一种超硬磨料砂带的制备工艺及超硬磨料砂带的制作方法

本发明涉及一种超硬磨料砂带的制备工艺及超硬磨料砂带，属于钎焊超硬磨料工具制备领域。

背景技术：

传统砂带是用粘结剂将磨料粘结在纸、布等挠性材料上制成的可以进行磨削和抛光的一种带状工具，它是涂附磨具的一种主要形式。其基本组成是：基材、磨料和粘结剂。砂带多用于工件的磨削加工中，包括平面磨削、异型结构磨削、型面磨削、强力磨削等多种应用，是机械加工的重要组成部分。

常规的砂带用磨料为氧化铝、碳化硅等普通磨料。普通磨料砂带的应用十分广泛，但由于其磨料易脱落，寿命短，砂带需要频繁更换，严重影响了加工效率。而且在工业自动化机器人迅速发展的今天，对磨削稳定性的要求极高，传统磨料砂带已难以满足要求。

近年来，亦出现以金刚石、立方氮化硼等超硬磨料为主的超硬磨料砂带，其制备原理有两种，一种是直接利用树脂固化，由于树脂固结强度较低，超硬磨料易脱落，性价比较低。另一种是利用电镀的工艺将超硬磨料电镀于衬层上，然后再固结于基布材料上。此种方式利用了电镀固结磨具的特点，利用金属结合剂结合强度大于树脂的优势，制备了电镀超硬磨料砂带。

而与钎焊超硬磨料相比，电镀超硬磨料工艺则不具有优势 ，钎焊超硬磨料工具磨料出露高、磨料锋利、排屑性能佳，且超硬磨料与基体之间发生化学冶金结合，磨料把持强度高于电镀的机械包埋结合力，这是钎焊超硬磨料的极大优势，但当此工艺应用于制备超硬磨料砂带中却存在极大的困难。

这是由于以下原因：

（1）砂带工具，其应用要求具有较高柔韧性，基布多为布基、甚至纸基材料，钎焊超硬磨料需要1000度左右的温度，基布无法达到此种要求。

（2）超硬磨料需要有综合性能优良的基体。钎焊工具基体一般为钢铁材料，此类材料在较薄时柔韧性仍然达不到要求，且高温钎焊后会变得硬脆，无法应用于基体材料。

（3）合金焊料合金层一般会发生冶金发学反应，即会有基体表面形成一层合金层，当弯曲时，合金层极易出来裂纹，甚至断裂。因此需要新形结构来实现钎焊后砂带的弯曲。

基于上述困难，目前尚未有关于钎焊超硬磨料砂带工具的报道。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种超硬磨料砂带的制备工艺，所制备的超硬磨料砂带可应用于金属材料与非金属材料、复合材料等的强力磨削、异型曲面磨削、大平面磨削等多种磨削加工领域。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：

一种超硬磨料砂带的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，根据磨削要求与加工条件确定超硬磨料参数与合金焊料参数；

第二步：确定焊接衬层中金属纤维直径与抗拉纤维直径，以及确定金属纤维与抗拉纤维的使用比例；

第三步：在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，贴覆带有优化后超硬磨料地貌外形孔的孔模板；

第四步：在所述孔模板上排布合金焊料与超硬磨料；

第五步：撤去孔模板，进行钎焊加热；具体是在孔模板的边缘施加外力，使孔模板克服孔模板与粘结剂的粘附力后向上提升，即可以撤去孔模板，孔模板撤去后，合金焊料与超硬磨料被粘结剂固定在焊接衬层上，对焊接衬层上超硬磨料和合金焊料进行钎焊；

第六步：将焊有超硬磨料的焊接衬层与基布通过树脂粘结并固化。

所述焊接衬层由金属纤维与抗拉纤维复合制备而成，所述金属纤维的丝径范围与抗拉纤维的丝径范围均在0.001~0.2mm之间。

所述的抗拉纤维材料的熔点范围为650度~1050度、抗拉强度大于0.6GPa ，并且在钎焊过程中不与合金焊料发生化学反应。

所述金属纤维与抗拉纤维的体积比例范围为5:1~1:25。

所述超硬磨料包括人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金碎粒，超硬磨料的粒度范围在1目~300目之间。

所述合金焊料为含有能够与超硬磨料发生化学反应的钛或铬元素的合金。

所述的孔模板材料选择为用于在砂带的焊接衬层表面可完全铺展的材料，包括硅胶、天然橡胶、硫化橡胶、塑料、尼龙以及不锈钢丝，孔模板的厚度在0.10mm~1.2mm之间。

所述的钎焊加热方式包括：感应加热、真空钎焊加热或网带式隧道炉加热。

一种超硬磨料砂带，包括基布层、粘接层和磨料层，所述磨料层为超硬磨料层，还包括焊接衬层，焊接衬层上通过粘接层离散分布固定有若干组合金焊料层，每一组合金焊料层上钎焊固定所述超硬磨料。

所述粘接层为树脂粘接层。

本发明的有益效果是：

第一、本发明所制备的钎焊超硬磨料砂带，由于孔模板的存在，将超硬磨料与合金焊料按区域分离，因此合金焊料在砂带表面的分布是离散型的，非连续型，合金焊料层焊后不能形成一个整体，大大降低了合金焊料层的脆性，提高了砂带的柔韧性。

第二、由于金属纤维与抗拉纤维作为焊接衬层，即可以获得连接超硬磨料的高强度把持力，又具有一定的柔韧性与抗拉强度，综合性能优良。

第三、本发明所制备的钎焊超硬磨料砂带由于钎焊超硬磨料，性能优良，磨料出露高，结合强度大，磨料不易脱落，焊接衬层韧性佳，易弯曲，不易断裂，寿命长。对铸铁、高强度钢、一般用钢以及其它黑色金属、有色金属、复合材料、石材等可以强力高效加工、效率高，寿命长，不用频繁更换砂带，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明超硬磨料布料示意图；

其中，1-合金焊料；2-超硬磨料；3-粘结剂层；4-焊接衬层；

图2为焊后形貌结构示意图；

其中，5-熔化后的合金焊料合金层；6-合金焊料渗透至焊接衬层处；

图3为粘结基布后的结构示意图；

其中，7-基布材料；

图4为磨料焊后形成的簇状结构；

其中，8为超硬磨料与合金焊料按簇状分布状态。

具体实施方式

一种超硬磨料砂带的制备工艺，具体包括以下步骤：

第一步，根据磨削要求与加工条件确定磨料参数与合金焊料参数；

第二步：确定焊接衬层中钢纤维与抗拉纤维直径与使用比例；

第三步：在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，贴覆带有优化后磨料地貌外形孔的孔模板；

第四步：在孔模板上排布合金焊料与磨料；

第五步：撤去孔模板，进行钎焊加热；在孔模板的边缘沿法向方向施加外力，克服孔模板与粘结剂的粘附力后，即可以撤去孔模板，由于合金焊料、超硬磨料被粘结剂粘附、孔模板亦被粘结剂粘附，而合金焊料、超硬磨料与孔模板之间无粘附作用，则合金焊料与超硬磨料在孔模板中的地貌被保持；

第六步：将焊有超硬磨料的焊接衬层与基布通过树脂粘结并固化。

所述的超硬磨料包括人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金碎粒.粒度范围在1目~300目之间。

所述的合金焊料为含有能够与超硬磨料发生化学反应的钛或铬元素的合金，如镍基合金、铜基合金、银基合金。

所述的焊接衬层是一种即可以牢固焊接超硬磨料，又具有一定柔韧性与抗拉强度的复合材料。焊接衬层由金属纤维与抗拉纤维复合制备而成。作为本发明的优选实施例，金属纤维可以为钢丝、不锈钢丝、纯铁丝等能与合金焊料发生冶金结构的金属丝体，其丝径范围在0.001~0.2mm之间。

所述的抗拉纤维应具有耐高温、不挥发、高温加热强度损失小、具有一定柔韧性的材料。由于钎焊温度通常在820~1040度之间，因此优选陶瓷纤维作为抗拉纤维。

金属纤维与抗拉纤维的用量按照一定比例编织，两者的体积比例范围为5:1~1:25，具体根据磨削条件与应用场合配制。

所述的粘结剂能够将合金焊料、超硬磨料粘结于焊接衬层表面，且在500度以下能够挥发，不影响焊接性能。粘结剂可通过易挥发的溶剂进行粘度调配。

所述的孔模板是一种能够在砂带的焊接衬层表面进行完全铺展的材料，包括但不局限于硅胶、天然橡胶、硫化橡胶、塑料、尼龙材料以及不锈钢丝。孔模板厚度在0.10~1.2mm之间。

合金焊料与磨料的排布可以包括多种形式：

第一种是可以先排布磨料，然后再排布合金焊料颗粒。

第二种是先将磨料与合金焊料颗粒按一定比例混合，然后直接铺洒于焊接衬层表面。

第三种是选用细粒度的合金焊料粉末将超硬磨料包裹进行制粒，制备成粒状复合体后直接一次性布洒于焊接衬层表面。

上述合金焊料与超硬磨料的排布方式可以多种，但所要达到的结果均是使得超硬磨料钎焊时能够被良好包埋，合金焊料合金在磨料根部有一定爬升。磨料的出露高度在30%~75%之间。

一种超硬磨料砂带的制备工艺，由于孔模板的存在，将超硬磨料与合金焊料按区域分离，因此合金焊料在砂带表面的分布是离散型的，非连续型，合金焊料层焊后不能形成一个整体，大大降低了合金焊料层的脆性，提高了砂带的柔韧性。

由于金属纤维与抗拉纤维作为焊接衬层，即可以获得连接超硬磨料的高强度把持力，又具有一定的柔韧性与抗拉强度，综合性能优良

所述的钎焊加热可以有多种方式，可以为感应加热，亦可以为真空钎焊加热，亦可以为网带式隧道炉加热。根据制备的砂带的形状确定具体加热方式，由于砂带为带状结构，细长形，因此，推荐优选网带式隧道炉作为加热设备。

由上述制备方法所制备的钎焊超硬磨料砂带超硬磨料钎焊性能优良，磨料出露高，结合强度大，磨料不易脱落，焊接衬层韧性佳，易弯曲，不易断裂，寿命长。对铸铁、高强度钢、一般用钢以及其它黑色金属、有色金属、复合材料、石材等可以强力高效加工、效率高，寿命长，不用频繁更换砂带，具有较高的经济效益。

下面通过三个具体实施例来具体阐述本发明一种超硬磨料砂带的制备工艺；

实施例一：

一种应用于高效磨削灰口铸件的金刚石砂带，可对汽车发动机、壳体等进行高效磨削。砂带规格：75mm×2100mm（砂带宽度×周长）。支撑用砂带轮直径150mm，具体制备工艺如下：

1、根据磨削要求与加工条件确定磨料参数与合金焊料参数；由于铸件具有一定脆性属性，因此选用人造金刚石磨料较为合适，砂带不用频繁更换，因此可选用高品级磨削用35目数的金刚石，合金焊料选用镍基合金焊料，焊料成分为（质量分数）：Ni（91%）-Cr（6%）-B（其余）-Si（1.5%），焊料粒度60目~80目。

2、确定焊接衬层中钢纤维与抗拉纤维直径与使用比例；由于砂带要求强力高速磨削，因此抗拉强度要求较高，磨料固结强度亦较高，因此可选用65Mn钢丝纤维的直径为：0.08mm,抗拉纤维选用陶瓷纤维，直径为0.10mm。钢丝纤维与陶瓷纤维的体积比例为：1:1.5。

3、在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，贴覆带有优化后磨料地貌外形孔的孔模板。确定焊接衬层参数后编织焊接衬层，然后在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，粘结剂选用常规用不干胶即可。所贴覆的孔模板为硅橡胶模板，厚度0.25mm,孔模板规格为矩形阵列结构，横向孔中心距2.2mm,纵向孔中心距2.4mm，单孔直径1.2mm。

4、在孔模板上排布合金焊料与磨料；利用手工布洒的方式，将超硬磨料：人造金刚石布洒于孔模板上，由于孔内有粘结剂，会将金刚石粘附，刷去未被粘附的金刚石后，即剩下粘附于孔内的金刚石颗粒，由于金刚石颗粒在孔内不能完全占据空间，此时再布洒合金焊料粉末，即可将剩下的空间布满。

5、撤去孔模板，进行钎焊加热；在孔模板的边缘沿法向方向施加外力，克服孔模板与粘结剂的粘附力后，即可以撤去孔模板，由于镍基合金焊料、金刚石被粘结剂粘附、孔模板亦被粘结剂粘附，而合金焊料、超硬磨料与孔模板之间无粘附作用，则合金焊料与超硬磨料在孔模板中的地貌被保持；

将砂带置于真空钎焊炉内进行真空钎焊，加热时真空度不低于0.01Pa，真空加热最高温度1028度，保温20分钟。

6、将焊有超硬磨料的焊接衬层与基布通过树脂粘结并固化。

钎焊加热结束后，将焊有金刚石的砂带衬层取出，与基布通过树脂粘结，由于制备时砂带为单条带状，因此首尾进行铆钉连接，并加热至260度，进行热固化，固化结束后即可得到所要制备的砂带。

将砂带安装于两只150支撑砂带轮上，转速为4500rpm，由于金刚石焊接牢固，出露锋利，磨削速度高，可对铸铁进行高效高速打磨，相比于传统的树脂结合剂刚玉磨料砂带，可提高效率1.5倍以上，寿命可达80倍以上，极大提高了生产效率，节约人工，降低综合成本，具有较高的经济效益。

实施例二：

制备一种应用于精密磨削合金钢材质主轴的砂带，可工业用轴类零件等进行高效精密磨削。砂带规格：40mm×2100mm（砂带宽度×周长）。支撑用砂带轮直径125mm，具体制备工艺如下：

1、根据磨削要求与加工条件确定磨料参数与合金焊料参数；由于合金钢属于难磨削材料，且具有较好的韧性与强度，因此选用与合金钢不发生粘附的立方氮化硼磨料较为合适，砂带不用频繁更换，因此可选用高品级磨削用100目数的立方氮化硼，合金焊料选用铜基合金焊料，焊料成分为（质量分数）：Cu（68.5%）-Sn（18%）-Ti（13.5%），焊料粒度80目。

2、确定焊接衬层中钢纤维与抗拉纤维直径与使用比例；由于砂带要求高精密磨削，因此砂带韧性要求较高，因此可选用45钢丝纤维的直径为：0.03mm,抗拉纤维选用陶瓷纤维，直径为0.06mm。钢丝纤维与陶瓷纤维的体积比例为：1:2.5。

3、在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，贴覆带有优化后磨料地貌外形孔的孔模板。确定焊接衬层参数后编织焊接衬层，然后在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，粘结剂选用常规用不干胶即可。所贴覆的孔模板为硅橡胶模板，厚度0.10mm,孔模板规格为三角阵列结构，三个孔组成的三角单元边长1.2mm，单孔直径0.5mm。

4、在孔模板上排布合金焊料与磨料；利用手工布洒的方式，将均匀混合的立方氮化硼磨料与铜基合金焊料颗粒同时进行布洒，由于孔内有粘结剂，会将立方氮化硼与铜基合金焊料同时粘附，刷去未被粘附的立方氮化硼与合金焊料后后，即剩下粘附于孔内的立方氮化硼与合金焊料颗粒。由于布洒前立方氮化硼与合金焊料均匀混合，布洒后立方氮化硼磨料亦达到了均匀分布。

5、撤去孔模板，进行钎焊加热。在孔模板的边缘沿法向方向施加外力，克服孔模板与粘结剂的粘附力后，即可以撤去孔模板，由于铜基合金焊料、立方氮化硼被粘结剂粘附、孔模板亦被粘结剂粘附，而合金焊料、立方氮化硼与孔模板之间无粘附作用，则合金焊料与立方氮化硼在孔模板中的地貌被保持；

将砂带置于真空钎焊炉内进行真空钎焊，加热时真空度不低于0.01Pa，真空加热最高温度925度，保温18分钟。

6、将焊有超硬磨料的焊接衬层与基布通过树脂粘结并固化。

钎焊加热结束后，将焊有立方氮化硼的砂带衬层取出，与基布通过树脂粘结，由于制备时砂带为单条带状，因此首尾进行铆钉连接，并加热至260度，进行热固化，固化结束后即可得到所要制备的砂带。

将砂带安装于两只125支撑砂带轮上，转速为5500rpm，由于立方氮化硼焊接牢固，出露锋利，磨削速度高，可对合金钢进行高效高速打磨，相比于传统的树脂结合剂刚玉磨料砂带，可提高效率1倍以上，寿命可达60倍以上，极大提高了生产效率，节约人工，降低综合成本，具有较高的经济效益。

实施例三：

一种应用于高效粗磨大理石表面的砂带，砂带规格：200mm×2100mm（砂带宽度×周长）。支撑用砂带轮直径150mm，由于打磨面积较大，精度要求不高，因此具体制备工艺如下：

1、根据磨削要求与加工条件确定磨料参数与合金焊料参数；由于花岗岩属于脆硬性材料，因此选用人造金刚石磨料较为合适，砂带磨削面积大，散热性能要求高，因此可选用高品级磨削用35目数的金刚石，合金焊料选用镍基合金焊料，焊料成分为（质量分数）：Ni（91%）-Cr（6%）-B（其余）-Si（1.5%），焊料粒度60目~80目。

2、确定焊接衬层中钢纤维与抗拉纤维直径与使用比例；由于砂带要求粗磨削，磨削效率要高，对砂带的张力要求高，因此砂带抗拉强度高，磨料固结强度亦较高，因此可选用65Mn钢丝纤维的直径为：0.10mm,抗拉纤维选用陶瓷纤维，直径为0.10mm。钢丝纤维与陶瓷纤维的体积比例为：1.3:1。

3、在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，贴覆带有优化后磨料地貌外形孔的孔模板。确定焊接衬层参数后编织焊接衬层，然后在焊接衬层表面刷涂一层粘结剂，粘结剂选用常规用不干胶即可。所贴覆的孔模板为硅橡胶模板，厚度0.4mm,孔模板规格为矩形阵列结构，横向孔中心距3.5mm,纵向孔中心距3.8mm，单孔直径2.5mm。

4、在孔模板上排布合金焊料与磨料；利用手工布洒的方式，将超硬磨料：人造金刚石布洒于孔模板上，由于孔内有粘结剂，会将金刚石粘附，刷去未被粘附的金刚石后，即剩下粘附于孔内的金刚石颗粒，由于金刚石颗粒在孔内不能完全占据空间，此时撤去孔模板，然后直接在金刚石地貌表面布洒合金焊料，由于金刚石占据一部分空间，其余空间被合金焊料占据，因此，可以看作金刚石磨料被合金焊料包围。

5、进行钎焊加热；将砂带置于真空钎焊炉内进行真空钎焊，加热时真空度不低于0.01Pa，真空加热最高温度1028度，保温20分钟。

6、将焊有超硬磨料的焊接衬层与基布通过树脂粘结并固化。

钎焊加热结束后，将焊有金刚石的砂带衬层取出，与基布通过树脂粘结，由于制备时砂带为单条带状，因此首尾进行铆钉连接，并加热至260度，进行热固化，固化结束后即可得到所要制备的砂带。

将砂带安装于两只150支撑砂带轮上，转速为5000rpm，由于金刚石焊接牢固，出露锋利，磨削速度高，可对铸铁进行高效高速打磨，相比于传统的树脂结合剂刚玉磨料砂带，可提高效率1.5倍以上，寿命可达80倍以上，极大提高了生产效率，节约人工，降低综合成本，具有较高的经济效益。