一种细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法与流程

本发明涉及超硬磨料工具制备领域，特别是一种细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法。

背景技术：

钎焊是指将两种材料通过焊料的高温熔化连接的工艺。其特点是焊料熔化，而母材不融化。钎焊超硬磨料工具是指将以金刚石、立方氮化硼为代表的超硬磨料焊接于钢基体上制备的具有加工能力的工具。主要包括：磨削工具、切割工具、钻削工具三大门类。

目前的钎焊超硬磨料工具多用镍基、铜基、银基等类型焊料对超硬磨料进行焊接，通过感应加热、电阻加热等方式使焊料熔化，由于焊料中的活性元素如钛、铬等元素使得超硬磨料与钢基体牢固连接。为保证超硬磨料不被空气中的氧、氮等元素影响，一般需要保护气氛，多采用真空方式或惰性气体。

细粒度钎焊超硬磨料工具可广泛应用于精密切割、磨削、钻削领域，主要加工以钢铁为代表的黑色金属、铜、铝为代表的有色金属、大理石、陶瓷为代表的石材、以及塑料、橡胶为代表的新兴复合材料等。

本发明中所述的细粒度是指粒度在80目~400目之间的磨粒，相对应的粗粒度磨粒指30目~80目之间的磨粒。常规的超硬磨料工具由于粒度多集中在30目~80目之前，在制备时可有两种方式，一种为直接布洒磨料与焊料颗粒，一种为涂覆膏状焊料后再布洒超硬磨料。在较大粒径的情况下，上述方式均可以较好的实现。而当超硬磨料粒度小于80目时，其平均尺寸最大仅0.2mm，颗粒尺寸变小，制备难度大大提高，具体存在问题总结如下：

1.通过布洒的方式已难以实现均匀，无论采用何种方式进行布洒，其粒度较小，比表面能大，容易团聚。

2.细粒度超硬磨料比表面积大，更容易存在氧化、腐蚀的现象。

3.根据焊料与粒度的匹配，单颗超硬磨料所需要的焊料量相比大粒度磨粒小得多，而由于焊料存在熔化与凝固的过程，导致其对磨粒的包埋与爬升影响更大，使磨粒不易出露，包埋深度过深，磨粒难以发挥功用。

此外，为使细粒度超硬磨粒与焊料较好的匹配，存在过这样的方式：将细粒度超硬磨料与焊料按一定比例均匀混合，然后将混合后的料涂抹于基体表面，此方式若用于制备单层磨料工具，不易均匀，即不易保证细微的颗粒单层均匀地排布于基体表面，若出现超硬磨料叠层现象，则易在加工表面出现划痕，这在在精密加工领域是不能接受的。因此，如何使磨粒良好钎焊，且超硬磨粒单层均布，成为行业难题。

专利号为201110366572.8的中国发明专利，其研究了细粒度金刚石单层钎焊的方法，此方法先将焊料在真空炉内加热，形层焊料层，然后再对焊料层进行表面打磨处理，再将金刚石磨粒布洒于焊料合金层表面。此种方式具有以下局限性：

（1）工具需要两次加热，成本高。另外，需要增加表面的打磨处理工序，对于复杂表面处理增加工序难度。

（2）金刚石磨粒的布洒亦决定了金刚石表面的分布状态，金刚石粒度越小，均匀性越难以得到精确保证。

（3）对竖直平面或弧面存在焊料流淌的风险，导致焊料层在钎焊金刚石时不均匀。

（4）细粒度超硬磨粒条件下，焊料层厚度极薄，高温熔化后存在的表面张力使得对磨粒的包埋与爬升存在一定困难。

通过上述分析可以看出，对于单层超硬磨料工具，合理地利用合金焊料对磨粒进行钎焊，成为行业的难题，不解决此问题，则超硬磨料工具应用于精密、超精密切割、磨削、钻削加工则无从谈起。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法，该细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法的目的即是解决细粒度超硬磨料钎焊工具制备时超硬磨料分布不易均匀，超硬磨料钎焊形貌不易控制的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法，细粒度钎焊超硬磨料工具包括工具基体和单层钎焊在工具基体表面的超硬磨料，其特征在于：制备方法包括如下步骤。

步骤1，复合丸粒制备：采用制粒工艺，将超硬磨料颗粒的外周包裹合金焊料，形成复合丸粒；其中，超硬磨料为粒度在80目~400目之间的超硬材料。

步骤2，选择惰性微粒球：惰性微粒球的熔点和沸点均要求大于1100℃，且该惰性微粒球在1100℃以下时，均不与超硬磨料、合金焊料、工具基体材料发生冶金化学反应。

步骤3，混合料制备：将步骤1制备的复合丸粒和步骤2选择的惰性微粒球利用混料剂混合均匀，形成混合料。

步骤4，粘结剂涂覆：清理工具基体表面，在清理后的工具基体表面上涂覆一层粘结剂，该粘结剂的沸点大于混料剂的沸点。

步骤5，布洒混合料：将步骤3制备的混合料布洒在步骤4中涂覆有粘结剂的工具基体表面。

步骤6，去除多余混合料：将步骤5中布洒有混合料的工具基体进行加热，此时的加热温度要求大于混料剂的沸点且小于粘结剂的沸点，当工具基体表面的混料剂挥发时，去除不与粘结剂相连接的多余的混合料，使工具基体表面形成单层混合料均布的颗粒地貌。

步骤7，钎焊：将步骤6中具有单层混合料均布的工具基体在保护气氛下加热至钎焊温度，该钎焊温度大于粘结剂沸点但小于1100℃；粘结剂挥发，合金焊料熔化并将超硬磨粒部分包埋。

步骤8，去除惰性微粒球：钎焊完成后，通过施加外力的方式将工具基体表面的惰性微粒球去除，即可得到所需的细粒度钎焊超硬磨粒工具。

所述步骤4中的粘结剂为压敏胶与丙酮按照体积比1:2~1:15进行配制形成。

所述步骤1中的超硬磨料为人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼中的一种或多种。

所述步骤2中的惰性微粒球为二氧化硅、三氧化二铝或氧化钛中的一种或多种。

所述步骤3中混料剂的挥发温度低于100℃，且混料剂不与超硬磨料和合金焊料发生化学反应。

所述步骤6中，当工具基体表面的混料剂挥发时，通过接触式或非接触式施加外力的方式，去除不与粘结剂相连接的多余的混合料，且施加的外力小于粘结剂的粘结力。

所述步骤6中，外力施加的方式为细软毛刷直接接触式、非接触式微气流冲击和非接触式振动脱落中的一种。

所述步骤8中，通过振动的方式将工具基体表面的惰性微粒球去除。

所述步骤4中粘结剂的挥发温度为120-550°。

所述步骤7，钎焊时，钎焊的方式为真空钎焊或保护气氛下电阻加热或惰性气体保护下感应加热或真空电阻钎焊。

本发明采用上述方法后，具有如下有益效果：

1. 上述复合丸粒制备、布洒混合料以及去除多余混合料等方法，因此，能使混合料均匀单层铺展于工具基体表面，单颗超硬磨粒周围均有合金焊料的包围，保证了每颗超硬磨粒的钎焊性能。这对于获得良好的加工性能是十分有利的。另外，由于超硬磨粒粒度较小，混料剂挥发后，比表面积增大，超硬磨粒与工具基体接触面增加，能形成较大的粘附力，因此能达到混合料彻底的单层铺展效果。也即所形成的磨粒地貌为单层磨粒结构，加工精度高，不存在多层超硬磨粒叠积的现象，易于保证加工精度。

2.上述混合料单层铺展在工具基体上后，当钎焊加热时，由于钎焊温度大于粘结剂挥发温度，因此，工具基体表面的粘结剂层挥发，对复合丸粒与惰性微粒球的粘结作用失去，但由于复合丸粒表面的合金焊料会熔化流淌，将会铺展爬升，对超硬磨粒进行包埋，由于磨粒不仅底部包有合金焊料，顶部亦存在，因此合金焊料部分区域会对超硬磨粒表面形成一层合金焊料层，但由于重力作用以及合金爆料与超硬磨粒密度的差异，超硬磨粒上浮出露， 进而解决细粒度超硬磨料钎焊工具制备时超硬磨料分布不易均匀，超硬磨料钎焊形貌不易控制的难题。

3.由于惰性微粒球不与合金焊料反应，但其位置的填充使合金焊料均流向超硬磨粒，达到优化的钎焊效果。且惰性微粒球可在焊后进行去后，通过振动、施加外形方式进行去除。因而得到表面按照设计要求排布的超硬磨粒地貌。由于惰性微粒球不存在，超硬磨粒不仅被良好钎焊，而且磨粒之间形成较大排屑空间，利于磨削散热、排屑，这对于精密加工是必要而关键的。

总之，以上工序工艺，由于工艺简洁，自动化程度高，且对工具结构外形的适应性好，非常有利于工业化生产与自动化操作，对于制备精密与超精密加工工具极为有利，具有较高的经济价值与效益。

附图说明

图1显示了本发明中复合丸粒的结构示意图。

图2显示了步骤5中混合料布洒在工具基体上的结构示意图。

图3显示了步骤6去除多余混合料后，混合料单层铺展在工具基体上的结构示意图。

其中有：1.超硬磨粒颗粒；2.合金焊料颗粒；3.复合丸粒；4.惰性微粒球；5.工具基体；6.粘结剂层；7.粘附的复合丸粒；8.粘附的惰性微粒球。

另外，图1中R表示超硬磨粒颗粒的半径，R1表示复合丸粒的半径。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所指的细粒度钎焊超硬磨料工具均包括工具基体和单层钎焊在工具基体表面的超硬磨料。其中，超硬磨料均为粒度在80目~400目之间的超硬材料。超硬磨料形状多种，为简化模型，设超硬磨料形状为如图1所示的圆球形，且半径为R，则其体积为。

一种细粒度钎焊超硬磨料工具的制备方法，包括如下步骤。

步骤1，复合丸粒制备：采用制粒工艺，将超硬磨料颗粒的外周包裹合金焊料，形成复合丸粒。根据制备要求，确定超硬磨料粒度与相应的合金焊料的种类与用量，以及超硬磨粒间距等参数。

复合丸粒的粒径主要由超硬磨粒的粒度与所需要合金焊料的用量决定。合金焊料的用量由超硬磨料粒度及磨粒间距决定。

为实现超硬磨粒良好钎焊，预先使用合金焊料将超硬磨料包埋，制备成球状的复合丸粒，假设复合丸粒的半径图1所示的R1，则复合丸粒根据体积关系，具有如下计算公式：

其中，K表示单颗磨料良好钎焊条件下，合金焊料用量体积与超硬磨料体积之比。也即为较好地将超硬磨粒钎焊，所需要的合金焊料用量体积约为同等体积的超硬磨粒的K倍，其中K取0.8～1.45较优。

如图1所示，超硬磨料颗粒1周身包裹合金焊料颗粒2，是通过制粒工艺得以实现。制粉时，合金焊料能将超硬磨粒粘结成球状。

另外，上述超硬磨料优选为人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼中的一种或多种。上述合金焊料优选为镍基、铜基和银基等中的一种，进一步优选为铜基，铜基合金硬度低，焊接性能优异，即使将超硬磨粒完全包埋后，由于超硬磨粒相对于合金焊料密度小，在合金焊料熔化后，超硬磨粒上浮，仍然能够出露。且超硬磨粒顶部的焊料，能通过初步的开刃工艺去除。即使不去除，初步使用后，亦可达到出刃的效果，从而能够实现良好钎焊超硬磨料。

步骤2，选择惰性微粒球：惰性微粒球的熔点和沸点均要求大于1100℃，且该惰性微粒球在1100℃以下时，均不与超硬磨料、合金焊料、工具基体材料发生冶金化学反应。惰性微粒球优选为二氧化硅、三氧化二铝或氧化钛等中的一种或多种。根据制备要求，选择合适的惰性微粒球半径，将惰性微粒球的半径记为R2。

惰性微粒球的粒径主要由排布的复合丸粒间距决定，即复合丸粒间距等于复合丸粒直径与惰性微粒球的直径之和。

步骤3，混合料制备：将步骤1制备的复合丸粒和步骤2选择的惰性微粒球利用混料剂混合均匀，形成混合料。

由于惰性微粒球与复合丸粒存在一定的密度差异，不易达到均匀混合的效果，因此需要在其中添加可挥发的混料剂，混料剂成分需要能够挥发，且不影响钎焊性能。

上述混料剂的挥发温度优选低于100℃，且混料剂不与超硬磨料和合金焊料发生化学反应。进一步，优选为乙醇或甲醇等。

步骤4，粘结剂涂覆：清理工具基体表面，在清理后的工具基体表面上涂覆一层粘结剂，该粘结剂的沸点大于混料剂的沸点。

上述粘结剂的挥发温度优选为120-550°，能起到将复合丸粒与惰性微粒球粘接固定的目的。进一步，粘结剂优选为压敏胶与丙酮按照体积比1:2~1:15进行配制形成。

步骤5，布洒混合料：将步骤3制备的混合料布洒在步骤4中涂覆有粘结剂的工具基体表面。混合料布洒后的效果如图2所示。

此时若直接布洒超硬磨粒与合金焊粉形成的复合丸粒，焊后超硬磨粒的间距过小，宏观表现为超硬磨粒过密，将不利于排屑散热，而热量的增长对精密加工工具来说则是致命的。

步骤6，去除多余混合料。

由于混粒剂有一定的粘性，铺展于粘结剂表面的颗粒不一定为单层铺展，有可能为堆积形貌，如图2所示。此时，施加一定的温度将存在的混料剂挥发，即可让未粘附粘结剂的颗粒脱落。由于在布洒之前复合丸粒与惰性微粒球已混合均匀，因此，单层铺展于工具表面的颗粒中存在的复合丸粒与惰性微粒球是均匀分布的。

去除多余混合料，也即去除图2中粘附的复合丸粒7和粘附的惰性微粒球8。具体去除方法为：将步骤5中布洒有混合料的工具基体进行加热，此时的加热温度要求大于混料剂的沸点且小于粘结剂的沸点，当工具基体表面的混料剂挥发时，优选通过接触式或非接触式施加外力的方式，去除不与粘结剂相连接的多余的混合料，使工具基体表面形成如图3所示的单层混合料均布的颗粒地貌。从而加工精度高，不存在多层超硬磨粒叠积的现象，易于保证加工精度。

另外，单颗超硬磨粒周围均有合金焊料的包围，保证了每颗超硬磨粒的钎焊性能。这对于获得良好的加工性能是十分有利的。

外力施加的方式进一步优选为细软毛刷直接接触式、非接触式微气流冲击和非接触式振动脱落等中的一种。

由于超硬磨粒粒度较小，混料剂挥发后，比表面积增大，超硬磨粒与工具基体接触面增加，能形成较大的粘附力，因此能达到混合料彻底的单层铺展效果。也即所形成的磨粒地貌为单层磨粒结构，加工精度高，不存在多层超硬磨粒叠积的现象，易于保证加工精度。

步骤7，钎焊：将步骤6中具有单层混合料均布的工具基体在保护气氛下加热至钎焊温度，该钎焊温度大于粘结剂沸点但小于1100℃；粘结剂挥发，合金焊料熔化并将超硬磨粒部分包埋。

上述钎焊的方式为真空钎焊或保护气氛下电阻加热或惰性气体保护下感应加热等中的一种，进一步优选真空电阻钎焊，从而能保证钎焊质量，减小气流以及加热速率的影响。

上述混合料单层铺展在工具基体上后，当钎焊加热时，由于钎焊温度大于粘结剂挥发温度，因此，工具基体表面的粘结剂层挥发，对复合丸粒与惰性微粒球的粘结作用失去，但由于复合丸粒表面的合金焊料会熔化流淌，将会铺展爬升，对超硬磨粒进行包埋，由于磨粒不仅底部包有合金焊料，顶部亦存在，因此合金焊料部分区域会对超硬磨粒表面形成一层合金焊料层，但由于重力作用以及合金爆料与超硬磨粒密度的差异，超硬磨粒上浮出露， 进而解决细粒度超硬磨料钎焊工具制备时超硬磨料分布不易均匀，超硬磨料钎焊形貌不易控制的难题。

步骤8，去除惰性微粒球：钎焊完成后，通过施加外力的方式，优选为振动方式，将工具基体表面的惰性微粒球去除，即可得到所需的细粒度钎焊超硬磨粒工具。

由于惰性微粒球不与合金焊料反应，但其位置的填充使合金焊料均流向超硬磨粒，达到优化的钎焊效果。且惰性微粒球可在焊后进行去后，通过振动、施加外形方式进行去除。因而得到表面按照设计要求排布的超硬磨粒地貌。由于惰性微粒球不存在，超硬磨粒不仅被良好钎焊，而且磨粒之间形成较大排屑空间，利于磨削散热、排屑，这对于精密加工是必要而关键的。

下面以两种优选实施例对上述制备方法进行详细的阐述。

实施例1

细粒度钎焊超硬磨料工具为超硬磨粒线锯，用于切割宝石级材料，超硬磨粒为120目粒度的人造金刚石颗粒，切割精度要求高，线锯基体外径0.6mm。具体制备步骤如下：

步骤1， 采用制粉工艺，在120目平均粒径的人造金刚石颗粒的外周包裹铜基合金焊料，形成粒度为0.125mm的复合丸粒。

步骤2，惰性微粒球选用粒度为0.2mm的二氧化硅或氧化硅。

步骤3，将步骤1制备的复合丸粒和步骤2选择的惰性微粒球利用混料剂乙醇混合均匀，形成混合料。

步骤4，将线锯基体表面处理干净，经过胶粘剂容器，线锯基体表面粘附一层粘结剂。

步骤5，将步骤3制备的混合料置于容器中，将步骤4粘附有粘接剂的线锯基体从其中穿过，则线锯基体表面粘结混合料。

步骤6，通过热气流轻吹线锯基体表面上粘结的混合料，保证单层排布效果。

步骤7，由于线锯基体较细，利于感应钎焊加热方式，氩气保护。

步骤8，制备后，线锯基体表面采用软毛刷刷去粘附的惰性微粒球颗粒，即可得到所要的超硬磨粒线锯。

实施例2

一种蓝宝石等昂贵材料表面抛磨垫制备，超硬磨粒为人造金刚石，颗粒为200目，抛磨垫基体外径100mm，抛磨垫基体厚度为0.5mm。具体制备步骤如下：

步骤1，采用制粉工艺，在200目平均粒径的人造金刚石颗粒的外周包裹铜基合金焊料，形成粒度为0.68mm的复合丸粒。

步骤2，惰性微粒球选用粒度为0.7mm的三氧化二铝。

步骤3，将步骤1制备的复合丸粒和步骤2选择的惰性微粒球利用混料剂乙醇混合均匀，形成混合料。

步骤4，将抛磨垫基体表面处理干净，并刷涂一层粘接剂，抛磨垫基体表面粘附一层粘结剂。其中，粘结剂按体积浓度1：8的比例与丙酮混合，利于在表面形成薄层。

步骤5，将步骤3制备的混合料倒置于抛磨垫基体表面，则抛磨垫基体表面粘结混合料。

步骤6，然后将抛磨垫基体竖直，利用重力使大多数未粘结的颗粒掉落，再利用热气流使未脱落的混合料颗粒失去粘附效果，再利用软毛刷将未粘结的混合料颗粒去掉，形成所需要的单层铺展效果。

步骤7，由于抛磨垫为圆盘状零件，利于电阻加热钎焊，因此选择真空钎焊方式。820度，保温18分钟。

步骤8，制备后，抛磨垫基体表面采用软毛刷刷去粘附的三氧化二铝颗粒，即可得到所要的超硬磨粒线锯。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。