CN113524058B - 一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法 - Google Patents

一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，包括以下步骤：1基体前处理工作，先将基体磨平，再将基体清洁干净，烘干备用；2对基体进行钎料预平整工作，先手涂一层钎料，之后用刮料器刮平钎料；3有序排布磨粒工作，取一定量的金刚石磨粒撒在下部贴有胶带的筛网上，用刷子将堆叠的金刚石颗粒分散开，并用压缩空气吹去未被胶带粘住的磨粒；4上砂，先在基体上涂上一层一定厚度的胶水，之后将胶带覆盖在涂好的胶水层上，加热固化后揭掉胶带；5将基体放入真空退火炉进行钎焊。本发明以最低的成本和最便捷的试验流程实现了金刚石磨粒的均匀有序排列，钎焊后的磨粒等高性好、出刃高度可观以及钎料对磨粒的把持力大。

Description

一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法
技术领域
本发明专利涉及涉及磨粒磨具制造，尤其设计一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊工艺。
背景技术
金刚石的有序排布技术是通过一定的手段实现金刚石在工具表面排布达到规则化、序列化。有关资料显示，有序排布的金刚石工具的寿命是随机排布工具的数倍，磨粒的合理、有序排布有利于钎焊金刚石工具的排屑与散热、降低加工区的温度，延长使用寿命以及提高加工表面质量。目前，磨粒的有序排布方法主要有孔模板法、激光快速成型技术、静电排布方法。孔模板法是在陶瓷模板上加工出孔径与金刚石磨粒的直径相当，深度大约是金刚石高度70％的有规律排布的孔，在孔内排布金刚石，将布有金刚石的孔模板置于有钎料层的基体上，然后进行随炉钎焊，该法适合于大粒径的金刚石有序排布，模板具有很强的针对性且只能用于单层平面基体钎焊，此外，模板造价高，随炉钎焊后回收损耗大，生产成本偏高。激光快速成型技术和静电排布技术都需要专业设备且激光的强度以及脉冲周期很难把控，特别地，前期搭建试验平台也需要耗费很大的时间和人力成本。
现如今，金刚石工具的制备技术主要有三大类：电镀、烧结以及钎焊。烧结金刚石工具利用金属粉末与金刚石磨粒混合烧结制成，磨粒与基体基本不润湿，电镀工艺只是依靠镀层机械包埋镶嵌金刚石磨粒，金刚石和镀层界面基本没有结合强度。在较重负荷作业时，由于金刚石磨粒的把持力不足造成金刚石工具过早失效。近年来，国内外研究钎焊法制作金刚石工具，可以提高金刚石磨粒的把持力。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是，解决单层金刚石磨粒排布无序不均匀以及基体对磨粒把持力不足的问题，从而提出一种快速、简便、低成本地实现金刚石磨粒在基体表面有序均匀分布且不需要随炉钎焊模板的单层金刚石钎焊工艺。
本发明专利为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，包括如下几个步骤：
第一步：进行基体前处理：
首先磨抛基体，去除基体的氧化皮；随后酸洗基体除油，超声清洗基体去污，最后烘干基体备用；
第二步：进行钎料预平整操作；
首先按一定比例混合钎料合金和胶水，然后将混合好的钎料涂在基体表面，用刮料器刮平手涂的钎料使之平整，之后晾置基体至固化；
第三步：进行磨粒有序排布准备工作；
首先截取适量大小的胶带贴于筛网下部，然后取一定量的金刚石磨粒撒布在筛网下部贴有胶带的区域上，用刷子将堆叠的金刚石颗粒分散开，之后用压缩空气吹掉胶带表层未被胶带粘住的金刚石磨粒，最后将排布好的胶带从筛网上慢慢揭下；
第四步：进行上砂工作；
在步骤二已经晾置一段时间的钎料层上涂一层胶水，随后将步骤三制得的金刚石有序排布的胶带覆盖在涂好的胶水层上，并用石墨块压平胶带，加热固化胶水后，揭掉基体表面的胶带，得到金刚石排布均匀有序的待焊基体；
第五步：将上述得到的金刚石排布均匀的待焊基体放入真空退火炉中进行钎焊工作，取出试样即可得到金刚石均匀密布的钎焊工具制品。
在一较佳实施例中：所述基体为45#钢。
在一较佳实施例中：所述胶水为透明液体胶水，所述钎料为Cu-Sn-Ti合金。
在一较佳实施例中：所述钎料与胶水的质量比为6：1。
在一较佳实施例中：所述金刚石磨粒的粒度为100#，所述筛网的孔径为 100#，所述胶带为PVC电工胶带。
在一较佳实施例中：所截取的用于排布金刚石磨粒的胶带面积大于基体待钎焊面的面积。
在一较佳实施例中：如果基体含有气穴、空腔等结构，当胶带覆盖在上面时会产生密闭空间，则需要用电烙铁在胶带对应位置上灼出一个小孔用于排放胶水加热固化过程中在空腔位置积聚的气体；
所述石墨块中心有通孔，对应基体气穴结构和胶带上小孔的位置。
在一较佳实施例中：所述基体为厚度8mm，外径15mm，内径7mm的圆环小块。
在一较佳实施例中：步骤四中加热固化胶水具体是指：在120℃加热30分钟，然后调整为150℃再加热30分钟。
在一较佳实施例中：步骤五中所述真空退火炉的型号为KJ-V1500-12Lmo，加热速率为0-15℃/min,最高温度1200℃，极限真空1.0×10-4Pa；
钎焊时，真空退火炉内气压控制在5×10-3Pa以下,钎焊温度为900或 920℃，保温时间为5min。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.采用与金刚石磨粒粒度相一致的筛网为排布金刚石的模板，用刷子即可将原本堆砌在筛网上的金刚石磨粒均匀排成单层并粘在筛网下部提前粘贴好的胶带上，相比于其他振动上砂装置，排布更加均匀有序，过程更加简便。此外，该发明不需要定制专用的排布设备，大大节约试验成本。
2.本发明进行了大量的探索试验，最终探索出一套最佳的金刚石有序排布上砂工艺参数，采用梯度加热工艺参数可以实现透明液体胶水完全固化，固化后的胶水将金刚石颗颗粒固定住，却使胶带的黏性在加热过程中逐渐消失，逐渐失去了对金刚石的把持，当揭下胶带时，金刚石全部残留在基体表面的钎料层上，实现了金刚石与胶带的完美分离，从而改善了传统工艺金刚石排布不均匀的现象。
3.与传统模板法相比，由于传统模板法的模板需要进行随炉进行钎焊，因此需要选择一种耐高温的材料作为模板以保证模板在真空高温下不会发生形态变化。目前大都采用陶瓷为模板，但陶瓷为典型的难加工硬脆性材料，对其进行加工一直是困扰行业的一大难题，更何况在其表面加工出大小一致的微孔；并且模板的回收损耗大，使得工具的生产成本增大。在本发明中，模板不需要随炉钎焊，制备成本和难度大大降低，节约了试验成本却达到了既定的目标；
4.本发明针对含有气孔或者气穴的缺陷的基体，由于胶水固化的过程中会产生蒸汽，如果不采取措施将会导致蒸汽无法排出从而影响胶水与金刚石的紧密接触，本发明在含有气孔的位置将对应位置的胶带用电烙铁灼出一个小孔用来排气，这样保证了金刚石与胶水的紧密接触。
5.使用该钎焊工艺制备的工具相比传统钎焊工艺磨粒排布更加均匀有序，出刃高度和等高性更好，使用寿命更长。
附图说明
图1为无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊工艺流程图；
图2为刮料示意图；
图3为金刚石有序排布示意图；
图4为压缩空气吹去未被粘住的磨粒；
图5为胶水固化整体示意图；
图6为固化结束后揭掉胶带的示意图；
图7为钎焊过后金刚石排布示意图。
标号说明：胶带1，金刚石磨粒2，固化胶水3，胶水31，钎料4，基体5，筛网6，排气孔7，旋转轴8，刮料器9，石墨块10，基体孔11，石墨块通孔 12，压缩空气气枪13，筛网网丝14
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1-图7，本实施例提供了一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊工艺，具体包括以下几个步骤：
第一步：进行基体5前处理，先是磨抛基体5，去除基体5的氧化皮，随后酸洗基体5除油，超声清洗基体5去污，最后烘干备用；
第二步：进行钎料预平整操作，首先按一定比例混合钎料合金和胶水31，然后将混合好的钎料4涂在基体表面，紧接着用刮料器刮平手涂的钎料使之平整，之后晾置基体至固化；
第三步：进行磨粒有序排布准备工作，以筛网6为模板，在胶带上进行有序排布磨粒工作。首先截取适量大小的胶带贴于筛网下部，然后取一定量的金刚石磨粒2撒布在筛网下部贴有胶带的区域上，用刷子将堆叠的金刚石颗粒分散开，之后用压缩空气气枪13吹掉胶带表层未被胶带1粘住的金刚石磨粒，最后将排布好的胶带从筛网6上慢慢揭下；
第四步：进行上砂工作，在步骤二已经晾置一段时间的钎料层上手涂一层胶水31，随后将步骤三制得的金刚石有序排布的胶带覆盖在涂好的胶水层上，并用石墨块10压平胶带，加热后胶水固化，得到一层固化胶水3，缓慢揭掉基体表面的胶带1，得到金刚石排布均匀有序的待焊基体；
第五步：将上述得到的金刚石排布均匀的待焊基体放入真空退火炉中进行钎焊工作，取出试样即可得到金刚石均匀密布的钎焊工具制品。
本实施例还有如下注意事项：
1.根据实际加工要求选择合适的金刚石磨粒粒度、钎料的用量和钎焊工艺参数，并以此进行金刚石钎焊工具试验。
2.由于透明液体胶水在常温下很难固化，因此需要在微电脑加热台上进行辅助固化工作，按照经试验方法确定基体梯度加热温度工艺参数以实现最好的胶水固化效果并能最大程度弱化胶带的黏性，固化后金刚石周围的透明液体胶水就由液态变成固态，将金刚石牢牢包裹固定住，而此时胶带上的黏性在加热的过程中逐渐消失，失去了对金刚石的把持力，当缓缓揭下胶带时即可发现曾被胶水固定的金刚石全部被留在固化的胶水固定在基体上，实现金刚石与胶带的完美分离。
3.以筛网为金刚石有序排布的模板，首先需要在筛网下面粘贴一层胶带，然后将金刚石磨粒撒布在胶带含胶的一面，这时需要用刷子将堆叠的金刚石磨粒铺展成单层金刚石磨粒层，使每一颗金刚石磨粒准确的落入筛网的网格里，落入筛网里的金刚石被贴在筛网下面的胶带粘住。
4.需要将揭下的胶带表面残余的金刚石磨粒用压缩空气吹掉以保证金刚石磨粒的单层有序排布。
5.选择磨粒出露高度、磨粒分布密度、等高性等作为工具的评价指标，判断钎焊工具是否符合要求，以此对钎焊工艺调整优化，重复实验，直至获得指标最优的钎焊工具。
6.由于钎料为粉末状，直接涂布在基体上无法保持固定的形状并且无法进行表面平整工作，故需要将胶水与钎料粉末按一定比例混合均匀后涂布在基体上方可进行钎料平整工作。
本发明在制备的过程中主要需要满足以下条件：本发明选取磨粒粒度100# 的金刚石进行试验，在真空退火炉中进行钎焊工作，真空炉的真空度在加热时保持在10-3pa以下；使用的是熔点相对较低的铜基钎料，由铜、锡和钛元素组成，钎焊温度900℃或920℃，保温时间均控制在5分钟。满足以上条件钎焊的工具磨粒出露高度达到金刚石磨粒本身的60％-70％。
本发明选取磨粒粒度100#的金刚石进行试验，尤其在进行上砂步骤时进行了大量的尝试，探索金刚石磨粒与胶带的完美分离的最优参数，同时采用钎焊工艺以提高基体对磨粒的把持力从而降低金刚石在高速加工场合的脱落率。本发明的制备方法简单、实用且成本低廉，可实现无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒排布有序、密集、等高的金刚石工具。
本发明采用与金刚石粒度一样的筛网作为模板，确保胶带覆盖的每一个筛网的孔内有且只有一粒金刚石，选择的胶带的面积大小要略大于待上砂的基体 5的面积，将基体5首先放在载物块上，然后，将基体5和载物块一同放在微电脑加热台上进行加热固化。第一次需要将温度上限设为120℃，加热30mi n；此后，需要将微电脑加热台温度上限调整为150℃，加热30mi n；最后，连同载物块一同取下放置在安全通风位置冷却至室温即可轻轻揭下胶带。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于包括如下几个步骤：
第一步：进行基体前处理：
首先磨抛基体，去除基体的氧化皮；随后酸洗基体除油，超声清洗基体去污，最后烘干基体备用；
第二步：进行钎料预平整操作；
首先按一定比例混合钎料合金和胶水，然后将混合好的钎料涂在基体表面，用刮料器刮平手涂的钎料使之平整，之后晾置基体至固化；
第三步：进行磨粒有序排布准备工作；
首先截取适量大小的胶带贴于筛网下部，然后取一定量的金刚石磨粒撒布在筛网下部贴有胶带的区域上，用刷子将堆叠的金刚石颗粒分散开，之后用压缩空气吹掉胶带表层未被胶带粘住的金刚石磨粒，最后将排布好的胶带从筛网上慢慢揭下；
第四步：进行上砂工作；
在步骤二已经晾置一段时间的钎料层上涂一层胶水，随后将步骤三制得的金刚石有序排布的胶带覆盖在涂好的胶水层上，并用石墨块压平胶带，加热固化胶水后，揭掉基体表面的胶带，得到金刚石排布均匀有序的待焊基体；
第五步：将上述得到的金刚石排布均匀的待焊基体放入真空退火炉中进行钎焊工作，取出试样即可得到金刚石均匀密布的钎焊工具制品。
2.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所述基体为45#钢。
3.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所述胶水为透明液体胶水，所述钎料为Cu-Sn-Ti合金。
4.根据权利要求3所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所述钎料与胶水的质量比为6：1。
5.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所述金刚石磨粒的粒度为100#，所述筛网的孔径为100#，所述胶带为PVC电工胶带。
6.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所截取的用于排布金刚石磨粒的胶带面积大于基体待钎焊面的面积。
7.权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：如果基体含有气穴、空腔等结构，当胶带覆盖在上面时会产生密闭空间，则需要用电烙铁在胶带对应位置上灼出一个小孔用于排放胶水加热固化过程中在空腔位置积聚的气体；
所述石墨块中心有通孔，对应基体气穴结构和胶带上小孔的位置。
8.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：所述基体为厚度8mm，外径15mm，内径7mm的圆环小块。
9.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：步骤四中加热固化胶水具体是指：在120℃加热30分钟，然后调整为150℃再加热30分钟。
10.根据权利要求1所述的一种无模板随炉钎焊的单层金刚石磨粒有序排布钎焊方法，其特征在于：步骤五中所述真空退火炉的型号为KJ-V1500-12Lmo，加热速率为0-15℃/min,最高温度1200℃，极限真空1.0×10-4Pa；
钎焊时，真空退火炉内气压控制在5×10-3Pa以下,钎焊温度为900或920℃，保温时间为5min。
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