CN110396688A - 一种金刚石工具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石工具的制备方法，其特征在于：步骤1、提供金刚石工具的基板；步骤2、提供金刚石颗粒；步骤3、提供合金粉末；骤4、提供激光制造系统；步骤5、启动激光制造系统；步骤6、采用高功率连续激光同轴送粉模式在基层表面熔覆一薄层合金粉末，同时，启动金刚石喷射装置；步骤7、完成激光钎焊，关闭金刚石喷射装置；步骤8、启动撒粉装置；步骤9、采用短脉冲激光扫描试件；步骤10、重复上述步骤8和步骤9若干次，得到金刚石工具固结磨料层；步骤11、关闭激光制造系统；步骤12、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。相对于现有技术，本发明制备的金刚石工具结合性能好，热影响小，且加工效率高。
Description
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种金刚石工具的制备方法。
背景技术
金刚石具有最高的硬度、刚性以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性，使金刚石广泛应用于各式各样的磨削工具。目前许多学者研究钎焊工艺来制备单层超硬磨料工具。与多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，钎焊超硬磨料工具在磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长。另外颗粒的露出高度增大，容屑空间增大，不易堵塞。
这项新技术的制作工艺主要依靠炉中钎焊完成，钎焊工艺过程耗时长可能会引起金刚石颗粒的损伤以及工具基体的变形。此外，钎焊炉的尺寸也限制了制作金刚石颗粒具的尺寸。采用高频感应钎焊，避免了上述工艺的局限性，但升温速度、加热范围等难以控制。
2013年08月07日公开，公告号为CN 103231064 A的发明专利“一种新型镍基钎料钎焊单层金刚石砂轮的制作方法”公开了一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，该发明通过向Ni-Cr基钎料中加入微细 Al 粉而降低钎焊温度，解决了金刚石的热损伤和基体的变形的问题，但该方法没有解决大尺寸砂轮不能直接进行钎焊的问题。
2015年09月09日公开，公告号为CN 104889518 A的发明专利“单层高温钎焊金刚石砂轮工艺”公开了单层高温钎焊金刚石砂轮工艺，该发明先使用气焊在金属基体上喷涂1mm～1.5mm厚的 Ni-Cr 合金层，解决了合金层和金属基体之间具有浸润性差的问题，但该方法仍旧存在感应钎焊中升温速度、加热范围难以控制等问题。
近些年，由于激光焊接总热输入低、焊接过程迅速、热影响区小等优势而成为国内外焊接领域的一个研究热点，使激光钎焊技术也越来越受到人们的关注。研究发现激光钎焊可以选区加热，热影响区小，便于控制，钎焊后能保证基体(尤其是薄板基体)基本不变形等优点，从而可以弥补真空炉中钎焊和高频感应钎焊工艺中存在的上述问题。然而，在进行激光钎焊金刚石实验过程中，发现金刚石会随着熔池一起移动，最后金刚石聚集成堆的现象，导致金刚石热损伤严重，且无法将金刚石钎焊到预设的位置，得不到理想的金刚石排布顺序。此外，一般传统的激光钎焊金刚石的工艺过程中，激光会直接投射到金刚石表面，从而提高了金刚石表面烧损氧化和石墨化的可能性，导致钎料层和金刚石之间的结合强度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石工具的制备方法，该方法具有金刚石结合性能好、热输入小、效率高等显著优点。
本发明提供一种金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、提供金刚石工具的基板。
步骤2、提供金刚石颗粒。
步骤3、提供合金粉末。
步骤4、提供激光制造系统。
步骤5、启动激光制造系统，采用高功率连续激光同轴送粉模式在金刚石工具基板熔覆一层基层。
步骤6、采用高功率连续激光同轴送粉模式在基层表面熔覆一薄层合金粉末，同时，启动金刚石喷射装置向熔融合金粉末区域喷射金刚石颗粒，实现金刚石与合金粉末钎焊连接固定。
步骤7、完成激光钎焊，关闭金刚石喷射装置。
步骤8、启动撒粉装置，将合金粉末均匀铺撒在激光钎焊试件表面,得到薄合金粉末层。
步骤9、采用短脉冲激光扫描试件，实现薄合金粉末层熔化并与金刚石颗粒结合。
步骤10、重复上述步骤8和步骤9若干次，得到金刚石工具固结磨料层。
步骤11、关闭激光制造系统。
步骤12、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
在其中一实施例中，步骤1中，所述基板为45钢。
在其中一实施例中，步骤2中，所述金刚石颗粒为人造六方体金刚石，大小为15~55目。
在其中一实施例中，步骤3中，所述合金粉末为Ni-Cr合金粉末，大小为200目。
在其中一实施例中，步骤4中，所述激光制造系统包括高功率连续激光器、短脉冲激光器、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光工作头、第二激光工作头、金刚石喷射装置、撒粉装置等。
在其中一实施例中，步骤4中，高功率连续激光器通过第一传输光纤与第一激光工作头连接，可以实现激光钎焊。
在其中一实施例中，步骤4中，高功率连续激光器可以是光纤激光器、碟片激光器或半导体激光器。
在其中一实施例中，步骤4中，高功率连续激光功率为500~2000 W。
在其中一实施例中，步骤4中，第一激光工作头可以实现同轴送粉和同轴吹送焊接保护气体。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光器通过第二传输光纤与第二激光工作头连接，可以实现激光微细加工。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光器可以是纳秒激光器或皮秒激光器。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光功率为100~500 W。
在其中一实施例中，步骤5中，高功率连续激光聚焦形成的第一激光束熔覆一层基层。
在其中一实施例中，步骤6中，在基层表面熔覆的一薄层合金粉末得到的薄钎焊层厚度d1约为0.05~0.1 mm。
在其中一实施例中，步骤8中，撒粉装置在试件表面铺撒的薄合金粉末层厚度d2约为0.01~0.05 mm。
在其中一实施例中，步骤9中，短脉冲激光聚焦形成的第二激光束扫描试件，使薄合金粉末层熔化。
在其中一实施例中，步骤12中，放入金刚石工具后加热炉充满氩气，从室温加热到600~800℃，并保持5 min，然后随炉冷却至室温。
本发明具有以下有益效果：
在本发明中，采用短脉冲激光增材制造技术制备金刚石工具固结磨料层，即采用短脉冲激光熔化薄合金粉末层，并使其与金刚石颗粒结合，制备工艺热输入小，对金刚石热损伤小，且磨料层残余应力小。
在本发明中，采用高功率连续激光熔化极薄的合金粉末层，将金刚石颗粒喷入熔融的合金粉末层获得薄钎焊层，对金刚石颗粒进行了有效固定，为短脉冲激光多层制备固结磨料层提供了可行性条件。
在本发明中，采用高功率连续激光和短脉冲激光相结合的方法制备金刚石工具，效率和性能兼备。
附图说明
图1本发明方案中高功率连续激光钎焊过程示意图。
图2本发明方案中短脉冲激光熔化合金粉末过程局部示意图。
图3本发明方案制备的金刚石工具局部示意图。
图中：1、基板，2、基层，3、薄钎焊层，4、熔融合金粉末，5、合金粉末流，6、金刚石颗粒，7、金刚石喷射装置，8、第一激光工作头，9、保护气流，10、第一激光束，11、固结磨料层，12、第二激光工作头，13、第二激光束，14、薄合金粉末层。
具体实施方式
以下将结合附图1-3以及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-3所示，本发明实施例中，一种基于激光制造技术的金刚石工具制备方法包括如下步骤。
步骤1、提供金刚石工具的基板1。
可选的，基板1为45钢。
步骤2、提供金刚石颗粒6。
可选的，金刚石颗粒6为人造六方体金刚石，大小为15~55目。
步骤3、提供合金粉末。
可选的，合金粉末大小为200目。
步骤4、提供激光制造系统。
可选的，激光制造系统包括高功率连续激光器、短脉冲激光器、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光工作头8、第二激光工作头12、金刚石喷射装置7、撒粉装置等。
可选的，高功率连续激光器通过第一传输光纤与第一激光工作头8连接，可以实现激光钎焊。
可选的，高功率连续激光器可以是光纤激光器、碟片激光器或半导体激光器。
可选的，高功率连续激光功率为500~2000 W。
可选的，第一激光工作头8可以实现同轴送粉和同轴吹送焊接保护气体。
可选的，同轴吹送焊接保护气体的气流量为2~4 L/min。
可选的，短脉冲激光器通过第二传输光纤与第二激光工作头12连接，可以实现激光微细加工。
可选的，短脉冲激光器可以是纳秒激光器或皮秒激光器。
可选的，短脉冲激光功率为100~500 W。
步骤5、启动激光制造系统，采用高功率连续激光同轴送粉模式在金刚石工具基板1熔覆一层基层2。
步骤6、采用高功率连续激光同轴送粉模式在基层2表面熔覆一薄合金粉末层14，同时，启动金刚石喷射装置7向熔融合金粉末4区域喷射金刚石颗粒6，实现金刚石颗粒6与薄钎焊层3连接固定。
可选的，在基层2表面熔覆的一薄合金粉末层14得到的薄钎焊层3厚度d1约为0.05~0.1 mm。
步骤7、完成激光钎焊，关闭金刚石喷射装置7。
步骤8、启动撒粉装置，将合金粉末均匀铺撒在激光钎焊试件表面,得到薄合金粉末层14。
可选的，撒粉装置在试件表面铺撒的薄合金粉末层14厚度d2约为0.01~0.05 mm。
步骤9、采用短脉冲激光扫描试件，实现薄合金粉末层14熔化并与金刚石颗粒6结合。
步骤10、重复上述步骤8和步骤9若干次，得到金刚石工具固结磨料层11。
步骤11、关闭激光制造系统。
步骤12、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
可选的，放入金刚石工具后加热炉充满氩气，从室温加热到600~800℃，并保持5min，然后随炉冷却至室温。
在本发明中，采用短脉冲激光增材制造技术制备金刚石工具固结磨料层11，即采用短脉冲激光熔化薄合金粉末层14，并使其与金刚石颗粒6结合，制备工艺热输入小，对金刚石热损伤小，且磨料层残余应力小。此外，采用高功率连续激光和短脉冲激光相结合的方法制备金刚石工具，效率和性能兼备。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其它任何未背离本发明精神实质及原理所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效置换方式，包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.本发明提供一种金刚石工具的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、提供金刚石工具的基板（1）；
步骤2、提供金刚石颗粒（6）；
步骤3、提供合金粉末；
步骤4、提供激光制造系统；
步骤5、启动激光制造系统，采用高功率连续激光同轴送粉模式在金刚石工具基板（1）熔覆一层基层（2）；
步骤6、采用高功率连续激光同轴送粉模式在基层（2）表面熔覆一薄层合金粉末层（14），同时，启动金刚石喷射装置（7）向熔融合金粉末（4）区域喷射金刚石颗粒（6），实现金刚石颗粒（6）与合金粉末钎焊连接固定；
步骤7、完成激光钎焊，关闭金刚石喷射装置（7）；
步骤8、启动撒粉装置，将合金粉末均匀铺撒在激光钎焊试件表面,得到薄合金粉末层（14）；
步骤9、采用短脉冲激光扫描试件，实现薄合金粉末层（14）熔化并与金刚石颗粒（6）结合；
步骤10、重复上述步骤8和步骤9若干次，得到金刚石工具固结磨料层（11）；
步骤11、关闭激光制造系统；
步骤12、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
2.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤4中，激光制造系统包括高功率连续激光器、短脉冲激光器、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光工作头（8）、第二激光工作头（12）、金刚石喷射装置(7)、撒粉装置等。
3.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤4中，高功率连续激光功率为0.5~2 kW。
4.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤4中，第一激光工作头（8）可以实现同轴送粉和同轴吹送焊接保护气体。
5.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤4中，短脉冲激光功率为0.1~0.5 kW。
6.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤6中，在基层（2）表面熔覆的一薄合金粉末层（14）得到的薄钎焊层（3）厚度d1约为0.05~0.1 mm。
7.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤8中，撒粉装置在试件表面铺撒的薄合金粉末层（14）厚度d2约为0.01~0.05 mm。
8.根据权利要求1所述金刚石工具的制备方法，其特征在于，步骤12中，放入金刚石工具后加热炉充满氩气，从室温加热到600~800℃，并保持5 min，然后随炉冷却至室温。
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