CN106881671B - 一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具，包括基体和复合在基体表面的多层金刚石复合层；所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料；所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中无序分布。本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具，该工具的金刚石复合层中具有多层金刚石颗粒，可以延长使用寿命；进一步的，金刚石复合层中包含大量气孔，不仅可以储藏冷却液，容屑排屑，防止烧伤，而且还有利于金刚石的出刃，使金刚石工具持续锋利；而且合金钎料与金刚石的结合牢固，且钎料自身已完全合金化，均匀性好，性能一致性高。此外，本发明的制作工艺简单，不受金刚石工具尺寸及形状的限制。

Description

一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料工具制造和硬脆材料加工技术领域，尤其涉及一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法。
背景技术
金刚石工具是指用金刚石的颗粒或粉末作为主要元素的一类工具产品，这类工具类型包括：切、磨、钻、铣以及抛光等等，广义上来说，金刚石研磨膏、滚压锯片、冷镶金刚石拉丝模、冷镶金刚石刀具、钎焊金刚石复合片刀具等，也都属于金刚石工具。
金刚石工具按结合剂划分有：树脂、金属和陶瓷结合剂金刚石工具三大类，金属结合剂工艺又可分为烧结、电镀和钎焊等几类；按用途结构划分有磨具--砂轮、滚轮、滚筒、磨边轮、磨盘、碗磨以及软磨片等，锯切工具--圆锯片、排锯、绳锯、筒锯、带锯、链锯和丝锯等，钻探工具--地质冶金钻头、油(气)井钻头、工程薄壁钻头、石材钻头和玻璃钻头等，以及其它工具，如修整工具、刀具或拉丝模等。
由于金刚石是目前已知的世界上最硬的物质，属于超硬材料，故制成的工具特别适合加工硬脆材料尤其非金属材料，如石材、墙地砖、玻璃、陶瓷、混凝土、耐火材料、磁性材料、半导体、宝石等；也可以用于加工有色金属、合金、木材，如铜、铝、硬质合金、铸铁、复合耐磨木板等。目前金刚石工具已广泛应用以建筑、建材、石油、地质、冶金、机械、电子、陶瓷、木材、汽车等工业，具有广阔的发展前景。
特别是陶瓷、玻璃、蓝宝石等硬脆材料的加工，一般使用金刚石工具，其中金属结合剂金刚石工具的使用最为广泛，其制作方法主要有粉末冶金烧结法，电镀法和钎焊法。粉末冶金烧结法制成的金刚石工具具有多层金刚石结构，寿命较长，但金属粉之间并没有完全形成合金，结合强度较低，并且基本无气孔，容易堵塞烧伤工件，对于一些复杂形状的工具，成型困难，后加工难度大；电镀法制作工艺简单，不易受工具尺寸和形状的影响，但工作层只有单层金刚石，且镀层与金刚石属于包镶结合，结合强度低，寿命较短。
而钎焊法制作的金刚石工具中，钎料自身已经完全合金化，强度较高，里面的活性元素与金刚石形成化学键结构，结合强度高，因而得到了业内的广泛重视。但现有钎焊法制造的金刚石工具也只有单层金刚石，寿命比电镀金刚石工具高，比烧结金刚石工具低，而且使用的金刚石粒度也比较大，仅应用在各种粗加工或精度要求不高的领域。
因而，如何得到一种具有更好的性能的钎焊金刚石工具，提高其性能和加工精度，已成为业内诸多应用厂商和生产厂商亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多层钎焊金刚石工具，本发明提供的多层钎焊金刚石工具，包含多层金刚石，具有磨削锋利，使用寿命长，制作工艺简单等优点，而且不受尺寸和形状的限制。
本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具，包括基体和复合在基体表面的多层金刚石复合层；
所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料；
所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中无序分布。
优选的，所述多层金刚石复合层中还包含气孔；
所述气孔的孔径为35～80μm；
所述气孔的孔隙率为10vol％～25vol％。
优选的，所述金刚石颗粒的粒径为40～2000目；
所述骨架颗粒的粒径为D+(100目～300目)，所述D为金刚石颗粒的粒径；
所述合金钎料的熔点为700～1000℃。
优选的，所述基体包括易车铁、45#钢和钨钢中的一种或多种；
所述骨架颗粒包括硬质材料颗粒；
所述合金钎料包括活性钎料。
优选的，所述硬质材料颗粒包括高硬度高熔点的硬质材料颗粒；
所述硬质材料包括WC、TiC和W中的一种或多种；
所述合金钎料包括银基钎料、铜基钎料和镍基钎料中的一种或多种。
本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将金刚石颗粒、骨架颗粒、合金钎料粉末和胶粘剂混合后，得到糊状物；
2)将上述步骤得到的糊状物复合在预热后的基体表面，晾置后进行加热固化，得到固化后的坯体；
3)将上述步骤得到的固化后的坯体进行真空钎焊后，得到多层钎焊金刚石工具。
优选的，所述合金钎料粉末的粒度为300目以细；
所述胶粘剂包括合成树脂型胶粘剂；
所述骨架颗粒和所述金刚石颗粒的质量比为(0.3～0.8)：1；
所述合金钎料粉末和所述金刚石颗粒的质量比为(3～12)：1；
所述胶粘剂和所述金刚石颗粒的质量比为5％～10％。
优选的，所述步骤1)具体为：
将清洗后的金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料粉末进行初次混合，再加入胶粘剂混合后，得到糊状物；
所述基体为清洗后的基体。
优选的，所述预热的温度为40～50℃；
所述加热固化的时间为0.5～2h；所述加热固化的温度为120～140℃；
所述真空钎焊的温度为T+(5～20℃)，所述T为合金钎料的熔点温度；
所述真空钎焊的时间为2～5h。
优选的，所述步骤2)之后还包括修形步骤；
所述修形的预留量为5％～10％；
所述真空钎焊后，还包括精修形步骤。
本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具，包括基体和复合在基体表面的多层金刚石复合层；所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料；所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中无序分布。与现有技术相比，本发明针对现有的钎焊单层金刚石工具，寿命低，金刚石粒度较大，仅应用在各种粗加工或精度要求不高的领域的缺陷，提供了一种多层钎焊金刚石工具，该工具的金刚石复合层中具有多层金刚石颗粒，可以延长使用寿命；进一步的，金刚石复合层还能够包含大量气孔，不仅可以储藏冷却液，容屑排屑，而且还有利于金刚石的出刃，使金刚石工具持续锋利。此外，本发明制作工艺简单，不受金刚石粒径的限制。实验结果表明，本发明提供的多层钎焊金刚石工具平均使用寿命是单层钎焊金刚石工具的5.52倍，且相比单层钎焊金刚石工具具有更好的加工效果要。
附图说明
图1为本发明提供的多层钎焊金刚石工具的结构示意简图；
图2为本实施例1制备的金刚石工具的形状尺寸简图；
图3为本实施例2制备的金刚石工具的形状尺寸简图；
图4为本实施例3制备的金刚石工具的形状尺寸简图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或超硬材料工具制造及硬脆材料加工领域使用的常规纯度。
本发明提供了一种多层钎焊金刚石工具，包括基体和复合在基体表面的多层金刚石复合层；
所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料；
所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中无序分布。
本发明对所述基体没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备钎焊金刚石工具的基体即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述基体优选为铁质基体，更优选为高强度高硬度钢，具体包括易车铁、45#钢和钨钢中的一种或多种。
本发明对所述复合的具体方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述复合的具体方式优选为涂刷、涂抹、喷涂、包覆、半包覆、钎焊、焊接、贴合、辊压、浸润和浸渍中的一种或多种，本发明优选为钎焊或焊接。
本发明对所述基体表面没有特别限制，以本领域技术人员熟知的钎焊金刚石工具的基体表面即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，基于基本的常识，本发明所述基体的表面优选为部分表面，即常规的钎焊金刚石工具，通常仅是基体的一部分表面复合有金刚石复合层，作为工作部分。
本发明对所述多层金刚石复合层的定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的多层金刚石复合层的常规概念即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述多层金刚石复合层，是相对于单层金刚石复合层而言，指复合层中含有多层的金刚石。本发明所述多层金刚石复合层即为多层钎焊金刚石工具的磨削层。在本发明中，所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中呈无序分布状态或无序排列状态。
本发明所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料。
本发明对所述金刚石没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备钎焊金刚石工具的金刚石即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述金刚石优选为高强度金刚石；所述金刚石的粒径优选为40～2000目，更优选为100～1800目，更优选为300～1500目，更优选为500～1200目，最优选为800～1000目。
本发明对所述骨架颗粒的没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备金刚石工具的骨架颗粒即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的性能，所述骨架颗粒优选包括硬质材料颗粒，更优选为高强度高熔点的硬质材料颗粒，所述硬质材料具体优选包括WC、TiC和W中的一种或多种，更优选为WC、TiC或W一种或两种。
本发明对所述骨架颗粒的硬度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规骨架颗粒的硬度即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述的骨架颗粒的硬度优选高于合金钎料的硬度。
本发明对所述骨架颗粒的熔点没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规骨架颗粒的熔点即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述的骨架颗粒的熔点优选高于合金钎料的熔点，至少100℃及以上，更优选为120℃及以上，更优选为150℃及以上。
本发明对所述骨架颗粒的其他性能参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规骨架颗粒的性能参数即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的性能，所述骨架颗粒的粒径优选为D+(100目～300目)，所述D为金刚石颗粒的粒径，即骨架颗粒的粒径优选比金刚石颗粒的粒径细100～300目，更优选为130～280目，最优选为150～250目。
本发明对所述合金钎料的具体选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备钎焊金刚石工具的合金钎料即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的性能，所述合金钎料优选包括活性钎料，更优选为低温高强度合金钎料，具体优选包括银基钎料、铜基钎料和镍基钎料中的一种或多种，最优选为银基活性钎料、铜基活性钎料或镍基活性钎料。
本发明对所述合金钎料的其他性能参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的合金钎料常规参数即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的性能，所述合金钎料的熔点优选为700～1000℃，更优选为750～950℃，最优选为800～900℃。
特别的，本发明所述多层金刚石复合层中还包含气孔。
本发明对所述气孔的孔径没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的加工性能，所述气孔的孔径优选为35～80μm，更优选为45～70μm，最优选为55～60μm。
本发明对所述气孔的孔隙率有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的加工性能，所述气孔的孔隙率优选为10vol％～25vol％，更优选为12vol％～23vol％，最优选为15vol％～20vol％。
参见图1，图1为本发明提供的多层钎焊金刚石工具的结构示意简图。其中，1为金刚石，2为骨架颗粒，3为气孔，4为合金钎料，5为基体。
本发明上述步骤提供的多层钎焊金刚石工具，该工具的磨削层(金刚石复合层)中含有多层金刚石颗粒结构和大量微小气孔，多层金刚石结构可以延长金刚石工具的使用寿命，微小气孔不仅可以储藏冷却液，容屑排屑，防止烧伤，而且容易让金刚石出刃，使金刚石工具持续锋利；而且合金钎料与金刚石的结合牢固，且钎料自身已完全合金化，均匀性好，性能一致性较高。
本发明还提供了一种多层钎焊金刚石工具的制备方法，包括以下步骤：
1)将金刚石颗粒、骨架颗粒、合金钎料粉末和胶粘剂混合后，得到糊状物；
2)将上述步骤得到的糊状物复合在预热后的基体表面，晾置后进行加热固化，得到固化后的坯体；
3)将上述步骤得到的固化后的坯体进行真空钎焊后，得到多层钎焊金刚石工具。
本发明制备方法中所述材料的选择和优选范围，与前述多层钎焊金刚石工具的材料的选择和优选范围一致，在此不再一一赘述。
本发明首先将金刚石颗粒、骨架颗粒、合金钎料粉末和胶粘剂混合后，得到糊状物。
本发明对所述骨架颗粒的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的骨架颗粒的加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述骨架颗粒和所述金刚石颗粒的质量比优选为(0.3～0.8)：1，更优选为(0.4～0.7)：1，最优选为(0.5～0.6)：1。
本发明对所述合金钎料粉末的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的合金钎料的加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述合金钎料粉末和所述金刚石颗粒的质量比优选为(3～12)：1，更优选为(4～11)：1，更优选为(5～10)：1，最优选为(6～9)：1。
本发明对所述合金钎料粉末的粒度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的合金钎料粉末的常规粒度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述合金钎料粉末粒度优选为300目以细，即粒度上小于等于300目，更优选为400目以细，更优选为500目以细。
本发明对所述胶粘剂的具体选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常用胶粘剂即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为进一步提高金刚石工具的性能，所述胶粘剂优选包括合成树脂型胶粘剂，更优选为溶液型合成树脂型胶粘剂，更优选为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸酯和聚醚型异氰酸酯型胶粘剂中的一种或多种，更优选为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸酯或聚醚型异氰酸酯型胶粘剂。
本发明对所述胶粘剂的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的胶粘剂的加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述胶粘剂的质量优选占所述合金钎料粉末质量的5％～10％，更优选为6％～9％，最优选为7％～8％。
本发明对所述混合的条件和方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的混合的条件和方式即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述混合优选为搅拌混合；所述混合的时间优选为上述原料成糊状或膏状即可。
本发明为提高制备步骤的可操作性和完整性，所述步骤1)具体优选为：
将清洗后的金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料粉末进行初次混合，再加入胶粘剂混合后，得到糊状物。
本发明对所述清洗后的金刚石颗粒的清洗步骤没有特别限制，以本领域技术人员熟知的清洗步骤即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为防止金刚石表面的油污或杂质影响合金钎料与金刚石的结合界面，导致合金钎料对金刚石的把持能力降低，所述清洗步骤具体优选为：
将金刚石用王水和超声波清洗干净，烘干待用。
在本发明中，将金刚石、骨架颗粒、合金钎料按一定比例均匀混合后，放入适量胶粘剂，充分搅拌，以出现糊状或膏状即可；混好的糊状物要尽快使用，避免放置时间过长，胶黏剂固化后，粘接能力下降。
本发明然后将上述步骤得到的糊状物复合在预热后的基体表面，晾置后进行加热固化，得到固化后的坯体。
本发明对所述复合的具体方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述复合的具体方式优选为涂刷、涂抹、喷涂、包覆、半包覆、贴合、辊压、浸润和浸渍中的一种或多种，本发明优选为涂刷或涂抹。
本发明对所述预热的具体温度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的预热温度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述预热的温度优选为40～50℃，更优选为42～48℃，最优选为44～46℃。
本发明对所述晾置的具体时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的晾置时间即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述晾置的时间优选为15～30min，更优选为18～27min，最优选为20～25min。
本发明对所述加热固化的温度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的加热固化的温度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述加热固化的温度优选为120～140℃，更优选为122～137℃，最优选为125～135℃。
本发明对所述加热固化的时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的加热固化的时间即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述加热固化的时间优选为0.5～2h，更优选为0.8～1.7h，优选为1～1.5h。
本发明所述基体优选为清洗后的基体。本发明对所述清洗后的基体的清洗步骤没有特别限制，以本领域技术人员熟知的清洗步骤即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述清洗步骤具体优选为：
将基体用丙酮或其他有机清洗剂清洗干净，要求基体表面无杂质、油污、锈迹等，然后放入干燥箱，再将基体温度预热到40～50℃，得到预热后的基体。
本发明为提高制备步骤的可操作性和完整性，所述步骤2)具体优选为：
将以上混合物用毛刷或排笔均匀涂抹在预热后的基体上，直到略微大于所需求的尺寸形状为止，得到金刚石工具样品。要求少量多层涂抹，保证里面无气孔等缺陷，
将涂抹好的金刚石工具样品先在空气中晾置一段时间，然后放入干燥炉加热固化，得到固化后的坯体。优选控制加热速度和固化温度，防止加热速度过快或固化温度过高引起裂纹，固化温度在120～140℃。
本发明最后将上述步骤得到的固化后的坯体进行真空钎焊后，得到多层钎焊金刚石工具。
本发明对所述真空钎焊的温度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的钎焊温度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述真空钎焊的温度优选根据合金钎料的熔点温度进行选择和调整，具体优选为合金钎料的熔点温度+(5～20℃)，即高于合金钎料的熔点温度(5～20℃)，更优选为(7～18℃)，更优选为(9～16℃)，最优选为(10～15℃)。
本发明对所述真空钎焊的时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的钎焊时间即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述真空钎焊的时间优选为2～5h，更优选为2.5～4.5h，最优选为3～4h。
本发明对所述真空钎焊的真空度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的真空钎焊的真空度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述真空钎焊的压力优选小于等于5*10-3Pa。
本发明对所述真空钎焊的设备没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的真空钎焊的设备即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述真空钎焊的设备优选为真空钎焊炉。
本发明为提高制备步骤的可操作性和完整性，所述步骤2)之后还包括修形步骤。
本发明对所述修形步骤的具体过程和参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的修形过程和参数即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述修形的预留量优选为5％～10％，更优选为6％～9％，最优选为7％～8％。
本发明为提高制备步骤的可操作性和完整性，所述真空钎焊后，还包括精修形步骤。
本发明对所述精修形步骤的具体过程和参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类工艺中常规的精修形过程和参数即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整。
具体的，本发明所述多层钎焊金刚石工具的制备方法可以优选为以下步骤：
(1)将金刚石用王水和超声波清洗干净，烘干待用；以防止金刚石表面的油污或杂质影响合金钎料与金刚石的结合界面，导致合金钎料对金刚石的把持能力降低；
(2)将基体用丙酮或其他有机清洗剂清洗干净，要求基体表面无杂质、油污、锈迹等，然后放入干燥箱，将基体温度预热到40～50℃。
(3)将金刚石、骨架颗粒、合金钎料按比例均匀混合后，放入适量胶黏剂，充分搅拌，以出现糊状或膏状即可；混好的糊状物要尽快使用，避免放置时间过长，胶黏剂固化后，粘接能力下降。
(4)将以上混合物用毛刷或排笔均匀涂抹在预热后的基体上，直到略微大于所需求的尺寸形状为止，要求少量多层涂抹，保证里面无气孔等缺陷。
(5)将涂抹好的金刚石工具样品先在空气中晾置一段时间，然后放入干燥炉加热固化，控制加热速度和固化温度，防止加热速度过快或固化温度过高引起裂纹，通常固化温度在120～140℃。
(6)将固化好的金刚石工具坯体用车床、磨床、以及仿形电镀砂轮进行修形，使其符合需求的尺寸和形状，并预留5％～10％的余量，因后续钎焊后，金刚石工具的磨削层体积会有一定收缩，收缩比大约在5％～10％。
(7)将修形好的金刚石工具坯体放入真空钎焊炉，按照温度曲线进行钎焊，钎焊温度根据钎料的熔点进行确定，一般比钎料熔点高5～20℃，温度太高，容易流料变形，温度太低，钎料对金刚石的润湿包裹不充分，导致钎料对金刚石的结合强度降低。真空度不低于5*10-3Pa，否则钎焊温度太高时，金刚石容易氧化腐蚀，使金刚石工具的耐磨性降低。
(8)待钎焊炉自然冷却后，取出金刚石工具坯体，用帕莱克或其他检测设备测量金刚石工具的尺寸和形状精度是否符合要求，若不符合，则用电火花机或精密磨床进行修整，直到所需的尺寸和形状精度，最后即为本发明所述的钎焊多层金刚石工具。
本发明上述步骤提供了一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法，该多层钎焊金刚石工具由基体、以及焊接在基体上的磨削层组成，其中磨削层包含多层无序分布的金刚石、骨架颗粒、合金钎料以及大量微小气孔等。该多层钎焊金刚石工具的制造方法是将金刚石、骨架颗粒、合金钎料按照比例均匀混合后，再加入适量的胶黏剂均匀混合制成糊状物，然后将该糊状物均匀涂抹在基体上，经充分固化后，使用机械加工的办法对其进行修形，使其符合所需的尺寸和形状，将修形好的金刚石工具坯体置入真空钎焊炉，按照一定的钎焊工艺进行焊接，钎焊后的金刚石工具经过整形加工达到所需尺寸和形状，即可获得所述的多层钎焊金刚石工具，本发明制作工艺简单，生产效率高，几乎不受金刚石工具尺寸和形状的影响，适合批量生产。
本发明采用活性钎料，如银基、铜基、镍基等作为钎焊剂，使用高硬度高熔点的硬质颗粒作为骨架结构，活性钎料熔化后，逐渐包裹金刚石和硬质颗粒，在毛细管力的作用下，向金刚石和骨架颗粒的空隙中渗透。骨架颗粒不仅起支撑作用，还可以阻碍内部的金刚石往表层移动，从而使金刚石的分布均匀，胶黏剂在高温挥发和/或燃烧排放后，留下的空隙也被熔化的钎料包裹，形成大量微小气孔，多层金刚石可以延长使用寿命，微小气孔不仅可以储藏冷却液，容屑排屑，而且有利于金刚石的出刃，使金刚石工具持续锋利；而且合金钎料与金刚石的结合牢固，且钎料自身已完全合金化，均匀性好，性能一致性高，有效的解决了现有的硬脆材料加工领域，粉末冶金烧结金刚石工具磨削不锋利，制作时受工具形状和尺寸的限制，以及电镀金刚石工具寿命短等问题。
实验结果表明，本发明提供的多层钎焊金刚石工具平均加工效率比电镀金刚石工具高7.3％，比烧结金刚石工具高42.1％，平均使用寿命是电镀金刚石工具的11.6倍，是烧结金刚石工具的2.25倍，而且加工效果好，无崩边、噪音、烧伤和断刀等不良现象。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法进行了详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
参见图2，图2为本实施例2制备的金刚石工具的形状尺寸简图。
如图2所示，其制作步骤如下：
1、选用45#钢作为金刚石工具的基体材质，用机械加工的方法加工成所需的基体结构，其中，基体与工作层的结合处尽可能加工粗糙一些，以增大结合强度，并对加工好的基体用丙酮清洗干净，然后放入干燥箱预热到40～50℃。
2、选用铜基钎料粉末作为金刚石工具的焊剂，铜基钎料的成分为Gu-Sn-Ti，熔点在890℃左右。
3、选用金刚石粒度170/200，用王水和超声波清洗干净，并烘干。
4、选用WC粉作为骨架结构，其粒度为300目。
(5)先将钎料、WC、金刚石按重量比3:1:1混合均匀，然后加入钎料和金刚石总重的5～8％的有机粘接剂，充分搅拌至糊状、色泽均匀即可。
(6)用排笔或毛刷尽快将以上糊状物均匀涂抹在预热后的基体上，要求少量多层涂抹，直到略微大于所需求的尺寸形状为止。
(7)将涂抹好的坯体放在室温下晾置20min，然后放入干燥炉进行固化，固化时间以涂抹的厚度为准，涂抹厚度越厚，则固化时间越长，直到完全固化为止。
(8)将完全固化后的金刚石工具毛坯用机械加工的方法修外形，使其达到需求的尺寸和形状精度，并预留8％余量。
(9)将加工完的金刚石工具毛坯放入真空钎焊炉，钎焊温度900℃，待钎焊炉自然冷却后，取出金刚石工具坯体，用帕莱克或其他检测设备测量金刚石工具的尺寸和形状精度是否符合要求，若不符合，则用电火花机或精密磨床进行修整，直到所需的尺寸和形状精度，最后得到钎焊多层金刚石工具。
对本发明实施例和对比例制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷，进行性能对比试验。
参见表1，表1为实施例1～3和对比例1～9制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷的试验数据。
实施例2
参见图3，图3为本实施例2制备的金刚石工具的形状尺寸简图。
如图3所示，其制作步骤如下：
(1)选用易削铁作为金刚石工具的基体材质，用机械加工的方法加工成所需的基体结构，其中，基体与工作层的结合处尽可能加工粗糙一些，以增大结合强度，并对加工好的基体用丙酮清洗干净。
(2)选用镍基钎料粉末作为金刚石工具的焊剂，镍基钎料的成分为NiCrBSi，钎料熔点在960℃左右，粒度不低于300#。
(3)选用金刚石粒度170/200，用王水和超声波清洗干净，烘干待用。
(4)选用WC粉作为骨架结构，其粒度为300目。
(5)先将钎料、WC粉、金刚石按重量比4:1:1混合均匀，然后加入钎料和金刚石总重的5～8％的胶黏剂，充分搅拌至糊状、色泽均匀即可。
(6)用排笔或毛刷尽快将以上糊状物均匀涂抹在基体上，要求少量多层涂抹，直到略微大于所需求的尺寸形状为止，然后在空气中晾置25min。
(7)将金刚石工具毛坯放入干燥炉，设置温度120℃，固化时间以涂抹的厚度为准，涂抹厚度越厚，则固化时间越长，直到完全固化为止。
(8)将完全固化后的金刚石工具毛坯用机械加工的方法修外形，使其达到需求的尺寸和形状精度，并预留9％的余量。
(9)将加工完的金刚石工具毛坯放入真空钎焊炉，钎焊温度900℃，待钎焊炉自然冷却后，取出金刚石工具坯体，用帕莱克或其他检测设备测量金刚石工具的尺寸和形状精度是否符合要求，若不符合，则用电火花机或精密磨床进行修整，直到所需的尺寸和形状精度，最后得到钎焊多层金刚石工具。
对本发明实施例和对比例制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷，进行性能对比试验。
参见表1，表1为实施例1～3和对比例1～9制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷的试验数据。
实施例3
参见图4，图4为本实施例3制备的金刚石工具的形状尺寸简图。
如图4所示，其制作步骤如下：
(1)选用钨钢作为金刚石工具的基体材质，用机械加工的方法加工成所需的基体结构，其中，基体与工作层的结合处尽可能加工粗糙一些，以增大结合强度，并把加工好的基体用丙酮清洗干净，然后放入干燥箱预热到40～50℃。
(2)选用银基钎料粉末作为金刚石工具的焊剂，银基钎料的主要成分为Ag-Cu-Ti，钎料熔点在760℃左右，粒度不低于300#。
(3)选用金刚石粒度170/200，用王水和超声波清洗干净。
(4)选用WC粉作为骨架结构，其粒度为300目。
(5)先将钎料、WC粉、金刚石按重量比4:1:1混合均匀，然后加入钎料和金刚石总重的8％的胶黏剂，充分搅拌至糊状、色泽均匀即可。
(6)用排笔或毛刷尽快将以上糊状物均匀涂抹在基体上，要求少量多层涂抹，直到略微大于所需求的尺寸形状为止。
(7)将金刚石工具毛坯放入干燥炉，设置固化温度130℃，固化时间以涂抹的厚度为准，涂抹厚度越厚，则固化时间越长，直到完全固化为止。
(8)将完全固化后的金刚石工具毛坯用机械加工的方法修外形，使其达到需求的尺寸和形状精度，并预留7％的余量。
(9)将加工完的金刚石工具毛坯放入真空钎焊炉，钎焊温度900℃，待钎焊炉自然冷却后，取出金刚石工具坯体，用帕莱克或其他检测设备测量金刚石工具的尺寸和形状精度是否符合要求，若不符合，则用电火花机或精密磨床进行修整，直到所需的尺寸和形状精度，最后得到钎焊多层金刚石工具。
对本发明实施例和对比例制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷，进行性能对比试验。
参见表1，表1为实施例1～3和对比例1～9制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷的试验数据。
对比例1
本对比例中金刚石工具为电镀法制作，工具尺寸形状与实施例1相同。
对比例2
本对比例中金刚石工具为粉末冶金烧结法制作，工具尺寸形状与实施例1相同。
对比例3
本对比例中金刚石工具为传统钎焊法制作，为单层金刚石结构，工具尺寸形状与实施例1相同。
对比例4
本对比例中金刚石工具为电镀法制作，工具尺寸形状与实施例2相同。
对比例5
本对比例中金刚石工具为粉末冶金烧结法制作，工具尺寸形状与实施例2相同。
对比例6
本对比例中金刚石工具为传统钎焊法制作，为单层金刚石结构，工具尺寸形状与实施例2相同。
对比例7
本对比例中金刚石工具为电镀法制作，为单层金刚石结构，工具尺寸形状与实施例3相同。
对比例8
本对比例中金刚石工具为粉末冶金烧结法制作，为多层金刚石结构，工具尺寸形状与实施例3相同。
对比例9
本对比例中金刚石工具为传统钎焊法制作，为单层金刚石结构，工具尺寸形状与实施例3相同。
将实施例1～3和对比例1～9制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷，进行性能对比试验。
参见表1，表1为实施例1～3和对比例1～9制作的金刚石工具在相同的加工条件下加工氧化锆陶瓷的试验数据。
表1
Figure BDA0001232687160000161
Figure BDA0001232687160000171
从表1可以看出，本发明制作的多层钎焊金刚石工具所展现的锋利性、磨削效果和使用寿命都优于粉末冶金烧结法、电镀法和单层钎焊法制作的金刚石工具。
以上对本发明提供的一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种多层钎焊金刚石工具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将金刚石颗粒、骨架颗粒、合金钎料粉末和胶粘剂混合后，得到糊状物；
2)将上述步骤得到的糊状物多层复合在预热后的基体表面，晾置后进行加热固化，得到固化后的坯体；
所述步骤2)之后还包括修形步骤；
所述修形的预留量为5％～10％；
3)将上述步骤得到的固化后的坯体进行真空钎焊后，得到多层钎焊金刚石工具；
所述多层钎焊金刚石工具包括基体和复合在基体表面的多层金刚石复合层；
所述多层金刚石复合层中包含金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料；
所述骨架颗粒和所述金刚石颗粒的质量比为(0.3～0.8)：1；
所述金刚石颗粒在所述多层金刚石复合层中无序分布；
所述合金钎料粉末的粒度为300目以细；
所述骨架颗粒的粒径比金刚石颗粒的粒径细100～300目；
所述骨架颗粒的硬度高于合金钎料的硬度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多层金刚石复合层中还包含气孔；
所述气孔的孔径为35～80μm；
所述气孔的孔隙率为10vol％～25vol％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石颗粒的粒径为40～2000目；
所述合金钎料的熔点为700～1000℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体包括易车铁、45#钢和钨钢中的一种或多种；
所述骨架颗粒包括硬质材料颗粒；
所述合金钎料包括活性钎料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硬质材料颗粒包括高硬度高熔点的硬质材料颗粒；
所述硬质材料包括WC、TiC和W中的一种或多种；
所述合金钎料包括银基钎料、铜基钎料和镍基钎料中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶粘剂包括合成树脂型胶粘剂；
所述合金钎料粉末和所述金刚石颗粒的质量比为(3～12)：1；
所述胶粘剂的质量占所述合金钎料粉末质量的5％～10％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
将清洗后的金刚石颗粒、骨架颗粒和合金钎料粉末进行初次混合，再加入胶粘剂混合后，得到糊状物；
所述基体为清洗后的基体。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为40～50℃；
所述加热固化的时间为0.5～2h；所述加热固化的温度为120～140℃；
所述真空钎焊的温度为T+(5～20℃)，所述T为合金钎料的熔点温度；
所述真空钎焊的时间为2～5h。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空钎焊后，还包括精修形步骤。
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