一种打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌、其金刚石磨盘与制备方法与流程

1.本发明属于超硬磨料工具制备领域，具体涉及一种用于打磨钢铁材料的金刚石磨盘的表面地貌方案与制备方法。所制备磨盘可应用于对金属包括铸铁、铸钢、一般强度钢、合金钢等钢材的磨削、抛光工序。


背景技术：

2.目前常规打磨清理焊缝与焊疤的方法是打磨工用安装了树脂砂轮片的手动砂轮机进行手动打磨。树脂砂轮片属于树脂结合剂制作.以树脂为粘结材料，以金属粉末、金属氧化物、普通磨料为填充物混制成结合剂。将磨料和结合剂按照浓度的要求混合制成成型料，经热压所型、固化制成制品坯体，经后续加工制成品。
3.钢铁材料打磨所用树脂砂轮片便是利用树脂固化的原理将碳化硅等超硬磨料固结成盘状制作而成。它在打磨行业得到了大量的应用，但经过长期应用与研究发现，树脂砂轮片在使用过程中存在较大的缺点，而且这些缺点恰恰与树脂砂轮片的制备原理与特点密不可分。其缺点如下：
4.1、树脂砂轮片耐水性差、耐碱性差，保存期短。
5.2、结合强度底，磨料消耗快。
6.3、打磨过程火花大，气味大，粉尘大，对环境有较大的危害。
7.4、打磨效率低。
8.基于以上的问题以及环保要求，需要一款磨抛效率高，无粉尘，污染小，作业人员操作方便的新型磨抛工具。磨盘磨料的选择既要考虑钢材加工的效率与寿命，又要考虑磨料的经济性。
9.目前人造金刚石及cbn(立方氮化硼)的工业化生产已经成熟，成本不断下降，金刚石、cbn超硬工具也在近几十年得到了迅速的发展。为实现高效磨抛钢铁材料的目标，能够利用的磨料除了碳化硅以及刚玉外，以人造金刚石、 cbn为代表的超硬磨料成为了理想的选择。
10.立方氮化硼(cbn)工具适用于加工硬化处理过的淬硬钢、高硬度合金钢、灰铸铁以及镍基高温合金等难加工材料，其最大缺点是强度低、韧性差，多用于设备刚性好的精加工。
11.钢铁材料磨抛设备刚性低，且磨抛工艺要求的磨粒粒度较大(30目～60目)，大粒度cbn磨粒棱角细长，较金刚石磨粒易发生破碎，而且显著增加成本。因此在钢铁材料的打磨作业中不宜采用cbn而采用金刚石作为主要加工用磨粒。
12.金刚石固结技术目前有电镀、烧结、钎焊等三种主要结合方式。
13.烧结金属结合剂金刚石工具由于磨粒结合强度低、出露高度小，多用于硬脆材料的磨削、切割工艺中。
14.电镀金刚石工具是用电镀的方法在基体上沉积一层金属(一般为镍及镍钴合金)
并在沉积的金属内固结金刚石磨粒制成。由于金刚石为机械包埋，镀层对金刚石的把持强度低，而且为了牢固把持，须将金刚石埋至其自身高度50％以上。由于电镀金刚石工具的缺点，在磨削载荷重时金刚石磨粒易脱落。因此考虑采用钎焊的方式将金刚石牢固地焊接在钢基体上制备磨盘。
15.钎焊金刚石技术是指利用能与金刚石磨粒产生化学反应，与钢基体产生冶金结合的焊料进行钎焊连接的技术。由于焊料中存在能与金刚石发生化学反应的活性元素，金刚石与焊料界面发生化学冶金结合，因此结合强度高，金刚石不易从基体上脱落。相比电镀工具其具有1、磨粒出露高。2、容屑空间大。3、散热好等优势。
16.但金刚石工具应用于打磨钢铁材料时，由于金刚石与铁系材料接触时高温使金刚石表面石墨化进而导致与钢铁材料的粘附，大大降低加工效率与金刚石工具的寿命。这也是金刚石工具在钢铁材料上鲜有应用的主要原因。
17.此外，受磨抛条件与加工环境限制，钎焊金刚石磨盘须在无冷却液条件下干磨抛钢铁材料。由于无冷却液的冷却与润滑作用，磨盘磨粒更易磨损，工件表面更易烧伤。
18.研究表明，金刚石工具加工钢铁材料时存在金刚石石墨化以及破碎的机械化学磨损现象，金刚石磨粒与黑色金属材料接触在磨削刃端点产生1000℃以上的瞬时高温，黑色金属中铁元素在高温下使金刚石顶端的局部微小区域向石墨转变，但磨粒磨削刃接触区域瞬时积聚的热量会被导热性极好的金刚石传导出去，在磨粒出露较高的情况下，金刚石磨粒本身温度可维持在较低水平，除顶端与黑色金属材料接触的界面部位外，磨粒不易发生石墨化转变。当磨粒的温度能够迅速传导后，铁元素对金刚石的热磨蚀以及两者的反应程度均会大大减轻。在控制一定温度的情况下，金刚石加工黑色金属时的磨损可控。因此在结合钎焊金刚石磨粒高出露、高散热空间的优势基础上，有效地控制磨削力与磨削区域温度情况下，金刚石磨粒的机械化学磨损可控。在磨粒被高强度把持、磨粒高出露情况下，钎焊金刚石磨盘应用于打磨钢铁材料是可行的。
19.针对钢铁材料专门设计磨粒地貌目前尚未有文献详细说明，目前金刚石工具多在石材加工中涉及较多，磨粒表面的地貌亦是针对此领域，针对如镍基高温合金、钛合金等有相关研究分析了磨轮在外圆磨时磨粒地貌优化的问题，磨盘进行钢材打磨加工时金刚石表面地貌现有的多为设计成点状、簇状等结构，金刚石的分布是离散的，非连续的，而散热空间是连续的，非离散的，在实际加工具有韧性与强度的钢材时，容易出现切削离散受力，打磨振动、点状区域粘附等问题。专利《cn201210246917.0-高铁轨道板钎焊金刚石磨轮地貌优化方法》提出利用带状的有一定角度的磨料分布进行磨削加工，这种主要为解决金刚石磨具磨削石材而设计的带状结构，其排屑槽与磨削方向保持一定倾角，主要解决了在单一方向上磨削石材时进行排屑的地貌问题，而金刚石磨盘在打磨钢材时，工件结构多样，磨削方向多变，需要保证磨盘表面的散热在运动的各个方向均能均匀散热，即拥有均匀的散热地貌。


技术实现要素：

20.为解决上述问题，本发明分析了钢铁材料加工的特点以及金刚石磨粒加工时的散热要求，综合的打磨效率与换热的要求，设计了新型磨盘打磨钢材用磨盘地貌，并提供了一种制备此种地貌的金刚石磨盘工艺。
21.本发明提供一种金刚石磨盘的打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌，金刚石磨粒呈连续的线状或带状排列分布，相邻的线状或带状金刚石磨粒围绕2个以上的封闭的散热区；所述散热区的形状轴对称；所述散热区围绕所述打磨钢材磨盘的轴心均匀分布。所述磨粒地貌可使磨盘表面金刚石磨粒的排布达到最优化，在加工钢材时，达到高散热效果，减少磨粒粘附磨损与石墨化程度，有利于提高加工效率，使金刚石磨盘应用于加工钢材更具有经济性，具有较高的经济价值。
22.规则的散热区指由金刚石磨粒围绕形成的散热区域的形状是规则的，这种规则性是指形成的区域一般为轴对称图形，即散热区域的中心为轴，整体区域的形状是轴对称的，如圆形、三角形、正方形、六边形等，包括但不限于上述图形。一方面，这种图形的存在工具表面对称的情况下，有利于保证加工时磨屑排屑，另一方面也有利于散热均匀。
23.由于金刚石对钢材的加工在瞬时高温条件下易产生粘附性，因此，采取合理的方案使金刚石磨盘表面的热量迅速散去成为解决问题的关键。
24.金刚石磨盘表面热量一方面来自于磨屑，另一方面来自于金刚石与工件的摩擦传导，而这对金刚石磨盘表面的散热提出了极高的要求。传统的金刚石工具解决散热的方式为通过计算或者试验确定磨粒的间距，以均匀或者序列的方式对金刚石磨粒进行排布，以达到热量均匀排出的目的。但这些方式对于金刚石打磨钢材仍然可能存在一定的散热困难区域，传统的金刚石磨粒序列排布地貌多为颗粒或簇状分布，相邻的金刚石之间形成空隙，以进行散热，这种方式在加工石材等脆性材料时具有较佳的效果，但由于钢材属于韧性材料，磨粒在材料表面切削时，切削的非连续性容易引起微振动，增大磨粒簇边界的摩擦力，反面影响工具表面的散热性能。因此，本发明通过使金刚石在磨盘表面连续带状或线状分布，并且在磨盘表面形成了多个均匀的封闭的规则的散热区域，使金刚石磨盘更适用于钢材表面的打磨，在保留金刚石磨盘的高硬度高切削性能的同时，不因钢材的韧性和钢材磨削过程中产生的瞬间高温影响金刚石磨盘的使用性能。
25.综上，本发明采用了新式磨粒连续式有序排布地貌，创造性地提出了在磨盘表面均布新型散热区来排出热量，而且散热区内无磨粒存在，被磨粒切出的磨屑一部分直接飞出磨削区，来不及飞出的可通过此区域排出，避免了热量的过度集体，从而降低了工件对金刚石的热损伤。
26.本发明所述金刚石磨盘的打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌，其表面金刚石磨粒呈线状或者带状均匀分布，相邻的线状或带状金刚石磨粒围绕形成多个均匀的封闭的规则的散热区。
27.所述的金刚石磨盘表面金刚石磨粒可以是线状分布，亦可以是带状分布，所述的线状分布或带状分布区域宽度方向排布不超过三颗磨粒。
28.所述的金刚石磨粒的粒度分布为20目～120目，且在磨盘表面的金刚石粒度为单一粒度区间。
29.所述的散热区的形状可以为任意的简单几何形状，所述简单几何形状是轴对称图形。包括但不限于圆形、三角形、四边形、六边形、菱形等。
30.所述的散热区的几何形状内最大长度l1的范围为：d<l1<12d，d为金刚石磨粒的平均粒径。
31.所述的散热区表面有能与金刚石发生化学冶金反应的合金焊料层覆盖。所述合金
焊料层选自ni-cr-b-si合金焊料或cu-sn-ti焊料。
32.所述的线状或带状分布的金刚石地貌，可以是均匀一致的，也可以根据磨盘加工区域状态非均匀分布,但整体形貌为绕磨盘中心轴对称。
33.所述的磨盘规格的外径范围为70mm～230mm。
34.本发明所述金刚石磨盘的打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌的制备方法，包括下述步骤：
35.(1)在磨盘基体表面刷涂粘结剂。
36.(2)粘附根据要求设计的特定形状的网状隔板。
37.(3)排布合金焊料。
38.(4)撤去网状隔板。
39.(5)布洒金刚石磨粒。
40.(6)复布焊料。
41.(7)钎焊制备。
42.焊后磨盘表面金刚石被牢固焊接，磨粒呈线状或带状均布，并围绕出均匀分布的散热区域。
43.所述的粘结剂为不干胶，例如丙烯酸酯不干胶，通过丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂进行稀释到一定浓度，然后进行刷涂。
44.所述的网状隔板由柔软并具有一定强度的材料加工，可紧密贴覆在平面、弧面、弯角曲面等几何形状上。
45.所述网状隔板的网眼对应本发明所述轴对称简单几何形状的散热区间；
46.合金焊料覆盖散热区，金刚石磨粒洒在线状或带状裸露的未覆盖合金焊料的磨盘表面上，
47.复布焊料洒在整个金刚石磨盘表面，一部分填补在金刚石磨粒的间隙，另一部分填补在之前的合金焊料的间隙。
48.通过真空钎焊工艺或者高频感应钎焊工艺，加热合金焊料，使其熔化，与金刚石发生化学冶金发反应，与钢基体发生冶金扩散，从而将两者牢固地连接在一起。
49.通过上述步骤即可制备出新式具有打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌的金刚石磨盘，其主要技术特征为：
50.本发明还提供一种具有前述打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌的金刚石磨盘，其表面金刚石磨粒呈线状或者带状均匀分布，线状或带状的磨盘表面均匀分布有磨粒围绕形成的均匀的、封闭的、规则的散热区。
51.所述具有打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌的金刚石磨盘的制备工艺步骤：
52.(1)在磨盘基体表面刷涂粘结剂。
53.(2)粘附根据要求设计的特定形状的网状隔板。
54.(3)排布合金焊料。
55.(4)撤去网状隔板。
56.(5)布洒金刚石磨粒。
57.(6)复布焊料。
58.(7)钎焊制备。
59.焊后磨盘表面金刚石被牢固焊接，磨粒呈线状或带状均布，并围绕出均匀分布的散热区。
60.本发明涉及的新型工艺在进行金刚石工具制备时，关键是如何得到金刚石呈网带状分布，且非金刚石分布区域表面有焊料合金层覆盖。
61.常规的金刚石钎焊工具制备多涉及粘结剂粘附金刚石，或者再通过一定的模板对金刚石颗粒进行排布，而这种方式受模板的结构限制，仅能得到点状或者簇状的分布，很难连续化排布金刚石磨粒，而且按此方式排布后，金刚石周边的空白区域为连续状，在与韧性的钢铁材料接触时容易增加磨粒与工件的摩擦力。
62.本发明创造性地提出了采用先排布网状隔板。此网状隔板表面进行设计序列的孔洞。由于粘结剂的作用，隔板被粘附在工具基体表面，但空洞处为裸露状态。然后再进行布洒合金焊料，由于隔板的作用，合金焊料只能进行孔洞内，这样合金焊料颗粒覆盖了孔洞的表面。撤去网状隔板后，被隔板遮挡的部分裸露，此时再进行布洒金刚石磨粒，则只有原初被隔板挡住部分粘结金刚石，这样即可得到金刚石按隔板形貌分布的表面地貌。
63.为进一步保证金刚石的焊接强度，然后再进一步排布合金焊料，即可得到完整的待焊件，然后再进行真空钎焊制备即可得到要求的打磨钢材用的金刚石磨盘。
64.通过上述步骤即可制备出新式具有打磨钢材磨盘的专用磨粒地貌的金刚石磨盘，其主要技术特征为：
65.所述的金刚石磨盘表面磨粒可以是线状分布，亦可以是带状分布，所述的线状分布或带状分布区域宽度方向排布不超过三颗磨粒。由于打磨钢材时散热的高要求，金刚石连续的带状或线状分布尽量窄，其宽度尽量不超过三颗金刚石磨粒的平均粒径尺寸，这样可以有效排出磨粒在工件表面切削产生的切屑，防止切屑粘附堆积在工具表面。根据几何形状的分布可以看出，为了保证两个相邻的特定几何形状的散热区之间的磨料带宽度一致，所采用的几何形状必须是轴对称图形。这样才可以保证相邻的区域等距，而避免出现部分区域磨粒宽度过大影响散热的情形。
66.所述的金刚石磨粒的粒度分布为20目～120目，且在磨盘表面的金刚石粒度为单一粒度区间。金刚石打磨钢材属于粗加工与半精加工领域，对表面质量的要求不高，但对打磨效率以及稳定性要求较高，一般选择20目～120目的区域范围，而且在制备金刚石工具时，选择的金刚石磨粒尽量为窄区间，这样可以有效防止局部区域磨粒过高导致过度磨损。
67.优选地，排布在磨盘表面的金刚石磨粒的粒度等高性控制在15％的范围以内，即同一磨盘表面金刚石最高尺寸比最低尺寸大不超过15％的幅度。
68.所述的散热区的形状可以为任意的简单的轴对称几何形状，包括但不限于圆形、三角形、四边形、六边形、菱形等。由于不同材料以及不同结构形貌，对散热区域形状要求不同，所采取的形状亦有所不同，当然本发明所涉及的工艺，可实现任何形状的网状金刚石地貌分布，包括简单的圆形、正三角形、四边形、六边形等，当然亦可以有其它复杂的形状。特别地，亦包括在同一个磨盘表面根据不同的加工区域排布不同的磨粒地貌，概括地说，本发明所涉及的工艺是可以根据设计的要求，实现不同的磨粒地貌。
69.所述的散热区的几何形状内最大长度l1的范围为：d<l1<12d(d为金刚石磨粒的平均粒径)。散热区即网状地貌中的孔洞，此区域内分布合金焊料层，一方面可以进行磨削区域散热，另一方面可以有效防止切削对工具基体的磨损。当然这个孔洞区域的尺寸是有一
定限制的，不仅需要起到有效散热的作用，而且散热区不能过大，以防止工件过度接触散热区，造成粘附磨损，此外，散热区过大，相应地金刚石颗粒数降低，影响打磨加工效率。因此散热区的几何形状的最大长度尺寸一般不低于一颗金刚石的平均粒径，但不大于12颗金刚石磨粒的平均粒径。
70.所述的散热区表面有能与金刚石发生化学冶金反应的合金焊料层覆盖。合金焊料层必须有效覆盖在散热区表面，除上述覆盖的作用外，合金焊料层在熔化时可进行流动，有效包埋金刚石磨粒根部，形成有效爬升，结合后续的复布的焊料，可实现对金刚石的优化钎焊。
71.需要说明的是复布焊料的工序不是必须的，这一工序需要结合磨粒的尺寸以及地貌来判断，当磨粒颗粒较小时，散热区域的合金焊料层的流动性即可将金刚石有效钎焊，但当磨粒颗粒较大时，现有的合金焊料层不能够将金刚石理想钎焊，此时需要复布焊料，将金刚石周边布洒小粒度颗粒焊料，以充实表面间隙。
72.所述的线状或带状分布的金刚石地貌，可以是均匀对称的，也可以根据磨盘加工区域状态非均匀分布。根据工艺可以看出，网状模板的形貌即是金刚石磨粒排布的形貌，那么，这个形貌可以通过根据磨盘的加工要求，磨盘的结构，以及加工的表面质量来共同设计确定，因此，所确定的结构有可能是单一的结构形貌，亦有可能为多种形貌的复合，但这些都是可以通过网状隔板来实现的。这种设计的有效实现也说明了工艺的有效性与稳定性。
73.所述的磨盘规格的外径范围为70mm～230mm。
74.所述的网状隔板由柔软并具有一定强度的材料加工，可紧密贴覆在平面、弧面、弯角曲面等几何形状上。为更好地实现网状隔板的贴覆以及加工，隔板材料可选择柔软且有一定强度的材料，特别地，可以选择掩膜板、硅胶膜等材料。
75.通过本发明制备的金刚石磨盘，表面金刚石磨粒呈连续的多孔网状分布，网孔区域内均匀分布，打磨钢材条件下，磨削热量易散除，磨粒受损伤小，寿命长，打磨效率高。而且制备工艺简单稳定，辅助相关工艺设备，即可实现批量稳定制备，可有效解决钢材表面的打磨与材料去除，且加工时火花小，粉尘少，改善作业环境，具有较高经济效益与社会效率。
附图说明
76.图1：工艺工序示意图，其中：1－工具基体表面，2－涂覆粘结剂，3－放置网状隔板，4－撒布焊料颗粒，5－散布金刚石，6－复布小粒度焊料。
77.图2：方形散热区地貌。
78.图3：圆形散热区地貌
79.图4：三角形散热区地貌。
80.图5：六边形散热区地貌
具体实施方式
81.具体实施实例1：
82.开发一种船用钢表面磨抛用钎焊金刚石磨盘。磨盘规格125mm，内孔22.23mm
83.由于船用钢强度高，韧性大，加工时金刚石工具容易出现表面粘附，另一方面由于表面磨抛，需要能达到一定的表面质量，不能太粗糙，因此设计采用45 目粒度的金刚石，黄
河旋风hsd80品级。
84.由于磨抛工序表面稳定，采用简单的圆孔结构作为散热孔，圆孔直径3.5mm，磨粒带宽1.2mm。
85.制备步骤如下：
86.(1)采用0.2mm厚硅胶膜，激光切割制备网状隔板。
87.(2)在磨盘表面待布料区域刷涂粘结剂。
88.(3)贴覆网状隔板，使隔板与基体表面紧密粘结。
89.(4)布洒40～60目bni2镍基合金焊料颗粒，使网状隔板孔洞内布满合金焊料颗粒。
90.(5)撤去网状隔板，布洒45目人造金刚石颗粒
91.(6)布洒－80目bni2镍基合金焊料颗粒，用以填补金刚石间以及金刚石与40～60目镍基合金焊料之前的空隙。
92.(7)清理后，真空钎焊制备，最高温度1025度，保温22分钟。
93.具体实施实例2：
94.开发一种铸钢表面打磨用钎焊金刚石磨盘。磨盘规格180mm，内孔22.23mm
95.由于铸钢硬度高，表面打磨去除量较大，加工时金刚石工具要求振动小，效率高，另一方面由于表面磨抛后表面不能有明显烧伤区域，，因此设计采用35 目粒度的金刚石，中南znd2290品级。
96.由于磨抛型面复杂，采用六边形结构作为散热孔，六边形最长边长度3mm，磨粒带宽1.5mm。
97.制备步骤如下：
98.(1)采用0.2mm厚硅胶膜，激光切割制备网状隔板。
99.(2)在磨盘表面待布料区域刷涂粘结剂。
100.(3)贴覆网状隔板，使隔板与基体表面紧密粘结。
101.(4)布洒40～60目bni2镍基合金焊料颗粒，再布洒60～80目bni2镍基合金焊料颗粒，使网状隔板孔洞内布满合金焊料颗粒。
102.(5)撤去网状隔板，布洒35目人造金刚石颗粒
103.(6)布洒－80目bni2镍基合金焊料颗粒，用以填补金刚石间以及金刚石与40～60目与60目～80目镍基合金焊料之前的空隙。
104.(7)清理后，真空钎焊制备，最高温度1025度，保温22分钟。