CN113427078A - 一种钎焊超硬磨料线锯及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钎焊超硬磨料线锯及其制备方法，所述钎焊超硬磨料线锯由超硬磨料通过合金焊料钎焊固定于基体表面；所述基体由不同纤维丝间隔交织编制而成，所述纤维丝包括金属纤维丝和高强度惰性纤维丝，且所述金属纤维丝裸露于基体表面的部分分布均匀。所述钎焊超硬磨料线锯的制备工艺大大提高了线锯基体的抗拉强度与柔韧性，并在此基础上减少线锯的伸长，从而降低焊料合金层的断裂剥离，使其在切割非金属与金属材料时达到切割效率高、寿命长的目的。所述钎焊超硬磨料线锯的磨料出露高，磨料把持强度高，切割效率高，寿命长的优势充分发挥。
Description
技术领域
本发明属于超硬磨料工具制备领域，具体涉及一种钎焊超硬磨料线锯及其制备工艺。
背景技术
超硬磨料以人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为代表，广泛应用于工业生产加工中，包括磨削、钻削、切割等作业。例如在贵重非金属加工领域，如单晶硅与多晶硅的下料、切片等工序中，会用到超硬磨料制备的工具进行切割操作。所用的工具多为线锯，表面固结以金刚石为代表的超硬磨料。由于线锯直径可以做到低于0.2mm，十分有利于精密与超精密切割加工上述材料，
目前的超硬磨料固结技术多采用电镀方式或树脂结合剂结合方式，上述两种方式均为机械包埋超硬磨料，磨料把持力低，磨粒易脱落，极易影响切割表面质量，并影响切割效率与寿命。
因此钎焊超硬磨料技术成为制备超硬磨料线锯的理想选择，钎焊超硬磨料工具具有磨料出露高、把持强度高、磨削锋利等特点，使得线锯切割效率高，使用寿命长。但目前应用于精密与超精密切割加工中的的钎焊超硬磨料线锯存在着严重的问题：
(1)超硬磨料是焊在线锯基体表面，在焊接过程中，线锯基体亦被加热。焊料合金钎焊的温度一般在620度～1050度之间，而且钎焊温度越高，合金焊料焊接的强度越高，线锯基体一般为钢基体，在600度以上被加热时，存在晶粒粗大现象，并且抗拉强度降低、硬度下降。在使用过程中，焊后的线锯极易被拉长，影响加工操作。
(2)线锯基体焊接超硬磨料后，合金焊料会在基体表面形成合金层，合金层往往具有脆性，导致线锯的韧性变差，并且长期运行时合金层容易出现裂纹，又由于超硬磨料线锯基体被拉长，导致合金焊料层易剥离，剥离后超硬磨料亦无法工作。
(3)钎焊超硬磨料线锯制备后，线锯的柔韧性受到合金焊料层以及超硬磨料的影响明显降低，由于线锯所需长度较长，需要滚轮传动，焊后的线锯弯曲性能下降，不利于精密切割作业。
基于上述问题，目前研究人员为应对上述钎焊超硬磨料线锯中存在的不足，采用了下述方式：如通过优化线锯钢基体的材料，选用高强度的耐高温钢丝做为基体，提高线锯钎焊后的抗拉强度。其二是对焊后的线锯进行热处理，提高焊后强度，第三种方式是降低焊料合金熔点，并改善磨料分布地貌等。上述方式理论上能部分改善效果，但不能完全解决钎焊超硬磨料线锯抗拉强度低，柔韧性不足，焊接合金表面脆性大的问题。
发明内容
为克服现有钎焊超硬磨料线锯的不足，解决线锯焊后抗拉强度低、韧性差、焊料合金层易断裂剥离的缺陷，使钎焊超硬磨料线锯的磨料出露高，磨料把持强度高，切割效率高，寿命长的优势充分发挥；本发明提供一种钎焊超硬磨料线锯及其制备工艺，所述超硬磨料线锯可应用于以单晶硅、多晶硅为代表的非金属材料的精密切割与超精密切割加工中，并且可以扩展应用于以铜、铝等为代表的有色金属以及黑色金属的精密与超精密切割加工中。所述钎焊超硬磨料线锯的制备工艺大大提高了线锯基体的抗拉强度与柔韧性，并在此基础上减少线锯的伸长，从而降低焊料合金层的断裂剥离，使其在切割非金属与金属材料时达到切割效率高、寿命长的目的。
本发明所述的钎焊超硬磨料线锯，由超硬磨料通过合金焊料钎焊固定于基体表面；所述基体由不同纤维丝间隔交织编制而成，所述纤维丝包括金属纤维丝和高强度惰性纤维丝，且所述金属纤维丝裸露于基体表面的部分分布均匀。
由于金属丝表面固结有超硬磨料，因此，金属丝在线锯基体表面必须分布均匀。
所述的超硬磨料为人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金碎粒。
所述的合金焊料为含有能与超硬磨料发生化学反应的钛、铬元素的合金，包括镍基合金焊料、铜基合金焊料、银基合金焊料三个系列。
所述的金属纤维丝材料为熔点超过680度并能够与合金焊料发生冶金结合的钢丝、合金丝或两者的混合。
所述的金属纤维丝的直径在0.02～0.25mm之间。
所述的高强度惰性纤维丝为不与合金焊料、超硬磨料发生化学反应的材料，可以为微细单丝编织而成，亦可以为单根纤维丝，其抗拉强度不低于0.6GPa，断裂伸长率不高于2.6％，温度720度以上正常工作。
所述的高强度惰性纤维丝直径在0.03～3.5mm之间。
所述的钎焊超硬磨料线锯成品外径0.10mm～6mm。
金属丝的材料即可以为普通钢丝，又可以为不锈钢丝，即只要有能与合金焊料发生冶金结合即可。因此亦可以为合金钢丝、合金丝、镍丝、铜丝等，为了保证在合金焊料钎焊时金属丝的性能，金属丝的熔点不低于680度，并且金属丝的材料不仅是单一的，亦可以是上述材料混合而成。
高强度惰性纤维丝的惰性是指其不与合金焊料发生化学反应，亦不与超硬磨料发生化学反应，并且性能稳定，耐高温，抗拉强度不低于0.6GPa,断裂伸长率不高于2.6％。其性能保证了线锯基体的抗拉强度与韧性。当高强度惰性纤维与金属丝混合编织后，形成了复合型线锯基体，此时的线锯基体兼有两种纤维的性能特点，钎焊后，由于高强度惰性纤维丝的存在，大大降低了基体被拉长程度，提高了柔韧性。
一般地，可当作高强度惰性纤维丝的材料主要为陶瓷纤维丝以及可达到类似性能的材料。而主要选择陶瓷纤维丝是基于经济性考虑。
金属丝与高强度惰性纤维丝的混合非简单的绞织在一起，而是根据所需要的切割条件，确定所需要的超硬磨料粒度、浓度、线锯直径，并据丝确定金属丝与高强度惰性纤维丝的比例，并按一定的方式组成整体。
具体可以有以下方式：
1.金属纤维丝与高强度惰性纤维丝间隔分布，形成复合结构。
2.金属纤维丝与直接编织成股。
由于切割时不仅带有超硬磨料的金属丝会与切割材料直接接触，高强度惰性纤维丝亦会与被切屑或切割材料发生摩擦，为减少摩擦影响，带有超硬磨料的金属丝比高强度惰性纤维丝直径大15％以上较佳。且基体中金属丝与高强度惰性纤维丝的体积比在0.6:1～3.5:1之间较为合适。
在超硬磨料、基体、合金焊料、加热条件四个制备元素中，对线锯物理性能影响最大的是线锯基体，亦是前述问题需要解决的关键。为保证一定的抗拉强度条件下仍然具有较好的柔韧性，采用复合纤维丝的方式制备基体。
复合纤维丝即采用金属丝与高强度惰性纤维丝的混合，金属丝用以支撑超硬磨料，并通过钎焊工艺与超硬磨料组成牢固的整体，高强度惰性纤维丝用于提供一定的柔韧性，并具有高的抗拉强度，保证线锯基体在张紧条件下不被过度拉长，即能保证切割性能，又能保证合金焊料层不被断裂剥离。
作为改进，所述基体的内部，还有一根芯材，所述芯材为惰性纤维芯线，所述惰性纤维芯线的直径大，其周身编织细的金属纤维丝和高强度惰性纤维丝；所述金属丝与高强度惰性纤维丝的体积比在1.2:1～3:1较为合适。
所述惰性纤维线不与合金焊料发生化学反应，亦不与超硬磨料发生化学反应，并且性能稳定，耐高温，其强度可略低于前述高强度惰性纤维丝。
前述金属丝、高强度惰性纤维丝和惰性纤维芯线均为商购。
本发明所述钎焊超硬磨料线锯制备工艺，包括以下步骤：
1、根据切割精度与效率要求以及切割条件，确定所需线锯基体外径。
2、确定基体金属纤维丝与高强度惰性纤维丝的比例与编织方式，并编织成线锯基体。
3、线锯基体表面涂覆粘结剂，
4、排布超硬磨料与合金焊料。
5、钎焊加热制备。
6、涂覆树脂粘结剂固定。
下面对本发明进行详细说明：
钎焊超硬磨料钎焊的制备，利用合金焊料高温加热条件熔化将线锯基体与超硬磨料牢固连接。其中合金焊料的作用是将超硬磨料与线锯基体进行连接，并在切割加工过程中起到一定的保护基体作用。超硬磨料是切割加工的关键，通过钎焊焊接后达到高出露的效果。线锯基体的作用是提供线切割加工的载体，并能进行一定的弯曲与张紧操作。
超硬磨料与焊料的布料可采取多种方式进行实施，如先涂覆超硬磨料，再布洒合金焊料，或者将两者混合成膏状直接涂覆等，均可以实现超硬磨料的排布。但无论哪种方式，均需要实现超硬磨料被良好钎焊，磨料能够较高出露不被合金焊料完全包埋。
所述的钎焊加热包括惰性气体保护感应钎焊连续加热方式、还原性气氛网带炉连续加热、惰性气体保护电阻焊连续加热方式。
钎焊加热方式为连续加热方式，这是由于线锯的结构决定的，由于线锯一般较长，制备时采用连续加热方式最为可行，加热源可以为感应线圈加热、亦可以为电阻箱加热，保护气氛不仅可以为惰性气体，亦可以为还原性气体。
由于惰性纤维丝与合金焊料、超硬磨料不发生化学反应，在钎焊加热后，惰性纤维丝表面无合金焊料、超硬磨料固着，保持原有性能，然后在焊后的锯丝表面涂覆树脂粘结剂，并进行固结，可以使惰性纤维丝与金属丝之间的间隙被填充，并且由于树脂具有一定的弹性，所填充的树脂粘结剂不影响线锯基体的物理性能，且能起到保护基体的作用。
本发明的工艺制备的钎焊超硬磨料线锯抗拉强度高，柔韧性大，合金焊料层不易断裂剥离。所制备线锯磨料结合强度高，磨削锋利，使用寿命长。线锯整个工艺工序简单，生产质量稳定。具有较高的经济价值。
附图说明
图1：钎焊超硬磨料线锯基体编制方式一截面结构示意图；
其中1为惰性纤维芯线，2为金属纤维丝，3为高强度惰性纤维丝。
图2：钎焊超硬磨料线锯基体编制方式二截面结构示意图。
其中4为金属纤维丝，5为高强惰性纤维丝。
图3：钎焊超硬磨料线锯基体编制方式三截面结构示意图。
其中6为金属纤维丝，7位高强度惰性纤维丝。
具体实施方式
具体实施实例1：
制备一种钎焊金刚石线锯，用以切割铝合金厚板。切割精度深度大，要求切割400mm以上的切割深度。
设计方案：由于铝合金厚板可由金刚石来加工，制备线锯切割是可行的方案。铝合金的切割由于精度要求相对较低，制备的锯丝整体外径1.0mm左右即可满足要求，一方面可以达到较高的切割效率，另一方面保证较好的切割稳定性。
金刚石参数为：60/70目，HHD80品级。采用铜锡钛合金钎料钎焊。
锯丝编织方式采用图2，金属纤维丝与高强度惰性纤维丝间隔编织。六根金属纤维丝单根外径0.1mm,惰性纤维丝采用陶瓷纤维丝单根外径0.06mm，12根。
制备工艺步骤如下：
(1)将金属纤维丝与陶瓷纤维丝间隔编织。
(2)表面涂覆油性粘结剂(粘结剂由丙烯酸酯与丙酮按1：2体积比配制)。
(3)布洒金刚石磨料
(4)涂覆80～120目铜锡钛合金焊料。
(5)感应钎焊加热。
(6)涂覆树脂、加热固化。
具体实施实例2：
制备一种钎焊金刚石线锯，用以切割碳纤维复合材料。切割厚度小，切割负载较小，但切割精度高。
设计方案：由于碳纤维可由金刚石来加工，制备线锯切割是可行的方案。为满足切割要求，选用精密切割方式，保证切缝小，切割平稳。
金刚石参数为：100/120目，HHD80品级。采用铜锡钛合金钎料钎焊。
锯丝编织方式采用图3，金属纤维丝与高强度惰性纤维丝直接混合编织。2根金属纤维丝单根外径0.2mm,惰性纤维丝采用陶瓷纤维丝单根外径0.15mm，2根。锯丝成品直接不超过0.5mm
制备工艺步骤如下：
(1)将金属纤维丝与陶瓷纤维丝直接绞织。
(2)表面涂覆油性粘结剂(粘结剂由丙烯酸酯与丙酮按1：2体积比配制)。
(3)布洒金刚石磨料
(4)涂覆80～120目铜锡钛合金焊料。
(5)感应钎焊加热。
(6)涂覆树脂、加热固化。
具体实施实例2：
制备一种大理石切割用线锯，用以切割大理石材料。由于大理石切割厚度大，切割强度高，因此选择2mm粗线锯。
设计方案：由于大理石可由金刚石来加工，制备线锯切割是可行的方案。为满足切割要求，选用粗加工切割方式，保证切割效率，切割平稳。
金刚石参数为：50/60目，HHD80品级。采用铜锡钛合金钎料钎焊。
锯丝编织方式采用图1，粗的高强度惰性纤维丝做为芯线，外径1.0mm。5根金属纤维丝单根外径0.3mm,细惰性纤维丝采用陶瓷纤维丝单根外径0.2mm，5根。锯丝成品直接不超过2mm
制备工艺步骤如下：
(1)将金属纤维丝与细陶瓷纤维丝间隔编织在粗陶瓷纤维芯线周围。
(2)表面涂覆油性粘结剂(粘结剂由丙烯酸酯与丙酮按1：2体积比配制)。
(3)布洒金刚石磨料
(4)涂覆80～120目铜锡钛合金焊料。
(5)涂覆稀油性粘结剂(粘结剂由丙烯酸酯与丙酮按1：6体积比配制)
(6)涂覆铜基合金焊料
(7)感应钎焊加热。
(8)涂覆树脂、加热固化。
Claims (11)
1.一种钎焊超硬磨料线锯，由超硬磨料通过合金焊料钎焊固定于基体表面；其特征在于，所述基体由不同纤维丝间隔交织编制而成，所述纤维丝包括金属纤维丝和高强度惰性纤维丝，且所述金属纤维丝裸露于基体表面的部分分布均匀；
所述的超硬磨料为人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金碎粒；
所述的合金焊料为含有能与超硬磨料发生化学反应的钛、铬元素的合金，包括镍基合金焊料、铜基合金焊料、银基合金焊料三个系列；
所述的金属纤维丝材料为熔点超过680度并能够与合金焊料发生冶金结合的钢丝、合金丝或两者的混合；
所述的高强度惰性纤维丝为不与合金焊料、超硬磨料发生化学反应的材料，可以为微细单丝编织而成，亦可以为单根纤维丝，其抗拉强度不低于0.6GPa，断裂伸长率不高于2.6％，温度720度以上正常工作。
2.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，所述的金属纤维丝的直径在0.02～0.25mm之间。
3.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，所述的高强度惰性纤维丝直径在0.03～3.5mm之间。
4.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，所述的钎焊超硬磨料线锯成品外径0.10mm～6mm。
5.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，金属丝的材料选自普通钢丝、不锈钢丝、合金钢丝、合金丝、镍丝、铜丝；并且金属丝的材料不仅是单一的，亦可以是上述材料混合而成。
6.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，所述高强度惰性纤维丝为陶瓷纤维丝。
7.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，金属丝与高强度惰性纤维丝间隔分布，形成复合结构。
8.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，金属纤维丝与直接编织成股。
9.根据权利要求7或8所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，金属丝比高强度惰性纤维丝直径大15％以上，且基体中金属丝与高强度惰性纤维丝的体积比在0.6:1～3.5:1之间。
10.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料线锯，其特征在于，所述基体的内部，还有一根芯材，所述芯材为惰性纤维芯线，所述惰性纤维芯线的直径大，其周身编织细的金属纤维丝和高强度惰性纤维丝；所述金属丝与高强度惰性纤维丝的体积比在1.2:1～3:1；所述惰性纤维线不与合金焊料发生化学反应，亦不与超硬磨料发生化学反应，并且性能稳定，耐高温，其强度可略低于前述高强度惰性纤维丝。
11.权利要求1-10中的任一项所述钎焊超硬磨料线锯制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)、根据切割精度与效率要求以及切割条件，确定所需线锯基体外径，
2)、确定基体金属纤维丝与高强度惰性纤维丝的比例与编织方式，并编织成线锯基体，
3)、线锯基体表面涂覆粘结剂，
4)、排布超硬磨料与合金焊料，
5)、钎焊加热制备，
6)、涂覆树脂粘结剂固定。
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