一种面向细粒度金刚石磨料单层钎焊工具的制备方法

摘要

一种面向细粒度金刚石磨料单层钎焊工具的制备方法，涉及磨料磨具制造的技术领域。本发明首先对基体的工作面进行打磨处理，在工作面上均匀铺展一层合金钎料粉末层；在高温真空的条件下，将基体送入真空炉内进行第一次钎焊；对钎焊后的表面进行打磨，形成钎料层；在钎料层的表面撒布一层细粒度金刚石磨料；送入真空炉中，在高温真空的条件下进行第二次钎焊；经过第二次钎焊后，取出试样即可得到细粒度金刚石均匀密集排布的单层钎焊工具制品。本发明在细化钎焊工艺所能应对磨粒粒度的同时，赋予工具以均匀密集、等高分布、高出露的磨料排布形貌，从而可使以新方法制作的工具能同时拥有加工精度、加工效率和使用寿命的综合性能优势。

说明书

 

技术领域

本发明涉及磨料磨具制造的技术领域，尤其是一种细粒度金刚石磨料单层钎焊工具制备方法。

 

背景技术

近年来，随着现代制造技术的发展，以磨料磨具为工具的磨削加工，已不仅仅应用于大余量重负荷的加工领域，而且不断扩展到高硬脆性难加工材料的小余量精密超精密加工领域，譬如在功能陶瓷、光学玻璃、石英等高硬脆性难加工材料的精密加工。在高硬脆性难加工材料的超精密加工中，研磨、抛光一直作为首选的加工方法。研磨是利用涂敷或压嵌有磨料粒度的研具对表面进行精整加工。抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮平整表面的加工方法，加工中主要使用游离态的磨料粒度。这类加工方法的弊端是加工效率极低，譬如天文仪器中所用光学玻璃的研抛加工时间可长达数月，甚至几年，这样的加工效率与成本需求都对现代制造业提出了更高的要求。磨削作为表面加工的典型加工方法，砂轮是其首选的加工工具，金刚石凭借其高硬度在磨削工具中得到了广泛应用。磨具采用的磨料粒度是决定砂轮所能达到的加工精度的重要因素之一。磨削加工相对于研磨抛光而言，其加工过程中的磨削用量大得多，并且磨具加工性决定了最终加工质量。随着对加工质量、加工效率要求的不断提升，细粒度金刚石磨削工具的需求量也越来越大，因此国内外学者对金刚石工具制备进行了广泛研究。

上世纪九十年代，国外开始研制钎焊单层金刚石固结磨料工具，其出发点是藉高温钎焊时在金刚石、钎料与基体界面上发生的诸如熔解、浸润、扩散、化合之类的相互作用从根本上改善磨料、钎料和基体三者间的结合强度。国内外专家学者通过不懈的努力，研发出了多种单层金刚石钎焊工具，并在应用中取得了理想的效果。但是，就目前钎焊技术而言，单层钎焊金刚石砂轮磨料粒度仅集中于140#以粗（>104μm）的金刚石磨料，所能达到的加工精度受到了限制。为了集结合强度高、磨粒出露高、工具表面容屑空间充裕、工具寿命长、绿色环保和加工精度高等诸优势为一体，势必需要对细粒度金刚石单层钎焊工艺进行深入研究。通过对钎焊工艺的研究，制备具有磨粒均匀排布、高出露高度、高磨料把持力特点的单层金刚石钎焊工具，使得金刚石钎焊工具可以适应高硬脆性难加工材料的加工要求，实现高加工效率、高加工精度的精密磨削加工。因此，将金刚石钎焊砂轮应用于高硬脆性难加工材料的精密磨削加工，势必大大提高磨削加工所能达到的加工质量，并压缩研抛加工的耗时和成本，最终起到“以磨代研”的功效。

以往由于磨料粒度较粗，易于控制单颗磨粒。随着金刚石粒度不断细化，控制磨粒位置成为难以解决的问题；粗粒度金刚石钎焊环境条件要求已十分苛刻，细粒度金刚石对于钎焊环境条件的要求还须进一步加深，才可稳定钎焊效果，寻找经济可靠的钎焊条件将决定工业化规模生产前景；熔融钎料对细粒度金刚石的润湿性研究不透彻，导致在调控磨料出露、排布方式、避免磨粒团聚重叠等问题上的解决方法显得捉襟见肘，诸多问题的解决都显得刻不容缓。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对制备钎焊单层细粒度金刚石磨具的新工艺方法，在细化钎焊工艺所能应对磨粒粒度的同时，赋予工具以均匀密集、等高分布、高出露的磨料排布形貌，从而可使以新方法制作的工具能同时拥有加工精度、加工效率和使用寿命的综合性能优势。

一种面向细粒度金刚石磨料的单层钎焊工具制备方法，其特征在于包括如下几个步骤：

第一步：对基体的工作面进行打磨处理，在工作面上均匀铺展一层合金钎料粉末层；

第二步：在高温真空的条件下，将上述第一步得到的带有合金钎料粉末层的基体送入真空炉内进行第一次钎焊；

第三步：对上述第二步钎焊后的表面进行打磨，形成钎料层；

第四步：在钎料层的表面撒布一层细粒度金刚石磨料；

第五步：送入真空炉中，在高温真空的条件下进行第二次钎焊；

第六步：经过第二次钎焊后，取出试样即可得到细粒度金刚石均匀密集排布的单层钎焊工具制品。

本发明的制备方法包括以下几个环节：

1、根据磨削工具期望加工性能调整磨料粒度、钎料用量、金刚石用量和钎焊工艺参数等，并以此进行细粒度金刚石单层钎焊试验；

2、选择磨粒浓度、磨粒间距、磨粒等高性、磨粒出露高度等特征要素作为考察目标，借助三维视频显微镜、扫描电镜等理化分析仪器对钎焊试样进行检测，提供特征要素的检测数据；

3、针对所获数据进行分析，判断磨粒分布密度、等高性情况、出露高度是否符合要求，以此对钎焊工艺调整优化，重复试验，直至试样的特征要素数据接近期望效果为止；

4、经试验方法确立金刚石磨料的高温钎焊工艺。

本发明在制备过程中主要需要满足以下条件：在真空炉内真空钎焊，真空炉的真空度<10^-2Pa；使用由银、铜和钛元素组成的专用活性钎料合金，其中活性元素钛的含量在8%左右，该自主研制的银基活性钎料有效避免了钎焊金刚石的热损伤，钎焊金刚石表面没有出现石墨化与微裂纹；力学性能测试结果表明焊后金刚石基本上保持焊前的力学性能；钎焊温度介于920-950℃，保温时间为6到30分钟，最好为15分钟。满足以上条件下得到的制品：磨料底端至基体表面的钎料层厚度控制在磨料高度的5-10%；磨料出露高度超过了磨料本身高度的50%。

本发明主要针对磨粒粒径介于140/650#（21-104μm）的细粒度金刚石磨料。在磨料种类、粒度、结合剂材料和结合强度已定的情况下，细粒度金刚石钎焊工具表面磨粒分布主要采用密布、均匀、单层排布。本发明的制备方法确保金刚石磨料排布形貌满足均匀、密集、等高的排布规律。金刚石磨料均匀排布，确保钎焊试样表面无明显金刚石缺失或堆积；金刚石磨料等高排布。

 

附图说明

图1为本发明面向细粒度金刚石磨料单层钎焊工具制备工艺方法的示意图。

 

具体实施方法

一种面向细粒度金刚石磨料的单层钎焊工具制备方法，包括如下几个步骤：

第一步：如图1（a）、图1（b）所示，对基体1的工作面进行打磨处理，在工作面上均匀铺展一层合金钎料粉末层2；

第二步：在高温真空的条件下，将上述第一步得到的带有合金钎料粉末层2的基体1送入真空炉内进行第一次钎焊；

第三步：如图1（c）所示，对上述第二步钎焊后的表面进行打磨，形成钎料层3；

第四步：如图1（d）所示，在钎料层3的表面撒布一层细粒度金刚石磨料4；

第五步：送入真空炉中，在高温真空的条件下进行第二次钎焊；

第六步：如图1（e）所示，经过第二次钎焊后，取出试样即可得到细粒度金刚石均匀密集排布的单层钎焊工具制品。

本发明细粒度金刚石磨料4的磨粒粒径介于140/650#。

本发明高温真空条件下真空炉的真空度为<10^-2Pa。

本发明高温真空条件下钎焊温度为920-950℃。

本发明高温真空条件下加热时间为6到30分钟。

本发明高温真空条件下加热时间为15分钟。

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选用范围，设计工具外形尺寸、加工工艺参数等，并根据以上要素评估出金刚石磨料粒度、磨粒排布密度；

2、严格按照本发明的适用于细粒度金刚石单层高温真空钎焊工艺，准备一定质量的钎料合金和金刚石磨料备用；

3、对工具工作面进行打磨处理，在磨削工具工作面上均匀铺展一层一定质量的钎料层。按照一定的高温真空钎焊工艺，将工具送入真空炉内进行第一次钎焊；

4、钎焊后对钎料层表面打磨，保证钎料层厚度均匀，表面平整；在钎料表面密集撒布一层金刚石磨料，去除多余堆积在钎料表面的金刚石磨料；

5、 将制备的工具送入真空炉中，按照一定的高温真空钎焊工艺进行第二次钎焊；钎焊后，取出试样即可得到细粒度金刚石均匀密集排布的单层钎焊工具制品；

6、对钎焊效果进行评价，若需改进，可对金刚石与钎料的用量进行调整，重复以上操作以改善钎焊效果。直至符合要求后，即可按此组织工业化规模生产。