CN1281377C - 具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的制作方法，包括钎焊金刚石磨料及其界面理化结构，性态的综合测试分析方法，金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法，高温钎焊工艺，优化设计工具地貌方法，金刚石磨料的优化排布法。综合运用上述工艺方法制成的单层金刚石固结磨料工具，同时具有钎焊提供的高结合把持强度和磨料的择优排布提供的最佳地貌的双重优势，已在高硬脆性难加工材料的高效重负荷加工中显示出优异的加工性能。

Description

具有优化地貌的单层钎焊金刚石 固结磨料工具的工艺方法

技术领域

本发明涉及的是一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法。

技术背景

现有单层金刚石固结磨料工具制品，都是沿用电镀方法制备的：将工具基体上需要覆盖磨料的部位预先埋入镀液槽的磨料堆中，然后籍助电沉积的金属镍将与表面相贴靠的一层磨料逐渐包埋固结到基体上，最终形成工具的工作面。由于此种制备方法工艺简单，可以不受尺寸大小和几何形状的限制随形地制成各种需要的工具，包括任意复杂的异形面工具，且制成的工具无须修整修锐即可直接使用，因而四十多年来，单层电镀的金刚石固结磨料工具其生产应用的范围极其广泛，特别是在高硬脆性难加工材料的小余量精密超精密加工领域，它至今仍是人们首选的主要工具品种。

但是随着单层电镀金刚石工具制品生产应用范围的日益扩展，尤其是在需要它面对诸如石材加工、公路养护、地质勘探、油气钻探以及工程项目施工之类众多行业所要求的大余量重负荷的加工作业条件时，它原本未被人们察觉的固有的弊端和缺陷便开始集中突现出来，譬如：①工具表面镀层厚度通常都要达到磨料本身高度的70-80％上下，磨料出露很低，致使工具不仅锋利度差，且因容屑空间严重不足，极易发生堵塞失效②镀层虽已过厚，在重负荷作业条件下，磨料仍易整颗脱落，镀层本身也易成片剥离③即使在理想情况下，工具表面每颗磨粒的实际可利用高度也往往不足其本身高度的20-30％，因为只要镀层被磨损到其包埋厚度不足磨料初始高度的60％时，磨料受力就会自行脱落，等等。究其原因，都是因为电镀工具在镀层金属与磨料的界面上根本不存在结合力，它只能籍助加厚镀层增加对磨料的机械包埋作用来固定和把持磨料，正是由于此种包埋把持力的低下，导致电镀工具在重负荷作业条件下根本无从发挥金刚石磨料本身的性能优势。很明显，上述困扰人们的一系列问题，对需要承担重负荷作业的单层电镀金刚石工具而言，实际上是致命的，因为这是电镀工艺自身无法克服的一种痼疾。

在上个世纪九十年代，国外开始酝酿提出用高温钎焊替代电镀开发新一代单层金刚石固结磨料工具，其出发点就是希望能籍钎焊工艺为钎料与磨料的界面提供一种可以实现高强度化学冶金结合的条件，从而确保单层金刚石固结磨料工具也能在重负荷的高效作业中理想发挥金刚石磨料本身的超级加工性能优势。不过在长达十年的时间里，国外的研发工作并未能如愿取得预期的进展和效果，其中的原因，除了换代用单层钎焊工具的开发确有很大难度以外，受市场竞争压力驱使急于求成心切，从一开始就严重忽视了关于金刚石钎焊机理的基础研究，应该是一个最主要的原因。因为不通过深入的基础研究，不籍助各种现代的理化测试分析手段确切把握钎焊金刚石磨料及其界面实际可能发生的各种变化，包括这些变化的得失利弊和相应的调控对策，仅凭常规试验确定的钎焊工艺就盲目上马制作工具，是不可能确保制成的工具能稳定获得期望中的钎焊质量和效果的，这也正是近十年来虽陆续见到有不少单层钎焊金刚石工具的样品推出，甚至也还见到有若干有关单层钎焊金刚石工具的专利报导，但却一直未见有工业化规模生产的单层钎焊金刚石工具制品进入国际工具市场的原因所在。

事实上国外在研发单层金刚石工具过程中遭遇的难题，只要遵循正确的思路扎扎实实从基础做起是容易找到破解的方法的。本次申报的专利，通过实验检测钎焊磨料的残余应力和磨料界面反应生成物的结构、性态、分布特征，再综合宏观的力学和加工性试验的结果，建立起了一项可对磨料钎焊效果作出科学评价并可据此调控优化钎焊工艺的独创技术。经此项技术优化确定的钎焊工艺，可以确保即使在工业化规模生产条件下工具表面的金刚石磨料也都能在不受热损伤的前提下稳定获得高把持强度的最佳钎焊效果。

国外在以钎焊替代电镀开发所谓新一代单层金刚石固结磨料工具时，关注的焦点仅只集中在希望籍助钎焊能够大幅度提高对磨料的把持强度以应对重负荷加工作业的需求上，但却没有人认识到为了满足重负荷加工作业的要求还有另外一个同样重要的问题亟待研究解决。按照加工理论，磨料及其结合把持强度只能说明磨粒可承受负荷的能力，工具所表现的加工性能则完全是由工具所拥有的地貌因素决定的，而且此点对要求不作修整就直接使用的单层固结磨料工具而言，显得更加至关紧要。事实情况是，在现有单层固结磨料工具表面呈无规则随机密布的磨料中，可以有效去除材料的所谓的动态有效磨粒仅占磨料总数的很少的一部分，大量冗余的磨料不仅显著增加了工具的制作成本造成金刚石资源的极大浪费，更为重要的是它们的存在还严重干扰了有效磨粒的工作，使得加工作业总也无法被调控进入到最佳状态，反而造成工具的锋利度、加工效率、寿命等主要性能指标大幅度连锁下滑的极为严重的负面恶果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钎焊制作单层金刚石固结磨料工具的新方法，它能在磨料不受热损伤的前提下，在赋予磨料界面以极高的化学冶金结合强度的同时，赋予工具以最佳的地貌，从而可使以新方法制作的工具能同时拥有高的锋利度、加工效率和使用寿命的超级综合性能优势。

本发明的具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的制作方法，包括钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法，高温钎焊工艺，优化设计工具地貌方法，金刚石磨料的优化排布法。分别叙述如下：

(1)钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、性态的综合测试分析方法

此方法包括金刚石磨料钎焊界面显微结构的整体腐蚀显示工艺、关于磨料界面反应生成物的结构、形态、大小、数量、分布特征的扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射物相测试分析方法，以及钎焊金刚石磨料残余应力的激光拉曼光谱的对比测定方法和内部隐裂纹等缺陷的检测方法、等等。

此综合测试分析方法可为科学考评金刚石磨料的钎焊质量和调控优化钎焊工艺提供最有价值的定性和定量的可比数据资料。

(2)金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法

高温钎焊时在磨料界面发生的化学冶金作用不一定都能提高界面的结合强度，由于界面反应的生成物多数属高硬脆性材料，取决于界面反应生成物的结构、形态、大小、数量及其分布特征，界面实际可获得的结合强度会在一个相当大的范围内变化。另外，磨料本身因为承受钎焊时的高温热经历，也可能会导致出现石墨化及由热应力失控引起的磨料内部的隐裂纹、微裂纹甚至宏观开裂之类的附加热损伤。钎焊工艺的优化其目的就在为单层金刚石工具制品的工业化规模生产提供一种可以稳定应用的钎焊工艺，它应能在钎焊磨料不发生热损伤的同时，确保磨料界面能稳定获得尽可能高的把持强度。

本实验优化方法具体包括以下几个环节：

①就待优化的钎焊工艺条件提供单层金刚石磨料的钎焊试样；

②选择确定可以本质表征钎焊质量的测试项目作为优化目标，再籍助专为钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，就钎焊试样通过实测提供优化目标的可比数据资料；

③针对从各优化目标的可比数据资料中反映出来的问题，在冶金热力学、动力学原理和钎焊理论指导下，选择钎焊工艺的调整对策，确定调整方案。然后再重复①、②两项工作，直至优化目标的系列可比数据资料被整体调控到接近最佳的状态为止。在此过程中同时确定可以稳定优化目标的主要钎焊工艺参数的容许变动范围；

④最后，再由力学性能和加工性试验确认优化的效果。

(3)经实验优化方法确立金刚石磨料的高温钎焊工艺

此种工艺已可稳定用于生产金刚石磨料的高温钎焊工艺技术，可被具体规范为：

是一种炉内真空钎焊技术，真空炉的炉膛要求能确保10^-2—10^-3Pa的高真空氛围条件；

使用由Ni、Cr、Si、B、和微量稀土元素组成的一种专用的活性钎料合金，其中活性元素Cr的含量在8-10％之间，稀土元素则控制在1％以下；

钎焊温度＜1100℃，保温时间5-10min，随炉冷却；

钎料合金层厚度应控制在磨料高度的30-50％，钎料沿磨料表面的爬升高度不应超过磨料本身高度的70％。

’金刚石磨料应优先选用在承受高温热经历性能上表现良好的优质磨料。钎焊用的金刚石磨料无预镀膜要求。

(4)优化设计工具地貌的方法

就工具本身考虑，在磨料种类、粒度、结合剂材料和结合强度已定的情况下，地貌就是决定工具加工性的最重要的因素，这里的地貌因素包括：有效磨粒间距、容屑空间、磨料等高性、出露高度等一系列的几何分布参数，而其中有效磨粒间距由于直接决定了单颗磨粒的切除负荷，因而它是在需要优化的地貌参数中对加工状态具有最大影响力的参数。

本项发明按照磨加工学的基础理论和工艺实践，为单层金刚石固结磨料工具地貌的优化设计提供两种可以实用的方法。

①物理建模方法

是在若干简化的假设前提下，遵循基本的物理原则经过连续推演建立数学模型，并籍所建立的数学模型完成地貌优化设计的一种方法。譬如可以按照高效精密加工的要求和加工用量的组合条件，合理选择以去除材料的比能u最小作为地貌优化的目标函数。

u＝u(a_p，v_w ，v_s，P，D，K)

并且以σ≤[σ]，τ≤[τ]

q≤q                                 (*)

Q≥[Q]

R_a≤[R_a]作为主要约束条件，构成由式(*)表示的地貌优化的综合数学模型，其中v_s、v_a、a_p、D分别为工具的线速度、进给速度、切削深度和工具直径，K为与工件材料性能及磨料几何形状、锋利程度相关的参数，P即为需要优化确定的重要参数—-动态有效磨粒间距。另外，σ和τ用于表示由工具表面磨料的支承把持强度给出的约束条件，即σ为正强度，τ为剪切强度，而q、Q、R_a则分别反映由接触弧区平均热流密度、工具表面容屑空间和工件表面粗糙度要求所确定的约束关系。[σ]、[τ]、[q]、[Q]、[R_a]分别为与σ、τ、q  、Q、R_a相对应的允许值，如[R_a]为工件表面粗糙度允许值。

求解该数学模型(*)，就可以在给定的加工要求和加工用量条件下获得由一组包括动态有效磨料间距、磨料粒度、出露高度、容屑空间等主要参数表征的工具的最佳地貌。这意味着在给定的加工条件下当以拥有该最佳地貌的工具作业时，加工将显示最佳效果。

②经验建模方法

高效精密加工的要求仍由加工用量组合条件：切削深度a_η、进给速度v_w、工具线速度v_s或工具转速n预先给定，但改物理建模为直接从加工该种材料时单颗金刚石磨粒的最佳平均切厚的实验和经验数据的单颗磨粒平均切厚[a_s]出发来规范和推算确定工具表面的动态有效磨粒数N或动态有效磨粒间距P的最佳数值，即：

$N=\frac{v_w}{n\left[a_g\right]}$

或 $P=\frac{\mathrm{\πD}}{N}=\frac{\mathrm{\πDn}\left[a_g\right]}{v_w}$

在按经验模型(**)推算确定了N或P的最佳值后，尚可按加工要求再顺序确定磨料粒度、出露高度、容屑空间等其余的最佳地貌参数值。很明显，只要初始由试验提供的经验数据(a_s)是合理可靠的，则经验模型在优化设计工具地貌上与物理模型应该具有相同的效果。

对粒度为40/50#的金刚石固结磨料工具，在加工一般金属材料时，可推荐取a_g＝6-8μm，而当加工一般脆性材料譬如硬质花岗石材时，则推荐a_g＝1-3μm。

(5)单层钎焊工具制作中金刚石磨料的优化排布方法——一次性使用的壳模布料方法

本项发明为“按不同的加工要求和加工用量组合条件优化工具表面地貌，再按优化结果直接制作具有所要求地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具”的创新构想提供了最关键的关于磨料优化排布的实现技术。所提供的布料技术不仅可以覆盖端面、圆柱面和各种任意复杂的异形面工具的需要，而且更为重要的是它还可以满足单层金刚石工具工业化规模生产的要求。

参照熔模铸造中型壳的材料及其制作工艺，在单层工具工作面上预先挂涂一层耐火涂层，待其固化后在涂层上加工出间距与有效磨粒间距相符的布料槽(条布)或孔(点布)。此种覆盖在工具表面已按要求加工有槽或孔的耐火涂层就是本项发明提供的一种一次性使用的布料模具。

对一次性布料模具用耐火涂层材料的总体要求是，它对要求挂涂的工具基体要有良好的浸润和粘结性能，常温固化后应有足够的强度特别是要有良好的可切削加工性能，经高温焙烧后还应有较好的高温强度、抗热冲击不开裂的性能、钎焊时与液态金属不发生反应的化学稳定性以及良好的透气性等等。

所发明的一次性涂层壳模选用粒度W40的Al₂O₃刚玉微粉作耐火材料，并以常用的水玻璃作为粘结剂。

利用一次性涂层壳模实现金刚石磨料优化排布的具体操作方法和步骤如下：

①参照熔模铸造业制作壳型的方法，先在工具工作面上均匀挂涂一层耐火涂料层，厚度控制在磨料高度的一半左右。涂层经充分干燥硬化；

②按照优化确定的有效磨粒间距，在涂料层上加工出相应槽孔；

③在涂料层的槽孔中填放调成膏状的钎料合金；

④在膏状的钎料层中撒布金刚石磨料，并将磨料压实到基体表面；

⑤在已经布有磨料和钎料的涂层上最后再封盖一层耐火涂料，进一步固定磨料位置，在经过充分硬化和高温焙烧后送入真空炉内钎焊；

⑥钎焊后去除和清理外层型壳后即可得到具有优化地貌的单层钎焊金刚石工具制品。

在制成的工具制品表面会残留部分耐火涂层材料，但不会影响工具加工性能。

本发明，相对于单层电镀金刚石工具，具有优化地貌的单层钎焊金刚石工具制品由于综合有钎焊提供的高把持强度以及最佳地貌分布两种优势，它在高硬脆性材料的高效重负荷精密加工中显示出了优异的加工性能，克服了现有技术中所存在的加工效率低，使用寿命短的缺陷。

本发明提供的就是此种换代工具的工业化规模生产的成套技术，包括经过优化可确保磨料无附加热损伤、界面有极高的结合把持强度且可稳定用于生产的金刚石磨料的高温钎焊技术、可按不同加工要求和用量组合条件优化设计地貌的方法以及按优化结果直接排布磨料钎焊制作单层金刚石磨料工具的技术。

附图说明

图1，一次性使用的壳模布料方法示意图

图a，表面挂涂耐火涂层

图b，在已干燥硬化的涂层上加工布料槽孔

图c，在加工好的槽孔中填充膏状钎料合金

图d，在已填充钎料的槽孔中插布磨料

图e，最后整体封盖一薄层耐火涂料

图中标号名称：1.耐火涂层，2.基体，3.布料槽孔，4.膏状钎料合金，5.金刚石磨料，6.封盖涂料层。

具体实施方法

本发明的是关于一类通用的单层金刚石固结磨料工具换代新产品的工业化规模生产工艺。以其中任意一种特定的工具譬如磨轮、锯片、套料钻、绳锯串珠等等为例，它们的生产制作都可以按照下述方式组织实施：

1.根据用户对工具提出的使用要求和工具的加工对象以及加工用量的可能的选用范围，利用本发明的工具地貌的优化方法，首先完成该种工具地貌的优化设计工作。

2.严格按照本发明的已可稳定用于生产的关于金刚石磨料的高温钎焊工艺对钎料和磨料所提出的规范要求，准备好钎料合金和金刚石磨料待用。

3.利用本发明的单层钎焊工具表面金刚石磨料的优化排布方法，并按照已获得的地貌优化设计的结果具体完成工具表面磨料和钎料的优化排布工作。

图1是一次性使用的壳摸布料方法示意图。其中图a是表面挂涂耐火涂层示意图，即在基体2工作面上均匀挂涂一层耐火涂层1，其厚度控制在磨料高度的一半左右；图b是在已干燥硬化的涂层上加工布料槽孔3，即按照优化确定的有效磨粒间距，在耐火涂层1上加工出相应的布料槽孔3；图c是在加工好的槽孔3中填放调成膏状的钎料合金4；图d是在图c中的膏状的钎料合金4中插布金刚石磨料5；图e是在已经布有金刚石磨料5和膏状钎料合金4的涂层上最后再封盖一层耐火封盖涂料层6。

4.按照本发明的可以确保磨料在不发生附加热损伤的前提下，能稳定获得高结合把持强度的金刚石磨料的高温钎焊工艺的要求，规范钎焊的工艺参数条件，将已完成布料的待焊工具装炉钎焊。

5.待加工性能试验结果确认首批试制工具的超级加工性能优势后，即可按此组织工业化规模生产。

Claims (1)

1、一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法，包括钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法，高温钎焊工艺，优化设计工具地貌方法，金刚石磨料的优化排布法，其特征在于，所述高温钎焊工艺，包括确保真空炉的炉膛10^-2-10^-3Pa的高真空；使用由镍、铬、硅、硼和微量稀土元素组成的专用活性钎料合金，其中活性元素铬的含量在8-10％之间，稀土元素控制在1％以下；钎焊温度小于1100℃，保温时间5-10min，随炉冷却；钎料合金层高度控制在磨料高度的30-50％；钎料沿磨料表面的爬升高度不超过磨料本身高度的70％；

所述优化设计工具地貌方法包括物理建模方法和经验建模方法，其中物理建模方法是以去除材料的比能(u)最小作为地貌优化的目标函数：

               u＝u(a_p，v_w，υ_s，p，D，k)

并以σ≤[σ]，τ≤[τ]，q≤[q]，Q≥[Q]，Ra≤[Ra]作为主要约束条件，求解上述数学模型，可获得在给定的加工要求和加工用量条件下，包括动态有效磨粒间距、磨粒粒度、出露高度、容屑空间等在内的一组最佳地貌参数；

式中符号名称：a_p为切削深度，V_W为进给速度，υ_s为工具的线速度，P为动态有效磨粒间距，D为工具直径，K为与工具材料性能及磨料几何形状、锋利程度相关的参数，约束条件中的δ及[σ]为正压强度及正压强度允许值，τ及[τ]为剪切强度及剪切强度允许值，q及[q]为平均热流密度及平均热流密度允许值，Q及[Q]为工具表面容屑空间及工具表面容屑允许值，Ra及[Ra]为工件表面粗糙度及工件表面粗糙度允许值；

经验建模方法是在切削深度(a_p)，进给速度(V_W)，工具线速度(υ_s)或者工具转速(n)预先给定的条件下，由试验提供单颗磨粒平均切厚的经验数据[a_g]，通过，

$N=\frac{\mathrm{Vw}}{n\left[a_g\right]}$ 或者 $p=\frac{\mathrm{\πD}}{N}=\frac{\mathrm{\πDn}\left[a_g\right]}{V_w}$ 来推算确定工具表面的动态有效磨粒数(N)或动态有效磨粒间距(p)的间距值；

所述金刚石磨粒的优化排布法——一次性使用的壳模布料方法的具体步骤是：

①参照熔模铸造业制作壳型的方法，先在工具工作面上均匀挂涂一层耐火涂料层，涂层经充分干燥硬化；

②按照优化确定的有效磨粒间距，在涂料层上加工出相应槽孔；

③在涂料层的槽孔中填放调成膏状的钎料合金；

④在膏状的钎料层中撒布金刚石磨料，并将磨料压实到基体表面；

⑤在已经布有磨料和钎料的涂层上最后再封盖一层耐火涂料，在经过充分硬化和高温培烧后送入真空炉内钎焊；

⑥钎焊后去除和清理外层壳型后即可得到具有优化地貌的单层钎焊金刚石工具制品。

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