一种铜基钎料激光钎焊金刚石磨粒的方法

1.本发明属于金刚石工具制作领域，尤其涉及钎焊单层金刚石工具的制造技术。


背景技术：

2.众所周知，金刚石具有高硬度，高耐磨性，低摩擦因数和强导热性等优异性能，因此，多被用于制造金刚石工具，尤其用于加工硬脆材料，但传统的烧结、电镀等制造工艺由于未能对金刚石有效把持，使得制造的工具在使用过程中金刚石磨粒很容易脱落，对金刚石进行钎焊能够在钎料与金刚石之间形成化学冶金结合，提高金刚石磨粒的把持强度，钎焊金刚石工具具有较高的寿命和出露高度。此外，钎焊工艺对环境基本无污染，因此，钎焊金刚石工具也被广泛看作是电镀工具的最佳替代产品。
3.钎焊多采用含有活性元素(如cr、ti)的ni、ag、cu基钎料，另外，考虑到金刚石工具的使用范围较广，不同的被加工材料和工况条件对工具性能有不同的要求，因此，钎焊金刚石工具对钎料的熔点、成分、耐磨性的要求与普通钎料存在差异，有其特殊性和多样性。目前较多使用ni、ag、cu基等钎料，但ni基钎料熔点过高，钎焊加热时对金刚石热损伤较大，进而影响金刚石工具的性能和使用寿命，而ag基因成本过高，并不适合大规模生产。此外，常用的ag、cu基钎料对金刚石的润湿性较差，且cr在ag、cu中的溶解度极低导致cucr或agcr合金分层或形成所谓的假合金，但c在ag、cu基钎料中的溶解度极低且其熔点较低，因此ag、cu基钎料对金刚石的化学侵蚀较低，为提高ag、cu基对金刚石的润湿性，大多采用添加活性元素ti提高对金刚石的润湿性。另外，金刚石工具在加工过程中由于摩擦会承受高温，故需要熔点和耐磨性合适的钎料，由于cu基材料的耐磨性较差，因此使得工具在加工过程中容易因钎焊层磨损，导致金刚石出露过高而脱落，通过添加适量的ni元素，可以提高钎料的力学性能和高温性能，其次ni元素对金刚石的润湿性较好，且cu与ni能够无限互溶，另外，钎料中ni元素的增加能够适当提高cr的溶解度，因此钎料选定cu、ni、cr、ti作为钎料的主要元素。
4.采用激光钎焊易于实现小批量、大尺寸工具的生产，但金刚石在空气中进行钎焊时，由于氧的存在导致金刚石颗粒会发生严重石墨化，降低金刚石的机械性能，使金刚石工具寿命降低，甚至无法使用，因此激光钎焊多需要采用保护气氛进行保护，以避免钎料的氧化。
5.由于金刚石工具在加工过程中会承受较多磨屑的摩擦，钎焊层受到磨损使金刚石磨粒脱落，因此对钎焊层需要较高的耐磨性和韧性。众所周知，零件的磨损是从表面开始，因此通过表面处理也可提高耐磨性，而且能够保证钎焊层具有良好的韧性，以承受工具加工过程中的冲击载荷。金刚石在焊后通过通入氩气保护适当冷却的同时，通入氮气，一方面钎料避免氧化，另一方面其中的n在高温时能够与钎料中的cr、ti在钎料的表面反应形成crn、tin等氮化物，不仅能起到形成氮化物保护层，减少钎料磨损，而且成本较低。该技术可以使钎焊金刚石工具钎料内部韧性和塑性高，表面耐磨性好。
6.本发明采用按比例的单质金属混合制造钎料，大幅降低了钎料的成本，且成分调
控方便。


技术实现要素：

7.本发明采用通入氮气保护钎料的同时，在高温条件下，氮气与表面多种金属反应，钎焊层表面形成氮化物，增强了钎焊层耐磨性，保持了铜基钎料钎焊层良好韧性。
8.为了提高钎料对金刚石的润湿性，在钎料中加入ti和cr，因为金刚石工具在加工过程中承受较高温度，加入适量的ni元素提高钎料的力学性能和高温性能，同时，ni元素对金刚石的润湿性也较好。
9.本发明提供的一种新型钎料钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，包括以下步骤：
10.(1)采用机加工的方法制备所需要金刚石砂轮基体，并对砂轮基体除油除锈。
11.(2)采用cu、ni、cr、ti单质金属粉混合制成的铜基钎料，其中cr的质量含量为2～4％，ti的质量含量为8～12％，ni的质量含量为8～12％，其余为cu。
12.(3)将上述铜基钎料与压敏胶以1∶2.3～2.8重量比例混合制成钎料浆液。
13.(4)钎料浆液与金刚石磨粒按比例混合均匀涂覆固定在砂轮基体表面，其中金刚石磨粒的粒度为120～450μm，涂覆的钎料浆液厚度为金刚石磨粒平均粒径的95-125％。
14.(5)按底层为金刚石砂轮基体、中层为钎料浆液、上层为金刚石磨粒的顺序制作工具成型毛坯。
15.(6)采用功率为870～1030w，扫描速度为50～65mm/min，光斑面积为15～27mm2的激光加热成型毛坯至钎料熔化，进行激光钎焊，钎焊的温度为1040～1500℃，通入氩气进行保护；在激光喷头后加入另一个喷头，并通入氮气进一步进行保护及化学反应在钎焊层表面形成氮化物层，保护气施加在金刚石顶部，其中氩气为99.99％的高纯氩气，气流量范围为5l/min～15l/min，氮气其流量范围为4l/min～17l/min，冷却后金刚石磨粒固定于基体表面。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明采用激光焊完后再进行氮气冷却和反应能起到防氧化的作用，同时，在高温下，氮气与表面金属进行反应能够在钎料表面生成氮化物，以提高钎料耐磨性和硬度，保持该钎料内部塑形和韧性好的优点。
18.(2)本发明采用含一定量的ni、cr、ti的铜基钎料，活性元素为cr、ti，避免了钎料中大量ni元素导致金刚石的石墨化，降低了金刚石的热损伤，而且该钎料的成分可以在一定范围适当调控，以适应不同的加工要求。
具体实施方式
19.实施例1
20.(1)采用机加工的方法制备所需要金刚石砂轮的基体，选择65mn钢作为砂轮基体，并对基体除油除锈。
21.(2)采用cu、ni、cr、ti单质金属粉混合制成的铜基钎料，其中cr质量含量为2％，ti质量含量为8％，ni质量含量为8％，其余为cu。
22.(3)将由铜基钎料与压敏胶以1∶2.5重量比例混合制成钎料浆液。
23.(4)钎料浆液与金刚石磨粒按金刚石磨粒的粒度为120～180μm，涂覆的钎料浆液
厚度为金刚石磨粒平均粒径的100％混合均匀涂覆固定在砂轮基体表面。
24.(5)按底层为金刚石砂轮基体、中层为钎料浆液、上层为金刚石磨粒的顺序制作工具成型毛坯。
25.(6)采用功率为1030w，扫描速度为65mm/min，光斑面积为27mm2的激光加热成型毛坯至钎料熔化，进行激光钎焊，钎焊的温度为1500℃，通入氩气进行保护；在激光喷头后加入另一个喷头，并通入氮气进一步进行保护及化学反应形成氮化物覆盖在表面，保护气施加在金刚石顶部，其中氩气为99.99％的高纯氩气，氩气流量为15l/min，氮气流量为17l/min，冷却后金刚石磨粒固定于基体表面。
26.结果表明，采用含有活性元素的铜基钎料对金刚石进行钎焊，避免了钎料中大量ni元素导致金刚石的石墨化，降低了金刚石的热损伤，进一步采用氮气进行反应和冷却，可以在钎焊层表面形成少量的氮化物耐磨层，提高铜基钎料的耐磨性。
27.实施例2
28.(1)采用机加工的方法制备所需要金刚石砂轮的基体，选择45钢作为砂轮基体，并对基体除油除锈。
29.(2)采用cu、ni、cr、ti单质金属粉混合制成的铜基钎料，其中cr质量含量为4％，ti质量含量为12％，ni质量含量为12％，其余为cu。
30.(3)将由铜基钎料与压敏胶以1∶2.6重量比例混合制成钎料浆液。
31.(4)钎料浆液与金刚石磨粒按金刚石磨粒的粒度为300～450μm，涂覆的钎料浆液厚度为金刚石磨粒平均粒径的95％混合均匀涂覆固定在砂轮基体表面。
32.(5)按底层为金刚石砂轮基体、中层为钎料浆液、上层为金刚石磨粒的顺序制作工具成型毛坯。
33.(6)采用功率为870w，扫描速度为50mm/min，光斑面积为16mm2的激光加热成型毛坯至钎料熔化，进行激光钎焊，钎焊的温度为1040℃，通入氩气进行保护；在激光喷头后加入另一个喷头，并通入氮气进一步进行保护及化学反应形成氮化物覆盖在表面，保护气施加在金刚石顶部，其中氩气为99.99％的高纯氩气，氩气流量为5l/min，氮气流量为4l/min，冷却后金刚石磨粒固定于基体表面。
34.结果表明，本发明采用铜基钎料的激光钎焊金刚石，进一步采用氮气进行冷却和反应能起到避免氧化的作用，而且提高了钎焊层耐磨性，其设备简单、成本低廉。
35.实施例3
36.(1)采用机加工的方法制备所需要金刚石砂轮的基体，选择65mn钢作为砂轮基体，并对基体除油除锈。
37.(2)采用cu、ni、cr、ti单质金属粉混合制成的铜基钎料，其中cr质量含量为3％，ti质量含量为10％，ni质量含量为10％，其余为cu。
38.(3)将由铜基钎料与压敏胶以1∶2.3重量比例混合制成钎料浆液。
39.(4)钎料浆液与金刚石磨粒按金刚石磨粒的粒度为220～350μm，涂覆的钎料浆液厚度为金刚石磨粒平均粒径的95％混合均匀涂覆固定在砂轮基体表面。
40.(5)按底层为金刚石砂轮基体、中层为钎料浆液、上层为金刚石磨粒的顺序制作工具成型毛坯。
41.(6)采用功率为950w，扫描速度为55mm/min，光斑面积为20mm2的激光加热成型毛
坯至钎料熔化，进行激光钎焊，钎焊的温度为1200℃，通入氩气进行保护；在激光喷头后加入另一个喷头，并通入氮气进一步进行保护及化学反应形成氮化物覆盖在表面，保护气施加在金刚石顶部，其中氩气为99.99％的高纯氩气，氩气流量为12l/min，氮气流量为10l/min，冷却后金刚石磨粒固定于基体表面。
42.结果表明，采用含有合适活性元素的铜基钎料结合激光钎焊，进一步采用氮气保护和反应，能够在钎料表面生成氮化物，以提高钎料耐磨性和硬度，保持该钎料内部塑形和韧性好的优点。
43.实施例4
44.(1)采用机加工的方法制备所需要金刚石砂轮的基体，选择45钢作为砂轮基体，并对基体除油除锈。
45.(2)采用cu、ni、cr、ti单质金属粉混合制成的铜基钎料，其中cr质量含量为3％，ti质量含量为10％，ni质量含量为10％，其余为cu。
46.(3)将由铜基钎料与压敏胶以1∶2.3重量比例混合制成钎料浆液。
47.(4)钎料浆液与金刚石磨粒按金刚石磨粒的粒度为300～400μm，涂覆的钎料浆液厚度为金刚石磨粒平均粒径的95％混合均匀涂覆固定在砂轮基体表面。
48.(5)按底层为金刚石砂轮基体、中层为钎料浆液、上层为金刚石磨粒的顺序制作工具成型毛坯。
49.(6)采用功率为950w，扫描速度为55mm/min，光斑面积为20mm2的激光加热成型毛坯至钎料熔化，进行激光钎焊，钎焊的温度为1460℃，通入氩气进行保护；在激光喷头后加入另一个喷头，并通入氮气进一步进行保护及化学反应形成氮化物覆盖在表面，保护气施加在金刚石顶部，其中氩气为99.99％的高纯氩气，氩气流量为12l/min，氮气流量为10l/min，冷却后金刚石磨粒固定于基体表面。
50.结果表明，本发明在金刚石激光钎焊过程中采用氮气作保护气之一，既能起到防氧化的作用，也能提高钎焊层的耐磨性，最终提高钎焊金刚石工具的使用性能。