CN107520770A - 一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，通过以下步骤实现：将混合一定比例的PVAL液体胶和合金钎料粉末的混合料，均匀涂覆在打磨处理过的砂轮基体上，将带有均布凹槽的亚克力模板压印在混合料上，将砂轮基体烘干后送入真空高温钎焊炉中第一次钎焊；经过高温钎焊后，亚克力模板消失并在钎料层上留下均布的凹槽，利用理化分析仪将金刚石磨粒定向分布于钎料层的凹槽中，使金刚石磨粒{100}晶面平行于钎料层表面且<110>晶向与加工方向相平行，再将其进行第二次钎焊，即可得到具有磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮。本方法利用了消失模的方法使磨粒在钎料层表面有序分布，根据金刚石的晶体特性定向分布磨粒，可以有效提高金刚石砂轮的加工性能和实用寿命。

Description

一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石磨粒工具制造的技术领域，尤其是一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法。

背景技术

金刚石砂轮广泛运用于石材、玻璃、陶瓷、蓝宝石等硬脆性难加工材料的磨削加工。对工件材料起切削作用的是固结在金刚石砂轮上的金刚石磨粒，磨粒在加工过程中的磨损情况不尽相同。金刚石磨粒产生一定程度的磨损后，会出现磨钝、磨平、解理、破碎等现象，这些现象的产生都直接影响了金刚石砂轮的加工性能和使用寿命。

为了提高金刚石砂轮的耐磨性，经过国内外专家学者的不懈努力，研发出了具有磨粒均匀分布的金刚石砂轮，并在实际应用中取得了一定的效果。但是，就目前的磨粒有序分布金刚石砂轮而言，其仅仅是使磨粒在空间位置上有序分布，虽然可以避免金刚石磨粒的团聚或稀散，减少金刚石磨粒的宏观破碎或脱落，一定程度上可以提高金刚石砂轮的使用寿命。但是，磨粒有序分布金刚石砂轮的磨粒磨损仍然存在着较大的随机性，磨粒的磨损形式不尽相同，金刚石砂轮的耐磨性受到一定程度限制。研究表明，金刚石磨粒的磨损是金刚石砂轮磨损中最主要的组成部分之一，提高金刚石磨粒的耐磨性可以提高金刚石砂轮的整体耐磨度。因此，进一步提高金刚石砂轮的耐磨性，不仅需要在砂轮结合剂层的空间位置上合理分布金刚石磨粒，而且需要从金刚石磨粒的材料特性上着手制备金刚石砂轮。

众所周知，人造金刚石属于立方晶系的晶体材料，主要呈现六面体、八面体和立方八面体等晶体形态。金刚石磨粒晶体具有各向异性，不同的晶面具有不同的物理机械性能，即使对金刚石磨粒的同一晶面，沿着不同晶向的摩擦磨损特性也是各异的。由于金刚石磨粒晶形的复杂性，磨粒加工过程中与工件的接触形式多种多样，主要包括了点、线、面等三种接触方式。磨粒与工件的接触方式直接影响了金刚石磨粒的磨损程度和形式，学者研究表明面接触时金刚石磨粒的耐磨性会明显大于点线接触时的耐磨性。而如何控制金刚石磨粒与工件的接触形式，是直接影响金刚石磨粒耐磨性的关键因素。

磨削用金刚石晶体多为立方八面体晶形，主要由{100}晶面和{111}晶面围封而成，其中，{111}晶面的硬度大于{100}晶面的硬度，但是，金刚石磨粒在加工过程中，{111}晶面受到与其相平行的力的作用后，更易于沿{111}晶面产生解理，导致金刚石磨粒破碎从而丧失切削性能。因此，应避免{111}晶面受到平行力而产生解理导致过快磨损，而磨粒以何种晶面接触加工工件材料，是制备耐磨金刚石砂轮亟需解决的关键问题之一。

发明内容

为克服上述现有制备金刚石砂轮所存在问题，本发明提出一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，以实现制备高耐磨性金刚石砂轮，提高金刚石砂轮的加工性能和使用寿命。

为了达到上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

(1)将砂轮基体的工作面打磨处理，用混合一定比例的PVAL液体胶和合金钎料粉末均匀的涂抹在砂轮基体工作面上，将带有均匀分布凹槽的亚克力模板压印在胶水未干的合金粉末表面，再将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(2)将上述带有合金钎料和亚克力模板的砂轮基体，送入真空钎焊炉中进行第一次真空高温钎焊。

(3)经过第一次钎焊后，亚克力模板在高温钎焊过程中熔融气化消失，形成带有均匀分布凹槽的钎料层，将钎料层进行打磨，以保证钎料层厚度均匀，表面平整。

(4)用PVAL液体胶均匀涂覆在上述钎料层表面的凹槽中，再将粗粒度的金刚石磨粒定向分布于钎料层表面的凹槽中，将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(5)送入真空高温钎焊炉中进行第二次钎焊。

(6)取出第二次钎焊后的试样，即可得到具有磨粒晶体定向分布的金刚石砂轮。

本发明中金刚石砂轮的制备方法包括了以下几个环节：

1、根据金刚石砂轮期望的加工性能，适当调整金刚石磨粒的粒度、用量和分布图案，以及PVAL液体胶和合金钎料粉末的用量，其中PVAL液体胶与合金钎料的混合质量比例为1:1.2～1:4，最佳比例为1:1.8。

2、所采用真空高温钎焊工艺需满足以下条件：真空度小于0.005Pa，使用Ni-Cr-B-Si活性合金钎料，Cr含量为14％，Si含量4.5％，B含量3.3％，其余为Ni含量；真空钎焊的温度为990-1040℃，最佳保温温度为1020℃，保温时间8-15分钟，最佳保温时间为10分钟。

3、通过亚克力模板中的凹槽分布情况间接控制金刚石磨粒在砂轮基体上的均匀分布，根据金刚石砂轮期望的加工性能确定凹槽的间距、尺寸和分布图案。亚克力模板凹槽的开口宽度为金刚石磨粒粒径的110％-150％，最佳值取120％。亚克力模板凹槽深度间接决定了金刚石磨粒埋入钎料层的深度，也决定了金刚石磨粒的出露高度及钎料层对磨粒的把持力，因此根据对金刚石砂轮期望性能的要求决定凹槽的深度，凹槽深度可取金刚石磨粒粒径的20％-80％。第一次钎焊后的钎料层在第二次钎焊过程中会与金刚石磨粒产生化学冶金反应，熔融的钎料会爬升到金刚石磨粒表面，牢固地把持住金刚石磨粒。

4、选用粒径为10-40目(0.425mm-2.0mm)的粗粒度金刚石磨粒，利用晶体定向仪、三维视频显微镜、扫描电子显微镜等理化分析仪器检测和控制金刚石磨粒的晶体定向、出露高度、晶形等特征参数。将金刚石磨粒定向分布于第一次钎焊后的钎料层凹槽中，其中金刚石磨粒晶体{100}晶面朝上且平行于钎料层面，加工时金刚石磨粒以{100}晶面接触工件材料，并且沿<110>晶向切削去除工件材料。通过对金刚石磨粒晶面和晶向的合理定向，以及控制金刚石磨粒与工件材料接触形式，避免了金刚石磨粒晶体{111}晶面受到平行力作用而破损，可以有效提高金刚石砂轮的耐磨性。

附图说明

图1是涂覆有PVAL液体胶和合金钎料粉末混合料的砂轮基体示意图。

图2是亚克力模板压印在混合料上的砂轮基体示意图。

图3是经过第一次钎焊后形成具有均匀分布凹槽的钎料层及砂轮基体示意图。

图4是金刚石磨粒定向分布在钎料层凹槽中的砂轮基体示意图。

图5是金刚石砂轮中的单颗金刚石磨粒在钎料层中定向分布特征示意图。

图6是经过第二次钎焊后的金刚石砂轮示意图。

附图标记：

11.混合PVAL液体胶和合金钎料粉末的混合料

12.砂轮基体

13.亚克力模板

14.亚克力模板中的凹槽

15.第一次钎焊后的钎料层

16.第一次钎焊后钎料层中的凹槽

17.定向分布的金刚石磨粒

18.第二次钎焊后的钎料层

19.第二次钎焊后的金刚石砂轮

21.金刚石磨粒的{100}晶面

22.金刚石砂轮的磨削方向

23.金刚石磨粒顶部{100}晶面的<110>晶向

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步说明。

以端面砂轮的制备方法为例，一种磨粒晶体定向的耐磨金刚石砂轮制备方法，包括如下几个步骤：

(1)如图1和图2所示，对砂轮基体12的工作面打磨处理，将一定比例的PVAL液体胶和合金钎料粉末的混合料11均匀涂抹在砂轮基体工作面上，将带有均布凹槽14的亚克力模板13压印在胶水未干的合金粉末混合料11表面，再将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(2)将上述带有合金钎料混合料11和亚克力模板13的砂轮基体12，送入真空钎焊炉中进行第一次真空高温钎焊。

(3)如图3所示，经过第一次钎焊后，亚克力模板13在高温钎焊过程中熔融气化消失，形成带有均布凹槽16的钎料层15，将钎料层15进行打磨，以保证钎料层厚度均匀，表面平整。

(4)如图4所示，用PVAL液体胶均匀涂覆在上述钎料层15表面的凹槽16中，再将粗粒度的金刚石磨粒17定向分布于钎料层表面的凹槽16中，其中金刚石磨粒晶体顶部{100}晶面21平行于钎料层15的表面，且磨粒的磨削方向22与磨粒顶部{100}晶面21的<110>晶向23相平行，如图5所示。再将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(5)送入真空高温钎焊炉中进行第二次钎焊。

(6)取出第二次钎焊后的试样，第二次钎焊后的钎料层18的钎料爬升到金刚石磨粒17的接触表面并将其牢固保持，即可得到具有磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮19，如图6所示。

本发明所用粗粒度金刚石磨粒17的粒径介于10-40目。

本发明使用Ni-Cr-B-Si活性合金钎料，Cr含量为14％，Si含量4.5％，B含量3.3％，其余为Ni含量。

本发明PVAL液体胶和合金钎料粉末的混合比例介于1:1.2～1:4，最佳混合比例为1:1.8。

本发明真空钎焊炉的真空度小于0.005Pa；真空钎焊温度为990-1040℃，最佳保温温度为1020℃；保温时间8-15分钟，最佳保温时间为10分钟。

本发明使用的亚克力模板凹槽14的开口宽度为金刚石磨粒17粒径的110％-150％，最佳值取120％，凹槽14的深度为金刚石磨粒17粒径的20％-80％。

本发明可根据金刚石砂轮期望的加工性能、加工工艺参数、砂轮外形尺寸等要素要求，进一步确定金刚石磨粒的粒径、磨粒分布图案与密度、磨粒出露高度。

Claims (9)

1.一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于包括如下几个步骤：

(1)将砂轮基体的工作面打磨处理，用混合一定比例的PVAL液体胶和合金钎料粉末均匀的涂抹在砂轮基体工作面上，将带有均匀分布凹槽的亚克力模板压印在胶水未干的合金粉末表面，再将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(2)将上述带有合金钎料和亚克力模板的砂轮基体，送入真空钎焊炉中进行第一次真空高温钎焊。

(3)经过第一次钎焊后，亚克力模板在高温钎焊过程中熔融气化消失，形成带有均匀分布凹槽的钎料层，将钎料层进行打磨，以保证钎料层厚度均匀，表面平整。

(4)用PVAL液体胶均匀的涂覆在上述钎料层表面的凹槽中，再将粗粒度的金刚石磨粒定向分布于钎料层表面的凹槽中，将砂轮基体置于40℃的烘干箱中烘干2小时。

(5)送入真空高温钎焊炉中进行第二次钎焊。

(6)取出第二次钎焊后的试样，即可得到具有磨粒晶体定向分布的金刚石砂轮。

2.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述金刚石磨粒的粒径介于10-40目。

3.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述PVAL液体胶和合金钎料粉末的混合比例介于1:1.2～1:4。

4.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述亚克力模板凹槽的开口宽度为金刚石磨粒粒径的110％-150％。

5.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述亚克力模板凹槽的深度为金刚石磨粒粒径的20％-80％。

6.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述金刚石磨粒晶体顶部{100}晶面平行于钎料层面。

7.根据权利要求6所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述金刚石磨粒以{100}晶面接触加工工件材料。

8.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述金刚石磨粒沿<110>晶向加工工件材料。

9.根据权利要求1所述的一种磨粒晶体定向分布的耐磨金刚石砂轮制备方法，其特征在于上述钎料层凹槽是由亚克力模板凹槽经过第一次钎焊后消失而形成的。