CN111168588A - 基于硬质合金-金刚石膜颗粒为磨料的钎焊砂轮及制法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于硬质合金‑金刚石膜颗粒为磨料的钎焊砂轮的制备方法，其包括如下步骤：1)在硬质合金基体的端面上制备金刚石膜，获得磨料；其中，金刚石膜的厚度与硬质合金基体的厚度之比为1:10‑30；2)将所述磨料安装在加入有钎料的砂轮基体的安装孔上，进行钎焊。本发明制备所得的砂轮避免了传统的制造技术中金刚石颗粒没有与金属基体形成牢固的化学键结合造成金刚石磨料与金属胎体之间的结合强度低的缺陷，同时可保证加工效率最佳的金刚石颗粒的安装方向，其加工效率、使用寿命大大优于传统的金刚石砂轮。
Description
技术领域
本发明属于砂轮的制备技术领域，具体涉及一种基于硬质合金-金刚石膜颗粒为磨料的钎焊砂轮的制备方法。
背景技术
目前，金刚石砂轮的主要结合方式包括：多层烧结砂轮、电镀砂轮及钎焊砂轮三种：
(1)烧结金刚石砂轮。是最早期的砂轮类型，主要利用高温烧结的方法进行金刚石砂轮的制造，结合剂多以青铜等金属为主，具有成型便捷、可加工复杂零件等诸多优点，大量用于各种材料的磨加工。但是，随着磨削技术的发展，其缺陷也逐渐暴露出来，主要有以下三个方面：
a、由于烧结是将工件整体进行高温加工，故存在较大程度的基体变形，砂轮的磨削精度大大降低；
b、烧结金刚石砂轮原理上仅仅将金刚石磨粒镶嵌在结合剂内，随着磨削力逐渐增大，金刚石磨粒易发生整体脱落，最终导致砂轮失效[1]。故多层烧结金刚石砂轮在重负荷磨削过程中极易导致砂轮发生整体脱落现象，从而使得金刚石磨料的应用在磨削过程中得不到充分发挥。
c、烧结金刚石砂轮的磨料为金刚石颗粒，金刚石颗粒的硬度和耐磨损性能为各向异性，但金刚石颗粒在烧结砂轮中排布方向为随机分布，因此不能发挥金刚石颗粒最佳的加工效能。
(2)电镀金刚石砂轮。电镀金刚石砂轮是用电化学方法制作的，是使用加工成形的金属砂轮基体，经过前处理、上砂、电镀等工序，电镀过程中使金刚石颗粒包埋在镀层金属中，形成金刚石砂轮。
由于避免了整体高温加工，因此不变形，成形精度高于烧结砂轮，无需修整。因此在高效磨削过程中国内外应用较为广泛，例如美国GE公司采用电镀砂轮加工合金钢，美国Litton工业制造公司利用电镀砂轮加工汽车配件[2]。
但随着电镀金刚石砂轮被广泛应用，从而导致其弊端逐渐暴露。研究表明，电镀砂轮上的金刚石磨料、镀层合金及基体三者并没有形成真正意义上的冶金结合，大量磨料是被钎料镶嵌或者包埋在基体中。从而结合强度被大大削弱，磨粒把持粒度较小，在重负荷磨削过程中同样容易随着磨粒脱落而导致砂轮失效。同时，金刚石颗粒在电镀金刚石的砂轮中排布方向也为随机分布，同样不能发挥金刚石颗粒最佳的加工效能。
因此，传统的烧结和电镀金刚石砂轮的金刚石磨料、钎料及砂轮基体之间形成的仅仅是机械式的镶嵌和包埋，导致磨料、钎料和基体三者之间的结合强度较低，故烧结金刚石砂轮和电镀金刚石砂轮在重负荷磨削过程中极易导致砂轮发生整体脱落现象，从而使得超硬磨料的应用在高效磨削过程中得不到充分发挥。
为了提高电镀砂轮的结合强度，可将包埋深度增大，但随着包埋深度的增大，超硬磨料的出露高度降低，从而导致磨削过程中的容屑空间减小。当磨屑不断增多时，砂轮容易发生堵塞，磨削性能将下降，甚至出现磨削烧伤等缺陷。
为了使金刚石磨料、钎料合金及金属砂轮基体三者之间的结合强度得到改进，一些国内外学者在金属化磨粒表面[3]及添加一些活性元素在钎料中[4]等方面做出了初步探索，但在提高结合强度方面并没有发生较大进展。因此，只有寻找一种能够从根本上改变磨料、钎料和基体之间的结合强度的方法，才能够充分发挥超硬磨料在高效磨削技术上的优势。
(3)高温真空钎焊金刚石砂轮
为满足磨削工件技术要求(磨削效率高、工件表面粗糙度小等)，超硬磨料与砂轮基体的结合方式也在不断改善与发展。直到90年代中后期，国内外专家学者开始关注高温真空钎焊用于金刚石砂轮的制作，借由在磨粒、钎料与钢基体界面上发生的溶解、扩散、化合等作用实现结合剂层对磨粒的牢固把持，使得金刚石颗粒磨料与金属砂轮基体具有较高的钎焊结合强度[5-6]。
但是，金刚石难以被大多数钎料润湿，且金刚石热稳定性差、线膨胀系数低(1.2×10-6～4.5×10-6)，钎焊过程中易产生热应力[7-8]。因此，大批学者纷纷倾注精力对钎焊金刚石技术进行了系统的尝试和研究，以期在金刚石钎焊工具制作方面取得阶段性突破。
如瑞士A K Chattopadhyay等人将含氧量为0.5％的NiCrFeSiB钎料均匀涂于钢基体表面，随后将金刚石磨粒排布于合金层面上。采用火焰喷涂法氩气气氛环境保护，在加热温度1080℃，保温时间30秒条件下进行高频感应钎焊[9]；南京航空航天大学姚正军等人在Ar气保护辐射炉内采用自行研制的Ni-Cr合金粉末进行金刚石高温钎焊[10]。马楚凡等采用Cr粉+NiCr13P4合金为钎料将金刚石磨粒钎焊于钢基体表面，钎焊温度950℃，真空度0.2Pa[11]。
F A Khalid等人采用Cu-Sn-Ti合金粉末真空钎焊金刚石，并利用扫描电镜等手段分析了界面结合组成成分及形貌结构，结果表明，结合界面有明显分层现象，靠近磨粒侧的TiC结构呈立方形，不连续[12]；南京航空航天大学郭兆翠等人采用(Cu90Sn10)85Ti15合金粉末在加热温度900℃、保温8min条件下钎焊无镀膜金刚石，并对金刚石与钎料界面结合处进行微观结构分析；T Yamazak和J T Lower等为替代传统电镀法制备的金刚石工具，采用添加Ti、In、V等元素的Ag基钎料在一定工艺参数下真空钎焊金刚石工具[13-14]；关砚聪等人在钢基体表面上选用铜基钎料真空钎焊金刚石，分析不同钎焊温度对界面结构及结合强度的影响，结果表明，若要使钎焊效果较好，需将加热温度维持在880～930℃间，且保温时间约10min[15]。
在高温真空钎焊过程中，钎料、金刚石与其内部触媒金属热膨胀系数不同，使得磨粒及结合界面处存在较大残余应力，且钎料会对金刚石表面产生化学侵蚀作用，导致其力学方面性能大幅度下降，更有甚者，磨粒出现开裂现象。因此，尽管高温钎焊金刚石工艺的研究发展已有几十年的历史，但如何将这项技术应用于生产实践仍在持续研究之中。
为解决金刚石磨料与金属胎体之间的结合强度低的问题，以往的产品主要采用了以下几个方面的技术途径：
1、改进烧结工艺。在烧结过程中实现金刚石表面金属化以提高与胎体的结合强度，即在胎体材料中添加或在金刚石表面预粘上强碳化物金属粉末，以期望它们在烧结过程中实现对金刚石的化学键结合。但从实现金刚石表面预金属化所用的工艺来看，需在真空条件下、600℃以上加热1小时才能得到理想的结合力。以目前常用的孕镶金刚石切削工具的烧结条件来看，在非真空或低真空中不超过900℃加热5分钟左右，不能使金刚石表面生成金属化层的。因为无论活性金属原子(Ti、V、Cr等)向金刚石表面富集还是界面反应达到结合剂与金刚石冶金结合都是原子扩散过程，根据热压所用温度及这样短的时间内，这个过程是极不充分的。在固相烧结条件下(有时有少量低强度低熔点的金属或合金液相)，胎体对金刚石的化学键结或冶金结合力是十分弱的或根本不会形成。因此，该技术路线对金刚石砂轮性能的提高十分有限。
2、钎焊技术用于制作金刚石砂轮。采用在金刚石表面镀覆某些过渡族元素(如Ti、Cr、W等)，并与其发生化学反应在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是金刚石钎焊的原理。从已发表的专利和文章中可以看出，该技术可使金刚石最大出刃值达到粒径的2/3，工具寿命提高3倍以上，而常规下该值不足1/3。所以，采用钎焊技术可望实现胎体金属(钎料)与母体材料-金刚石和钢基体之间的牢固结合。
但是，金刚石钎焊时存在着许多急需解决的难点：(1)要求钎料对金刚石和胎体有良好浸润性和结合强度(2)钎焊材料及钎焊工艺的选择要保证金刚石的稳定性，以减少或避免钎料对金刚石的侵蚀；(3)由于金刚石和金属基体的热膨胀系数差异较大，因而焊接残余应力也较大，降低接头的强度；(4)钎料的熔点要高于金刚石工具的工作温度，所以应寻找熔点较低并与金刚石膨胀系数接近的金属(合金)材料作为钎料，再考虑加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和亲和性，达到既能粘结金刚石又能满足胎体机械性能的目的。此外，金刚石表面金属化的实现方式、表面金属与钎料的匹配和选择、钎剂和气体介质的选择等关键技术还需进一步成熟和优化。另外，金刚石工具的使用效率与寿命除取决于金刚石磨粒被镶嵌的牢固程度外，还与胎体的耐磨性有关。胎体本身强度的高低、金刚石在胎体中的分布状态、金刚石的浓度等都会对胎体的耐磨性产生影响，所以，如何使胎体达到理想的状态也是今后工作中值得注意的问题。因此，虽然钎焊技术研究始于20世纪80年代后期，但由于工作复杂至今仍停留在实验阶段，其应用也仅局限于单层工具。国内的高温钎焊技术研究起步较晚，与发达国家相比，研究的广度和深度远远不够，因而目前进展十分缓慢，尚未进行规模化的生产与应用。另外，该技术路线同样解决不了金刚石颗粒的安装方向问题，因此也不能充分发挥金刚石颗粒的最佳性能。
上述背景技术介绍中引述的文献汇总如下：
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发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种具有更加优秀的磨削加工性能的钎焊砂轮及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供的方案如下：
一种基于硬质合金-金刚石膜颗粒为磨料的钎焊砂轮的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在硬质合金基体的端面上制备金刚石膜，获得磨料；其中，金刚石膜的厚度与硬质合金基体的厚度之比为1:10-30；
2)将所述磨料安装在加入有钎料的砂轮基体的安装孔上，进行钎焊；
所述磨料为边长为2-5mm的正方体或者直径和高为2-5mm的圆柱体；所述由WC颗粒和Co粘结剂通过粉末冶金合成；
安装孔位于砂轮基体的侧面，呈阵列排布，孔深1mm。
优选的，步骤1)中，所述硬质合金基体中的硬质合金牌号为YG6。
优选的，步骤2)中，所述钎料为镍基合金粉末。
优选的，步骤2)中，安装所述磨料前，预先在所述安装孔上加入粘结剂。
优选的，所述磨料为边长为3mm的正方体或者直径和高为3mm的圆柱体。
优选的，进行钎焊时，采用高频焊机进行，钎焊功率为7KW，钎焊时间为28s，真空冷却1.5h，真空度为10Pa。
优选的，所述砂轮基体的材料为45号钢，直径为100mm，宽度为6mm，中心孔径为20mm。
优选的，步骤1)中，进行金刚石膜制备时，在热丝CVD装置中采用化学气相沉积方法进行。
优选的，以氢气和甲烷为原料气，通过2000℃高温的热丝激励后在硬质合金基体上沉积金刚石膜。
优选的，沉积金刚石膜时，所用的金刚石颗粒的颗粒尺寸为5μm-30μm。
本专利以成形的硬质合金原料为基体(圆柱体或长方体)，在端面上采用化学气相沉积方法制作具有高结合强度的硬质合金-金刚石膜颗粒磨料，金刚石膜的颗粒度和厚度通过工艺进行调节，并通过工艺控制晶面的显形。再将金刚石-硬质合金复合磨料安装在钢或合金制作的胎体安装孔中，再通过钎焊使金刚石-硬质合金复合磨料牢固地装配在金属胎体上，完成硬质合金基体的金刚石膜钎焊砂轮的制作。因此，这种金刚石砂轮使用中不会出现磨料的整体脱落，同时可保证加工效率最佳的金刚石颗粒的安装方向，其加工效率、使用寿命大大优于传统的金刚石砂轮。
本发明的有益效果：
本发明制备所得的砂轮避免了传统的制造技术中金刚石颗粒没有与金属基体形成牢固的化学键结合造成金刚石磨料与金属胎体之间的结合强度低的缺陷，同时可保证加工效率最佳的金刚石颗粒的安装方向，其加工效率、使用寿命大大优于传统的金刚石砂轮。
说明书附图
图1为砂轮基体外形尺寸示意图；
图2为砂轮基体外圆形状尺寸示意图；
图3为砂轮基体孔阵列的排布方式示意图；
图4为本发明所用的热丝CVD装置示意图；
图5位硬质合金-金刚石膜颗粒外形示意图；
图6为硬质合金-金刚石膜颗粒外形图；
图7位金刚石膜扫描电镜照片；
图8和图9为不同砂轮磨削大理石时磨削力随Vs变化图；
图10和图11为不同砂轮磨削工程塑料时磨削力随Vs变化图；
图12和图13为不同砂轮磨削铝合金时磨削力随Vs变化图；
图14和图15为不同砂轮磨削硬质合金时磨削力随Vs变化图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)砂轮基体的制备：
材料为45号钢，加工成直径为100mm，宽度6mm，中心孔径为20mm的形状作为砂轮基体。如图1所示，外圆壁上加工孔阵列，孔深为1.0mm，用于安装硬质合金-金刚石膜磨料，如图2、图3所示。
(2)磨料的制备
硬质合金牌号为YG6，通过粉末冶金成形和少量加工成形，作为制作硬质合金磨料基体。将硬质合金磨料基体，在热丝CVD装置中采用化学气相沉积方法在端面表面制作金刚石膜。该热丝CVD装置主体结构由真空系统、进气系统、加热系统和样品装载及控制系统等几部分组成，如图4所示。由机械泵对整个反应腔、管道等抽气，达到真空状态，进气系统由2路不锈钢管道汇成一路后进入反应腔，由气体流量控制器控制流量；加热系统由电极、热丝、电源组成，电源为恒功率直流电源，通过电极将热丝加热到设定温度；样品装载系统由样品台、升降机构以及工装夹具构成。以氢气和甲烷为原料气，通过2000℃高温的热丝激励后在硬质合金磨料基体上沉积金刚石膜，通过热丝温度、硬质合金磨料基体温度、气体流量、压力、沉积时间等工艺参数控制金刚石膜的厚度，晶粒度等。在硬质合金磨料基体端面制备的金刚石膜样品如图5所示，其外形如图6，图7所示为金刚石膜的显微照片。
(3)安装
将制备好的磨料分别安装在砂轮基体的安装孔中，安装孔预先加入了含有粘结剂的粉末合金钎料，钎料为镍基合金粉末。采用高频焊机进行钎焊操作，最大功率50KW，频率30-80KHz。钎焊工艺：钎焊功率为7KW，钎焊时间为28s，真空冷却1.5h，真空度为10Pa。
在万能磨床上针对大理石、塑料、铝合金和硬质合金进行加工性能对比实验，同等加工条件下，其法向力和切向力大大小于烧结金刚石砂轮和电镀金刚石砂轮。说明本专利产品的使用性能明显优于传统的金刚石砂轮。
磨削加工在带变频调速的万能工具磨床上进行。磨削加工参数按表1进行。试验采用固定的磨削方式、固定磨削参数，对比本专利产品与烧结金刚石砂轮、电镀余刚石砂轮磨削分别加工4种不同材料的磨削力变化特征，进行本专利产品硬质合金-金刚石膜钎焊砂轮的磨削性能对比评价和材料适应性评价。
表1加工参数设置
由图8至图9可见，三种砂轮分别加工4种材料，法向力与切向力随砂轮线速度的增大而减小。在磨削4种材料时，烧结金刚石砂轮磨削力显著增大，电镀金刚石砂轮磨削力第二，硬质合金-金刚石膜钎焊砂轮磨削力最小。说明本专利针对多种材料的磨削加工性能最优。
Claims (10)
1.一种基于硬质合金-金刚石膜颗粒为磨料的钎焊砂轮的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在硬质合金基体的端面上制备金刚石膜，获得磨料；其中，金刚石膜的厚度与硬质合金基体的厚度之比为1:10-30；
2)将所述磨料安装在加入有钎料的砂轮基体的安装孔上，进行钎焊；
所述磨料为边长为2-5mm的正方体或者直径和高为2-5mm的圆柱体；所述由WC颗粒和Co粘结剂通过粉末冶金合成；
所述安装孔位于砂轮基体的侧面，呈阵列排布，孔深为1mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述硬质合金基体中的硬质合金牌号为YG6。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述钎料为镍基合金粉末；和/或，步骤2)中，安装所述磨料前，预先在所述安装孔上加入粘结剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述磨料为边长为3mm的正方体或者直径和高为3mm的圆柱体。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，进行钎焊时，采用高频焊机进行，钎焊功率为7KW，钎焊时间为28s，真空冷却1.5h，真空度为10Pa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述砂轮基体的材料为45号钢，直径为100mm，宽度为6mm，中心孔径为20mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，进行金刚石膜制备时，在热丝CVD装置中采用化学气相沉积方法进行。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，以氢气和甲烷为原料气，通过2000℃高温的热丝激励后在硬质合金基体上沉积金刚石膜。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，沉积金刚石膜时，所用的金刚石颗粒的颗粒尺寸为5μm-30μm。
10.由权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的钎焊砂轮。
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