专利名称：采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石的方法
技术领域：
本发明属于高温钎焊技术领域，具体涉及一种镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，制备的工具适用于石材、陶瓷、玻璃等硬脆性材料加工。
背景技术：
金刚石具有最高的硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数、低热膨胀系数等优异性能，广泛应用于磨削、切削和精密加工等领域。目前，单层高温钎焊金刚石工具制作工艺主要依靠真空钎焊完成的，但真空钎焊实际应用中却存在如下局限性钎焊过程中加热、冷却时间长，致使制造生产的周期变长， 费时耗能，金刚石磨粒长时间处于高温液态钎料中会使磨粒受到较大的热损伤，同时受炉腔尺寸限制，无法钎焊大型的工具，同时在加热过程中基体变形较大，不利于提高加工精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种单层热喷焊金刚石工具的制备方法，以解决真空钎焊中存在的钎焊周期长、钎焊工具变形较大、尺寸受限等问题。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下
本发明的采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，具体包括如下步骤
(1)金刚石工具基体制备根据制备金刚石工具基体的要求，选择45#钢为制备金刚石工具的基体，按照金刚石工具图形对45#钢基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、除锈处理；
(2)将高温钎料喷焊到工具基体表面利用等离子喷焊机向单层金刚石工具基体喷焊熔融态高温钎料；
(3)向熔融态高温钎料中加入金刚石颗粒向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒；
(4)钎焊金刚石工具熔融态高温钎料与金刚石颗粒发生化学反应后，在保护气氛中快速凝固形成单层金刚石工具。金刚石与液态的镍基钎料在高温瞬间相互扩散形成化学冶金结合，镍基钎料中的Cr元素在金刚石表面富集，并与金刚石中的C元素反应主要生成断续的Cr3C2化合物。步骤(2)中等离子热喷焊机功率为50(Tl000W，优选为900W，其电流为9(Γ130Α，等离子束扫描速度为4(T80mm/min，优选为45mm/min，等离子束直径为4_7mm，优选为6mm。步骤(3)采用喷嘴或漏斗向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为5-10mm。本发明采用的设备主要有等离子热喷焊机、数控加工机床。本发明是一种单层热喷焊金刚石工具的制备方法，使用等离子喷焊机喷焊高温钎料粉末，采用机械的方法均勻的向熔融态高温钎料中直接的加入金刚石颗粒，然后在保护气氛中快速冷却形成，这样可以缩短钎料与金刚石之间的反应时间，在形成化学冶金结合的同时，减少金刚石颗粒的氧化和热损伤。另外，在制备工具的过程中，加热和冷却速度较快，具有较高的工具生产效率。热喷焊以移动的高能束为热源，通过特制的喷枪将具有特殊性能的合金粉末加热到熔融状态，然后以较高的速度喷射到经过净化预处理的零件表面上，获得均勻致密的特殊涂层。采用能量密度高、升降温速度快的等离子束作为热源，可以局部加热，热影响区小，成本小，利用热喷焊在金属材料表面能够形成熔融的液态金属熔池，向熔池中实时加入金刚石磨粒，冷却后形成化学冶金结合的单层金刚石工具。该方法在高温环境下暴露的时间很短，能够有效控制金刚石的热损伤。本发明在实现金刚石颗粒、钎料和工具基体之间的化学冶金结合的同时，可以大大降低金刚石颗粒的氧化和热损伤，使金刚石工具的优异性能得到充分发挥。其生产效率较高，具有较高的结合强度，金刚石出露较高，可以实现对石材、陶瓷、玻璃等脆性材料的高效加工。
图1是按45#钢基体、镍基钎料、金刚石放入的金刚石焊接过程示意图。实施例1
一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，具体步骤如下 (1)金刚石工具基体制备
根据制备金刚石工具基体的要求，选择45#钢为制备金刚石工具的基体1，按照金刚石工具图形对45#钢基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、 除锈。(2)将Ni-Cr合金喷焊到工具基体表面
Ni-Cr 合金选用 Ni-Cr-B-Si 合金，其中 Crl7%，B3. 5%, Si4. 0%, Cl%, Fe<5. 0%，余量为 Ni，将Ni-Cr合金在干燥箱中在200°C保温30分钟除去水分。利用PTA-400E型粉末等离子喷焊机将M-Cr合金喷焊到工具基体45#钢表面，形成镍基钎料层2。喷焊机功率为500W， 喷焊速度为60mm/min，喷嘴5到工具基体的距离为8_10mm，送粉量为120g/min，电离气为 180L/H和保护气为300L/H时。(3)向熔融态Ni-Cr合金中加入金刚石颗粒
在熔融态的Ni-Cr合金在工具基体45#钢表面凝固之前，采用喷嘴4在相同的时间间隔内向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为5-10mm。(4)钎焊金刚石工具
加入到熔融态的Ni-Cr合金中的金刚石颗粒与熔融态的Ni-Cr合金发生化学冶金结合，采用一开口充满氩气的平底容器，将被处理基体放入，氩气密度较重，可形成保护气氛。 在保护气氛中快速冷却制备金刚石工具。实施例2
一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，具体步骤如下 (1)金刚石工具基体制备根据制备金刚石工具基体的要求，选择45#钢为制备金刚石工具的基体1，按照金刚石工具图形对45#钢基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、 除锈。(2)将Ni-Cr合金喷焊到工具基体表面
Ni-Cr合金选用Ni-Cr-P合金粉末，其中Cr 15%，Pl 1%，余量为Ni。将Ni-Cr-P粉末在干燥箱中在200°C保温30分钟除去水分。利用PTA-400E型粉末等离子喷焊机将Ni-Cr合金喷焊到工具基体45#钢表面。喷焊机功率为800W，喷焊速度为40mm/min，喷嘴到工具基体的距离为5-8mm，送粉量为130g/min，电离气为200L/H和保护气为380L/H时。(3)向熔融态Ni-Cr合金中加入金刚石颗粒
在熔融态的Ni-Cr合金在工具基体45#钢表面凝固之前，采用喷嘴或漏斗向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为5-10mm。(4)钎焊金刚石工具
加入到熔融态的Ni-Cr合金中的金刚石颗粒与熔融态的Ni-Cr合金发生化学冶金结合，采用一开口充满氩气的平底容器，将被处理基体放入，氩气密度较重，可形成保护气氛。 在保护气氛中快速冷却制备金刚石工具。实施例3
一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，具体步骤如下 (1)金刚石工具基体制备
根据制备金刚石工具基体的要求，选择65Mn钢为制备金刚石工具的基体，按照金刚石工具图形对65Mn钢基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、除锈。(2)将Ni-Cr合金喷焊到工具基体表面
Ni-Cr合金选用Ni-Cr-B-Si合金，Ni-Cr合金选用Ni-Cr-B-Si合金，其中Cr 13%，B 3.5%，Si 4.0%，C 0. 6%, Fe 4%，余量为Ni。将Ni-Cr合金在干燥箱中在200°C保温30分钟除去水分。在喷焊机功率1000W，喷焊速度为80mm/min，喷嘴到工具基体的距离为8_10mm， 送粉量为120g/min，电离气为200L/H和保护气为380L/H时，利用PTA-400E型粉末等离子喷焊机将Ni-Cr合金喷焊到工具基体65MN钢表面。(3)向熔融态Ni-Cr合金中加入金刚石颗粒
在熔融态的M-Cr合金在工具基体65MN钢表面凝固之前，采用喷嘴或漏斗向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为5-10mm。(4)钎焊金刚石工具
加入到熔融态的Ni-Cr合金中的金刚石颗粒与熔融态的Ni-Cr合金发生化学冶金结合，采用一开口充满氩气的平底容器，将被处理基体放入，氩气密度较重，可形成保护气氛。 在保护气氛中快速冷却制备金刚石工具。实施例4
一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，具体步骤如下 (1)金刚石工具基体制备
根据制备金刚石工具基体的要求，选择65Mn钢为制备金刚石工具的基体，按照金刚石工具图形对65Mn钢基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、除锈。(2)将Ni-Cr合金喷焊到工具基体表面
Ni-Cr合金选用Ni-Cr-B-Si合金，Ni-Cr合金选用Ni-Cr-B-Si合金，其中Cr 13%，B 3.5%，Si 4.0%，C 0. 6%, Fe 4%，余量为Ni。将Ni-Cr合金在干燥箱中在200°C保温30分钟除去水分。在喷焊机功率900W，喷焊速度为45mm/min，喷嘴到工具基体的距离为8_10mm，送粉量为120g/min，电离气为200L/H和保护气为380L/H时，利用PTA-400E型粉末等离子喷焊机将Ni-Cr合金喷焊到工具基体65MN钢表面。(3)向熔融态Ni-Cr合金中加入金刚石颗粒
在熔融态的Ni-Cr合金在工具基体65MN钢表面凝固之前，步骤(3)采用喷嘴或漏斗向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为 5-10mmo(4)钎焊金刚石工具
加入到熔融态的Ni-Cr合金中的金刚石颗粒与熔融态的Ni-Cr合金发生化学冶金结合，采用一开口充满氩气的平底容器，将被处理基体放入，氩气密度较重，可形成保护气氛。 在保护气氛中快速冷却制备金刚石工具。将热喷焊制备的单层金刚石试样经检测，在金刚石表面形成了少量的碳化物 Cr3C2，工具在花岗岩上进行重负荷磨削试验，结果表明金刚石磨粒属于正常磨损，没有出现整颗金刚石脱落现象，说明基体对金刚石磨粒的把持强度较高。
权利要求
1.一种采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，其特征在于(1)金刚石工具基体制备根据制备金刚石工具基体的要求，选择制备金刚石工具的基体，对基体进行机械加工成型，对将要进行等离子喷焊的表面进行清理，除油、除锈处理；(2)将高温钎料喷焊到工具基体表面利用等离子喷焊机向单层金刚石工具基体喷焊熔融态高温钎料；(3)向熔融态高温钎料中加入金刚石颗粒向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒；(4)钎焊金刚石工具熔融态高温钎料与金刚石颗粒发生化学反应后，在保护气氛中快速凝固形成单层金刚石工具。
2.根据权利要求1所述的采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，其特征在于步骤(2)中等离子热喷焊机功率为50(Tl000W，等离子束扫描速度为4(T80mm/min，等离子束直径为4-7mm。
3.根据权利要求2所述的采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，其特征在于步骤(2)中等离子热喷焊机的功率900W，等离子束扫描速度45mm/min，等离子束直径为 6mm ο
4.根据权利要求1或2所述的采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，其特征在于步骤(3)采用喷嘴或漏斗向工具基体表面熔融态高温钎料中加入金刚石磨粒，喷嘴或漏斗口距热喷焊机的喷嘴距离为5-10mm。
全文摘要
一种采用镍基钎料热喷焊制备单层金刚石工具的方法，具体包括(1)金刚石工具基体制备，(2)将高温钎料喷焊到工具基体表面，(3)向熔融态高温钎料中加入金刚石颗粒，(4)钎焊金刚石工具。本发明利用机械方法向熔融态高温钎料中加入金刚石颗粒，在减少高温钎焊金刚石颗粒热损伤的同时，金刚石颗粒和钎料发生化学冶金结合，具有较高的结合强度，使金刚石颗粒的性能得到充分利用。与普通真空炉中钎焊相比，可以缩短加热和制备时间，提高工具生产效率。
文档编号B23K10/02GK102430849SQ20111035450
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者卢金斌, 孟普, 张旺玺, 张素香, 黄小婷 申请人:中原工学院