CN108161781A

CN108161781A - 一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法

Info

Publication number: CN108161781A
Application number: CN201711376426.7A
Authority: CN
Inventors: 肖冰; 王波; 肖博
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2018-06-15

Abstract

本发明公开了一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，属于超硬磨料工具制造领域，步骤如下：1）将稀释材料与钎焊焊料按配混成复合料；2）将超硬磨粒进行制粒包裹，并用水溶性粘结剂粘接固定；3）将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料、钎焊焊料、水溶性粘结剂混合均匀；4）放入模具加压定型；5）将成型的胚块加热钎焊；此方法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磨粒的钎焊强度，并通过填充材料的结构搭配，实现了多层钎焊的多层可持续加工性能，提高钎焊超硬磨料工具的寿命；且制备工艺简单，质量稳定易控制，工序可标准化，适于工业化批量生产。

Description

一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法

技术领域

本发明属于超硬磨料工具制造领域，具体是指一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法。

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。

综上可知，真正实现多层钎焊超硬磨料工具的制备，所需要解决的问题包括：1、单层钎焊加工寿命与效果相比传统钎焊单层工具应至少达到其性能的一半以上；2、具备多层持续加工的能力；3、不低于传统单层钎焊工具的加工表面质量。因此，为达到上述的多层钎焊要求一直是本领域技术人员待解决的技术难题。

发明内容

针对以上的问题与不足，本发明公开了一种新型多层钎焊超硬磨料工具制备方法。此方法确定了一种新型的由磨粒、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。

本发明的技术方案具体如下：

一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：复合料的制备：将稀释材料与钎焊焊料按体积比1：5～2：1配混成复合料；

步骤二：制粒包裹：利用步骤一制备的复合料对超硬磨料进行制粒包裹，磨料包裹使用体积浓度10%～80%水溶性粘结剂粘接固定；

步骤三：将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料、钎焊焊料、10%～80%体积浓度的水溶性粘结剂混合均匀；

步骤四：将上述步骤三制得的混合料放入模具，加压定型；

步骤五：将步骤四中成型的胚块进行加热钎焊。

进一步，所述的步骤一中的稀释材料为SiO₂，所述的稀释材料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，且在高温下不会挥发。

进一步，所述的步骤一中的钎焊焊料为Ni-Cr-B-Si合金、Cu-Sn-Ti合金、预合金粉末或者单质金属的混合，所述的单质金属为Cu粉、Sn粉、Ti粉的混合物，所述的钎焊焊料的平均粒度为20目～300目。

进一步，所述的钎焊焊料的加入体积为模具压制后胚块的几何体积的3%～30%。

进一步，所述的稀释材料钎焊焊料粒度比0.6～1.5。

进一步，所述的超硬磨料包括天然金刚石、人造金刚石、CBN、聚晶金刚石、聚晶CBN、硬质合金、碳化硅、三氧化二铝中的一种或两种、多种的混合体，所述的超硬磨料的粒度为10目～400目。

本发明还公开了一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的水溶性粘结剂为聚乙烯醇类水性胶黏剂、乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂、环氧水性胶黏剂、酚醛水性胶黏剂、有机硅类水性胶黏剂、橡胶类水性胶黏剂中的一种或两种及两种以上的混合物。

水溶性粘结剂是指将钎焊焊料与稀释材料混合粘结的，可在超硬磨料表面粘结、固化，形成包裹。所述水溶性粘结剂又可将制备的复合体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。所述的填充材料是指即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。

进一步，所述的填充材料与制粒后的磨料粒度比0.8～1.2。

进一步，所述的所述的加热钎焊方式包括真空电阻钎焊、真空感应钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊、保护气氛钎焊。

本发明与现有技术相比较的有益效果：

1)适用范围广：本发明对天然金刚石、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；加入一定体积比的钎焊焊料是为了提高压胚成型率，并提高焊料流动性；以及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；

4)通过稀释材料与焊料的比例来控制超硬磨料表面的焊接面积，进而间接控制磨粒与焊料的钎焊结合程度，又由于磨粒的钎焊把持强度是与焊料对磨粒的反应面积成正比的，因此间接控制了磨料的焊接强度；磨料出露好，把持力可控；磨粒间隙确定，排屑空间可控，保证了磨料的持续工作能力，而且加工表面质量稳定；

5)适用于工业化生产：结合制粒、冷压设备，本发明可以进行批量化、标准化工业生产；

6)本发明的方法广泛应用于制作多层钎焊金刚石锯片、层多钎焊金刚石钻头、多层钎焊金刚石磨轮、异型金刚石工具、多层钎焊CBN工具、合金碎粒工具等超硬磨料工具；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。

附图说明

图1为本发明一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法的超硬磨料制粒结构示意图；

图2 为本发明一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法的多层钎焊结构模型；

其中，1-稀释材料，2-钎焊焊料，3-超硬磨料，4-包裹制粒后的磨粒，5-填充材料，6-填充焊料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

(1)超硬磨料表面的焊接面积是通过稀释材料与焊料的比例来控制的。由于稀释材料不参与反应，当钎焊焊料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焊料与磨粒发生化学结合。因此通过控制稀释材料与钎焊焊料的体积比，便可以控制磨粒与焊料的钎焊结合程度，又由于磨粒的钎焊把持强度是与焊料对磨粒的反应面积成正比的，因此间接控制了磨料的焊接强度。此外，为了使稀释材料与钎焊焊料混合均匀，两者的粒度比最好相近，最佳比例控制在0.6～1.5之间。

（2）超硬磨料的包裹制粒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1所示。其中包裹的焊料与稀释材料的混合与凝固是通过水溶性粘结剂实现的。此粘结剂应该是水溶性粘结剂，易挥发，残留少。

（3）填充材料的粒度应约等于制粒后的磨粒粒度，两者粒度比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，因此为了使磨粒高出露，排屑空间大，并且前一层磨粒磨损后脱落顺利露出下一层磨粒，所加入的填充材料粒度应与制粒后的磨粒粒度一致。这样按一定比例混合后便可使得填充材料均匀等比例的存在于制粒后磨粒间隔中，如图2所示。

（4）在模具成型时，加入一定体积比的钎焊焊料是为了提高压胚成型率，并提高焊料流动性。由于制粒后的磨粒与填充材料混合后存在一定的间隙，如图2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焊料的流淌，因此需要施加一定比例的钎焊焊料，体积比为3%～30%。

通过以上创造性设计与综合，便可以得出以下制备多层钎焊超硬磨料工具的制备流程。

如图1和图2所示，首先将稀释材料1与钎焊焊料2按体积比1：5～2：1配混成复合料；再将超硬磨粒3进行制粒包裹，包裹成分为步骤一制备的复合料，磨料包裹使用体积浓度10%～80%水溶性粘结剂粘接固定；然后将包裹后超硬磨料的复合体4与填充材料5、3%～30%体积比的钎焊焊料6、10%～80%体积浓度的水溶性粘结剂混合均匀；然后将前一步的混合料放入模具，加压定型；最后将成型的胚块在一定条件下加热钎焊。上述的体积比是指以模具压制后胚块的几何体积为总体积计算的。

具体实例如下：

实施例1

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。制备步骤：

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、将超硬磨粒进行制粒包裹，包裹成分为步骤一制备的复合料，磨料包裹使用体积浓度40%水溶性粘结剂（聚乙烯醇类水性胶黏剂）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，粒度由上一步包裹颗粒粒度确定，经计算确定为25/30目。将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料SiO₂颗粒（体积比45%）、8%体积比的铜基钎焊焊料、25%体积浓度的水溶性粘结剂（聚乙烯醇类水性胶黏剂）混合均匀。

第四步、将前一步的混合料放入设计加工好的模具腔内，压力200Mpa,压制成型。

第五步、将成型的胚块晾干后放置真空钎焊炉中进行真空钎焊。钎焊温度935度。保温20分钟。

实施例2

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。超硬磨料选择碳化硅，将稀释材料与钎焊焊料按体积比2：1配混成复合料。

第二步、将超硬磨粒进行制粒包裹，包裹成分为步骤一制备的复合料，磨料包裹使用体积浓度80%水溶性粘结剂（聚氨酯类水性胶黏剂）粘接固定。

第三步、填充材料选择SiO₂颗粒，粒度由上一步包裹颗粒粒度确定，经计算确定为25/30目。将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料SiO₂颗粒（体积比45%）、10%体积比的铜基钎焊焊料、25%体积浓度的水溶性粘结剂（聚氨酯类水性胶黏剂）混合均匀。

实施例3

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以及聚晶金刚石，将稀释材料与钎焊焊料按体积比1：5配混成复合料。

第二步、将超硬磨粒进行制粒包裹，包裹成分为步骤一制备的复合料，磨料包裹使用体积浓度10%水溶性粘结剂（丙烯酸类水性胶黏剂）粘接固定。

第三步、填充材料选择SiO₂颗粒，粒度由上一步包裹颗粒粒度确定，经计算确定为25/30目。将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料SiO₂颗粒（体积比45%）、30%体积比的铜基钎焊焊料、15%体积浓度的水溶性粘结剂（丙烯酸类水性胶黏剂）混合均匀，稀释材料钎焊焊料粒度比0.6～1.5。

实施例4

第二步、将超硬磨粒进行制粒包裹，包裹成分为步骤一制备的复合料，磨料包裹使用体积浓度60%水溶性粘结剂（环氧水性胶黏剂）粘接固定。

第三步、填充材料选择SiO₂颗粒，粒度由上一步包裹颗粒粒度确定，经计算确定为25/30目。将包裹后超硬磨料的复合体与填充材料SiO₂颗粒（体积比45%）、10%体积比的铜基钎焊焊料、35%体积浓度的水溶性粘结剂（环氧水性胶黏剂）混合均匀。

Claims

1.一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤四：将上述步骤三制得的混合料放入模具，加压定型；

步骤五：将步骤四中成型的胚块进行加热钎焊。

2.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的稀释材料为SiO₂。

3.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的钎焊焊料为Ni-Cr-B-Si合金、Cu-Sn-Ti合金、预合金粉末或者单质金属的混合，所述的单质金属为Cu粉、Sn粉、Ti粉的混合物，所述的钎焊焊料的平均粒度为20目～300目。

4.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的钎焊焊料的加入体积为模具压制后胚块的几何体积的3%～30%。

5.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的稀释材料钎焊焊料粒度比0.6～1.5。

6.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的超硬磨料包括天然金刚石、人造金刚石、CBN、聚晶金刚石、聚晶CBN、硬质合金、碳化硅、三氧化二铝中的一种或两种、多种的混合体，所述的超硬磨料的粒度为10目～400目。

7.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的水溶性粘结剂为聚乙烯醇类水性胶黏剂、乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂、环氧水性胶黏剂、酚醛水性胶黏剂、有机硅类水性胶黏剂、橡胶类水性胶黏剂中的一种或两种及两种以上的混合物。

8.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的填充材料与制粒后的磨料粒度比0.8～1.2。

9.根据权利要求1所述的一种新型多层钎焊超硬磨料工具的制备方法，其特征在于，所述的加热钎焊方式包括真空电阻钎焊、真空感应钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊、保护气氛钎焊。