一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法
【专利摘要】本发明提供了一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，包括如下步骤：A、将已涂覆有活性结合剂和磨粒的工具基体固定在超声波变幅杆上；B、对工具基体进行钎焊加热升温工艺操作，待活性结合剂达到熔化温度后对工具基体施加第一超声波，利用超声波效应促进活性结合剂与磨粒界面的化学键合和润湿爬升效应；C、待升温工工艺完成后，停止施加第一超声波，当连接区温度降到活性结合剂的液固转化温度时，重新开始对工具基体施加第二超声波，利用第二超声波的高频振动进行冷却过程热应力释放；D、待连接区温度降低到活性结合剂回火温度后停止加工，进一步冷却到室温后得到磨粒工具。
【专利说明】
一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉磨粒工具制备技术，具体地说是涉及一种超声波辅助活性连接制备磨粒工具的方法。
【背景技术】
[0002]金刚石工具以其高效、稳定、耐用等优异磨削特性，在天然岩石、工程陶瓷、半导体等硬脆性难加工材料的高效和精密磨削加工中发挥着无可替代的支柱作用。金刚石工具是利用结合剂把持下的众多金刚石磨粒实现无数微细切削进而完成工件材料去除。如何有效把持磨粒历来都是业界的研究重点。在上世纪9 O年代，印度理工大学教授A.K.Chattopdhyay首先提出用钎焊技术在高温下使金刚石与活性钎料界面形成化学冶金结合以实现结合剂对金刚石的牢固把持，并进行了钎焊砂轮制作与磨削评价。钎焊工具的磨粒强把持力、高出刃度和磨粒间大容肩优势彻底避免了传统电镀、烧结金刚石工具的把持不足、低出刃、易堵塞和易烧伤等问题，同时磨粒排布可控使业界多年来欲主动构造锐利工具工作地貌的梦想得以实现。为此，业界曾高度将其誉为磨料技术领域的一项革命性成果，成为超硬磨料工具技术领域的研究前沿。
[0003]钎焊磨粒技术先期应用所取得的研究成果无疑是振奋人心的，但在推广应用中也暴露了诸多问题，其中最突出的一点就是钎焊磨粒出现高比例非正常磨损失效，导致大量磨粒直接丧失切削能力，最终引发工具提前报废。也正因为如此，钎焊磨粒技术的应用范围远远没有达到人们的预期。众多研究表明，造成这问题的根源在于钎焊过程的高温热损伤和焊后残余应力过大所致。研究发现因此，为此，国内外研究者也进行了诸多改善:采用低温钎料，直接降低钎焊温度;优化钎焊加热工艺，尽量缩短金刚石在高温下暴露时间；在金刚石表面镀覆T1、Cr、类金刚石膜等;进行焊后热处理。尽管如此，众多统计数据依然显示:钎焊金刚石工具使用中，三分之一以上磨粒基本没有参与切割任务就过早失效，导致加工过程不稳定、工具寿命过短，成为钎焊金刚石技术领域久拖未决的技术和工艺难题。
[0004]毫无疑问，上述问题严重制约钎焊磨粒工具应用的推广。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过超声波辅助活性连接磨粒制备高性能磨粒工具的方法。
[0006]为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，包括如下步骤:
[0007]A、将已涂覆有活性结合剂和磨粒的工具基体固定在超声波变幅杆上；
[0008]B、对工具基体进行钎焊加热升温工艺操作，待活性结合剂达到熔化温度后对工具基体施加第一超声波，利用超声波效应促进活性结合剂与磨粒界面的化学键合和润湿爬升效应；
[0009]C、待升温工工艺完成后，停止施加第一超声波，当连接区温度降到活性结合剂的液固转化温度时，重新开始对工具基体施加第二超声波，利用第二超声波的高频振动进行冷却过程热应力释放；
[0010]D、待连接区温度降低到活性结合剂回火温度后停止加工，进一步冷却到室温后得到磨粒工具。
[0011]在一较佳实施例中:所述的第一超声波、第二超声波的振动频率为20?10kHz，功率为30?1600W，超声波变幅杆末端振幅为3-20um。
[0012]在一较佳实施例中:所述第一超声波的频率为28kHz、功率为500w，超声波变幅杆末端振幅为3um。
[0013]在一较佳实施例中:所述第二超声波的频率为28khz、功率为80w，超声波变幅杆末端振幅为9um。
[0014]在一较佳实施例中:所述活性结合剂的厚度为磨粒直径的0.3-1.5倍。
[0015]在一较佳实施例中:所述磨粒为金刚石或立方氮化硼或氧化铝或碳化硅或硬质合金颗粒。
[0016]在一较佳实施例中:所述的活性结合剂是指含有能与磨粒发生化学键合的合金粉末。
[0017]在一较佳实施例中:所述的活性结合剂为NiCrBSi或NiCrP或AgCuTi。
[0018]在一较佳实施例中:所述的涂覆是将活性结合剂先涂覆在工具基体上，再将磨粒涂覆在活性结合剂上;或是将活性结合剂和磨粒一起混合后涂覆在工具基体上。
[0019 ]相较于现有技术，本发明具备以下有益效果:
[0020]本发明中，在活性结合剂连接磨粒时，借助超声波辅助振动，促进活性结合剂粉末熔化与粘结，加速液态熔池;进而借助超声波强压空穴效应，促进熔融液态活性结合剂流动，降低固液表面张力，促进磨粒/结合剂界面化学连接形成，加速结合剂爬升磨粒，从而缩短磨粒暴露于高温区时间，缩短磨粒化学腐蚀。
[0021]本发明中，在钎料处于熔融态和液/固转变阶段，利用超声波高频搅拌阻止晶粒长大和细化晶粒，缓解组织应力;在钎料凝固后的初始高温阶段，借助超声波高频振动进行高温振动时效处理，促使钎料合金发生蠕变并发生微屈服流动，缓解热应力，以从源头上减少残余应力的形成。
[0022]通过上述技术方案的实施，采用发明方法制作的磨粒工具的工作寿命和抗磨损能力大大超过比现有技术所制的工具。
【附图说明】
[0023]图1为超声波加热前磨粒基体与超声变幅杆的示意图；
[0024]图2为加热过程超声波加载示意图；
[0025]图3为冷却后得到钎焊磨粒工具的示意图；
[0026]图4为采用本方法制备的磨粒工具和传统方法制备的磨粒工具经过一定加工量后，有效磨粒数量变化曲线图；
[0027]图中:I磨粒，2活性结合剂，3工具基体，4超声变幅杆，5超声波，6工件上的超声波【具体实施方式】
[0028]以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
[0029]本发明为了解决现有钎焊磨粒工具技术存在的热损伤、残余应力过大导致钎焊磨粒工具无法正常工作的不足，提供一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，以用超声波相关效应解决现有技术问题。
[0030]所述的超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，首先，如图1所示，将金刚石磨粒I和NiCrBSi活性结合剂2涂覆在工具基体(45号钢)3上，活性结合剂2的厚度为磨粒直径的0.3倍，烘干后，将已涂覆磨粒I和结合剂2的磨粒基体3通过螺纹连接形式固定在超声变幅杆4上。
[0031]然后，如图2所示，对工具基体3进行加热，待活性结合剂达到熔化温度(970°C)后开始将第一超声波(频率28khz，变幅杆末端振幅3um，功率80w)，振动通过变幅杆变换与传递到工具基体3上，使得熔融态活性结合剂2发生超声振动，直到工具基体3温度达到1020 °C并保温10秒，在这段升温期间内利用超声波效应促进活性结合剂2与磨粒I界面的化学键合和润湿爬升效应;待保温结束后，停止第一超声波施加，工具基体3进入降温阶段，温度开始逐渐降低，待工具基体的连接区温度降到活性结合剂2由液态转化为固态的转化温度一一970°C时，重新开始对磨粒基体3施加第二超声波(频率28khz，变幅杆末端振幅9um，功率500w)，利用超声波高频高能量振动进行冷却过程的热应力释放；
[0032]最后，待连接区温度降低到活性结合剂2回火温度350°C时，停止加工，进一步冷却到室温后得到磨粒工具，如图3所示。
[0033]上述的涂覆，可以是将活性结合剂2先涂覆在工具基体3上，再将金刚石磨粒I涂覆在活性结合剂2上;或是将活性结合剂2和金刚石磨粒I 一起混合后涂覆在工具基体3上。
[0034]图4显示了利用本发明制备的磨粒工具和传统方法制备的磨粒工具经过一定加工量后，在有效磨粒数方面的比较曲线图，可以明显看到，才用上述方法制备的磨粒工具，其经过一定量的加工后，其有效磨粒的数量下降并不明显，而传统方法制备的磨粒工具其有效磨粒的数量出现了大幅度的下降。
[0035]因此，通过上述技术方案的实施，采用发明方法制作的磨粒工具的工作寿命和抗磨损能力大大超过现有技术所制的工具。
[0036]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于包括如下步骤: A、将已涂覆有活性结合剂和磨粒的工具基体固定在超声波变幅杆上； B、对工具基体进行钎焊加热升温工艺操作，待活性结合剂达到熔化温度后对工具基体施加第一超声波，利用超声波效应促进活性结合剂与磨粒界面的化学键合和润湿爬升效应； C、待升温工工艺完成后，停止施加第一超声波，当连接区温度降到活性结合剂的液固转化温度时，重新开始对工具基体施加第二超声波，利用第二超声波的高频振动进行冷却过程热应力释放； D、待连接区温度降低到活性结合剂回火温度后停止加工，进一步冷却到室温后得到磨粒工具。2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述的第一超声波、第二超声波的振动频率为20?10kHz，功率为30?1600W，超声波变幅杆末端振幅为3_20umo3.根据权利要求2所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述第一超声波的频率为28kHz、功率为500w，超声波变幅杆末端振幅为9.。4.根据权利要求2所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述第二超声波的频率为28khz、功率为SOw，超声波变幅杆末端振幅为3um。5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述活性结合剂的厚度为磨粒直径的0.3-0.8倍。6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述磨粒为金刚石或立方氮化硼或氧化铝或碳化硅或硬质合金颗粒。7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述的活性结合剂是指含有能与磨粒发生化学键合的合金粉末。8.根据权利要求7所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述的活性结合剂为NiCrBSi或NiCrP或AgCuTi。9.根据权利要求1所述的一种超声波辅助活性连接制备超硬磨粒工具的方法，其特征在于:所述的涂覆是将活性结合剂先涂覆在工具基体上，再将磨粒涂覆在活性结合剂上;或是将活性结合剂和磨粒一起混合后涂覆在工具基体上。
【文档编号】B23B27/00GK106041768SQ201610365045
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】黄国钦, 石晓鹏, 黄辉, 郭桦, 徐西鹏
【申请人】华侨大学