨料在基体表面的均匀分布，使得焊料用量可控，以保证超硬磨料高出露。此外，本工艺步骤简单可行，易于实现自动化，经济效益高。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下的具体技术方案：

一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，包括以下几个步骤：

步骤一：根据加工要求，确定超硬磨料参数；

步骤二，根据超硬磨料参数，确定焊料用量，并确定焊料粒度；

步骤三，配制润湿剂，将润湿剂与超硬磨料及合金焊料充分拌匀，混合制备成混合料；

步骤四：在焊接区域表面涂粘结剂；

步骤五：涂覆混合料；将步骤三中拌匀的混合料涂抹于表面涂粘结剂的焊接区上；

步骤六：单层化混合料，利用低于100度的热气流烘干混合料，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的超硬磨料脱落，而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果；

步骤七：加热钎焊；即得到所制备的均布地貌的单层超硬磨料工具。

所述的润湿剂为用于将磨料与焊料均匀混合，并且易挥发的液体。

步骤三中所述润湿剂的含量占混合料总体积的0.5～2.5％。

所述的超硬磨料包括：金刚石、CBN、聚晶金刚石、聚晶CBN中的一种或多种混合；所述超硬磨料的粒度范围为16目～80目。

所述的焊料包括：含铬、钛元素的镍基合金焊料、铜基合金焊料或银基合金焊料。

所述合金焊料的粒度按照以下公式获得：

则：

V＝(0.45～0.75)R²×(L-2R)

其中，V是焊料颗粒的体积，R是超硬磨料的平均粒半径，L是磨粒间距由于合金焊料颗粒多为球状，则，其球粒半径R1可通过上式求得：

单层化所述混合料的操作方式包括：振动掉落、气流吹落、直接接触去除三种中的任意一种。

与传统的布料工艺相比，本发明具有以下有益效果：

第一、工艺精确，可根据加工要求优化磨料与焊料参数及用量。

第二、层超硬磨料地貌可实现均匀排布，无超硬磨料叠层排布现象

第四、宜于工业化生产。混料、涂覆、单层化作业等工序均可以通过自动化设备操作，生产效率高，质量稳定。

第五、本发明可大大降低钎焊超硬磨料工具制备时间，降低成本，提高产品性价比，具有很高的经济效益。

附图说明

图1为磨粒与焊料良好钎焊示意图。

具体实施方式

下面详细介绍本发明的具体操作方法。

步骤一：根据材料加工要求，确定超硬磨料的粒度、间距。超硬磨料的粒度根据加工材料以及精度要求确定，一般情况下，16目～80目粒度为常用粒度范围，80目以上属于细粒度范畴，不属于本发明工艺范围。磨料磨粒间距可根据加工条件以及磨粒粒度决定，一般磨粒间距范围在0.3～4.5mm之间。

步骤二、根据超硬磨料参数，确定焊料用量，并确定焊料粒度；焊料用量可根据磨粒参数进行匹配。一般情况下，为保证良好钎焊性能，焊后合金层平均厚度需要达到超硬磨料粒高30％～50％,如图1所示：

由于超硬磨料与焊料处于均布状态下，可看作各向均匀，因此，可将超硬磨料与所用焊料合金截面面积之比看作是超硬磨料体积与所用焊料合金体积之比。此外，由于焊料合金焊接后对超硬磨料有爬升、作用，导致焊料合金层非纯平面铺展，为计算简便，将上述模型优化，则有如下等式：

则：

V＝(0.45～0.75)R²×(L-2R)

其中，V是焊料颗粒的体积，R是超硬磨料的平均粒半径，L是磨粒间距由于合金焊料颗粒多为球状，则，其球粒半径R1可通过上式求得：

通过上式可得焊料颗粒的粒度。

步骤三、配制润湿剂，其作用是使得超硬磨料与焊料颗粒均匀混合，不因密度重量的不同而导致分层。此外，润湿剂的粘附力不易过大，且易挥发，能在100度以下挥发，不影响焊接气氛。可选用的成分有酒精、甘油、油脂、或它们的混合物等，当然不限于此类化学物品，凡是能达到上述要求的成分均可以包含在此范围内。润湿剂的含量一般约占总体积的0.5～2.5％。将润湿剂与超硬磨料及合金焊料充分拌匀，一般需要1小时以上的不断搅拌。

步骤四、在焊接区域刷涂一层粘结剂；

粘结剂的作用是将超硬磨料与合金焊料粘结固定于基体表面。且粘结剂能在500度以下温度挥发，残留物仅为碳化物，残留成分比不高于3％(质量分数)。

步骤五、涂覆混合料。

将拌匀的混合料涂抹于焊接区，由于粘结剂的作用，混合料均被粘附于基体表面。但由于润湿剂的作用，混合料会出现团聚现象，即基体表面为多层叠堆状，此时可暂不清理，只需要保证混合料将焊接区域涂抹完全即可。

步骤六、单层化混合料；

涂抹后，利用低于100度的热气流烘干润湿剂，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的超硬磨料脱落。而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果。即使某处仍然有粘结的多层磨料，由于粘结力很小，用毛刷等工具轻刷即可扫掉，不影响制备。由于超硬磨料与合金焊料已混合均匀，因此，超硬磨料的分布可以看作是均匀的。

当然单层化混全料的方式有多种，不局限于上述方式。单层化混合料的操作方式可以是机械操作亦可以是手工操作。单层化方式包括振动掉落、气流吹落、直接接触去除三种方式。

步骤七、对制备的工具进行加热钎焊，即可得到所制备的均布地貌的单层超硬磨料工具。钎焊后，焊料颗粒熔化爬升，超硬磨粒均匀分布，得到设计形貌。

下面通过3个具体的实施例对本发明一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺进行具体阐述；

实施例一：

制备一种切割铸件用的金刚石锯片，金刚石锯片规格：230mm×22.23mm×1.8mm×16T(外径×内孔×基体厚度×齿数)；

步骤一：由于切割为铸件，加工精度要求低，但要求切割效率高，切割寿命长，因此选择35目的高品级人造金刚石，磨粒间距1.0mm。

步骤二、确定焊料合金颗粒粒度。已知35目金刚石平均粒径0.5mm，则将上述参数代入下式中，计算：

得R1＝0.39～0.46mm

通过上式可得焊料颗粒的粒度。

步骤三、配制润湿剂，润湿剂选用纯酒精，占混合后总体积的0.5％。将润湿剂与金刚石及合金焊料充分拌匀，需要1小时不断搅拌。

步骤四、在焊接区域刷涂一层粘结剂，粘结剂选用压敏胶，能在500度以下温度挥发，残留物仅为碳化物，残留成分3％(质量分数)。

步骤五、涂覆混合料。

将拌匀的混合料涂抹于焊接区，由于粘结剂的作用，混合料均被粘附于基体表面。但由于润湿剂的作用，混合料会出现团聚现象，即基体表面为多层叠堆状，此时可暂不清理，只需要保证混合料将焊接区域涂抹完全即可。

步骤六、单层化混合料；

涂抹后，利用低于100度的热气流烘干润湿剂，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的金刚石脱落。而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果。即使某处仍然有粘结的多层磨料，由于粘结力很小，用毛刷等工具轻刷即可扫掉，不影响制备。由于金刚石与合金焊料已混合均匀，因此，超硬磨料的分布可以看作是均匀的。

步骤七、对制备的工具进行真空加热钎焊，加热时真空度不低于0.01Pa。钎焊温度1025度，保温25分钟。

由上述步骤即可得到所制备的钎焊金刚石锯片，锯片金刚石分布均匀致密，不聚集，可较好地应用于切割铸件材料。切割效率高，寿命长，具有较高的经济效益。

实施例二：

制备一种钻削高硬陶瓷的金刚石孔钻，金刚石孔钻规格：10mm×65mm×3/8”六角柄(钻头直径×总高×接柄规格)；

步骤一：由于为钻削用孔钻，加工材料为高硬陶瓷，钻削排热效果要求高，磨料密度需要高。因此选择50目的高品级人造金刚石，磨粒间距0.6mm

步骤二、确定焊料合金颗粒粒度。已知50目金刚石平均粒径0.3mm，则将上述参数代入下式中，计算：

得R1＝0.23～0.28mm

通过上式可得焊料颗粒的粒度。

步骤三、配制润湿剂，润湿剂选用纯酒精，占混合后总体积的2.5％。将润湿剂与金刚石及合金焊料充分拌匀，需要2小时不断搅拌。

步骤四、在焊接区域刷涂一层粘结剂，粘结剂选用压敏胶，能在500度以下温度挥发，残留物仅为碳化物，残留成分1％(质量分数)。

步骤五、涂覆混合料。

将拌匀的混合料涂抹于焊接区，由于粘结剂的作用，混合料均被粘附于基体表面。但由于润湿剂的作用，混合料会出现团聚现象，即基体表面为多层叠堆状，此时可暂不清理，只需要保证混合料将焊接区域涂抹完全即可。

步骤六、单层化混合料；

涂抹后，利用低于100度的热气流烘干润湿剂，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的金刚石脱落。而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果。即使某处仍然有粘结的多层磨料，由于粘结力很小，用毛刷等工具轻刷即可扫掉，不影响制备。由于金刚石与合金焊料已混合均匀，因此，超硬磨料的分布可以看作是均匀的。

步骤七、对制备的工具进行真空加热钎焊，加热时真空度不低于0.01Pa。钎焊温度1020度，保温20分钟。

由上述步骤即可得到所制备的钎焊金刚石孔钻，锯片金刚石分布均匀致密，不聚集，可较好地应用于钻削陶瓷材料。钻削效率与其它制备方式制备的金刚石孔钻相同，寿命长，制备成本低，具有较高的经济效益。

实施例三：

制备一种打磨木材用合金碎粒磨盘，合金碎粒磨盘规格：120mm×22.23mm×2.0mm(外径×内孔×基体厚度)；

步骤一：由于打磨木材用，要求不能烧伤木材表面，而且要求切割效率高，切割寿命长，因此选择16目的高品级碳化钨硬质合金颗粒，磨粒间距4.5mm，焊料合金选用铜基焊料合金。

步骤二、确定焊料合金颗粒粒度。已知16目金刚石平均粒径1.2mm，则将上述参数代入下式中，计算：

得R1＝0.61～0.72mm

通过上式可得焊料颗粒的粒度。

步骤三、配制润湿剂，润湿剂选用纯酒精，占混合后总体积的2％。将润湿剂与金刚石及合金焊料充分拌匀，需要2小时不断搅拌。

步骤四、在焊接区域刷涂一层粘结剂，粘结剂选用压敏胶，能在500度以下温度挥发，残留物仅为碳化物，残留成分3％(质量分数)。

步骤五、涂覆混合料。

将拌匀的混合料涂抹于焊接区，由于粘结剂的作用，混合料均被粘附于基体表面。但由于润湿剂的作用，混合料会出现团聚现象，即基体表面为多层叠堆状，此时可暂不清理，只需要保证混合料将焊接区域涂抹完全即可。

步骤六、单层化混合料；

涂抹后，利用低于100度的热气流烘干润湿剂，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的金刚石脱落。而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果。即使某处仍然有粘结的多层磨料，由于粘结力很小，用毛刷等工具轻刷即可扫掉，不影响制备。由于金刚石与合金焊料已混合均匀，因此，超硬磨料的分布可以看作是均匀的。

步骤七、对制备的工具进行真空加热钎焊，加热时真空度不低于0.2Pa。钎焊温度920度，保温18分钟。

由上述步骤即可得到所制备的钎焊合金碎粒磨盘，合金碎粒分布均匀致密，不聚集，可较好地应用于打磨木材。制备效率高，成本低，易于控制，具有较高的经济效益。

Claims (7)

1.一种实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：根据加工要求，确定超硬磨料参数；

步骤二，根据超硬磨料参数，确定焊料用量，并确定焊料粒度；

步骤三，配制润湿剂，将润湿剂与超硬磨料及合金焊料充分拌匀，混合制备成混合料；

步骤四：在焊接区域表面涂粘结剂；

步骤五：涂覆混合料；将步骤三中拌匀的混合料涂抹于表面涂粘结剂的焊接区上；

步骤六：单层化混合料，利用低于100度的热气流烘干混合料，由于润湿剂挥发，粘附力消失，叠层的超硬磨料脱落，而被基体表面的粘结剂粘结的颗粒仍然被粘结，达到了单层的效果；

步骤七：加热钎焊；即得到所制备的均布地貌的单层超硬磨料工具。

2.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，所述的润湿剂为用于将磨料与焊料均匀混合，并且易挥发的液体。

3.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，步骤三中所述润湿剂的含量占混合料总体积的0.5～2.5％。

4.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，所述的超硬磨料包括：金刚石、CBN、聚晶金刚石、聚晶CBN中的一种或多种混合；所述超硬磨料的粒度范围为16目～80目。

5.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，所述的焊料包括：含铬、钛元素的镍基合金焊料、铜基合金焊料或银基合金焊料。

6.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，所述合金焊料的粒度按照以下公式获得：

$\frac{\frac{3{\mathrm{\πR}}^3}{4}}{V}=\frac{{\mathrm{\πR}}^2}{(L-2R)\×(0.6R~R)}$

则：

V＝(0.45～0.75)R²×(L-2R)

其中，V是焊料颗粒的体积，R是超硬磨料的平均粒半径，L是磨粒间距；

由于合金焊料颗粒多为球状，则，其球粒半径R1可通过上式求得：

$R1=\sqrt[3]{\frac{(0.6~1)R^2\×(L-2R)}{\mathrm{\π}}}.$

7.根据权利要求1所述的实现均布地貌的单层超硬磨料工具制备工艺，其特征在于，单层化所述混合料的操作方式包括：振动掉落、气流吹落、直接接触去除三种中的任意一种。