[发明专利]一种用于制备超硬工具的多种磨料三维协同排布方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于制备超硬工具的多种磨料三维协同排布方法，其属于超硬磨料工具制造领域。

背景技术：

传统的固结磨料工具按照结合剂不同可分为树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂(包括电镀及烧结)金刚石工具等几类，这些超硬工具在生产中的大量应用，极大提升了加工业的总体水平和能力，也改变了加工业的原有面貌，但同时也使得它们的一些弊端逐步暴露出来，不论是单层电镀的还是多层烧结(热固化)的超硬工具，磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层或胎体金属中，其界面缺乏结合力，在负荷较重的高效磨削作业中，砂轮磨粒或镀层易脱落，为增加把持力就必须增加结合剂层厚度，其结果又会带来磨粒裸露高度和容屑空间减小，工具容易堵塞等问题。

为了从根本上提高磨粒、结合剂、基体三者间的结合强度，国外在上世纪90年代初期开始着力研究用高温钎焊技术替代电镀开发单层超硬磨料工具，期望籍高温钎焊时在磨料、钎料和基体界面上发生的化学冶金作用提高磨料的把持强度。瑞士A.K.Chattopadhyay等用火焰喷镀法把Ni-Cr钎料合金镀于工具钢基体上，并将金刚石排布在钎料层表面上，然后在1080℃氩气保护下感应钎焊30秒来实现金刚石与钢基体结合。实验结果表明Ni-Cr钎料合金对金刚石的良好浸润性。德国的A.Trenker等在钎焊过程中采用了镍基活性钎料来实现金刚石与基体的结合，并通过和电镀工具的对比说明钎焊工具性能比电镀工具优异。国内开展金刚石磨料高温钎焊研究工作的主要有西安交通大学、台湾中国砂轮公司、南京航空航天大学等机构。西安交通大学在国内外钎焊金刚石研究的基础上，采用真空炉内高温钎焊工艺，实现了金刚石与钢基体间的牢固结合，钎料在金刚石磨粒间分布均匀，金刚石出刃高度高，其耐用度较电镀砂轮有了明显提高，工作后仅有少量金刚石脱落。台湾中国砂轮公司推出单层均布金刚石高温钎焊串珠，在不降低其寿命的条件下，金刚石用量减少50％，切割速度提高两倍。南京航空航天大学在90年代中期开始跟踪国外关于高温钎焊金刚石磨料砂轮的最新研究动向，掌握了金刚石磨料真空炉内和气体保护感应钎焊的核心技术，研制出系列钎焊金刚石工具，并于2003年实现了产业化批量生产。

国内外研究结果表明，高温钎焊可以实现金刚石磨粒和基体高的结合强度，在重负荷磨削加工过程中，高温钎焊金刚石工具可以有效避免磨粒、结合剂层的脱落与剥落，磨粒的利用更加充分，砂轮寿命更高。此外，由于高的界面结合强度，结合剂层厚度只需维持在磨粒高度的30％左右就能够牢固地把持住磨粒，这样钎焊工具极大扩展了其容屑空间。而随着研究的深入发现，对于难加工的黑色金属材料，传统的单一类型磨料工具难以有效加工，钎焊金刚石工具加工黑色金属材料时散热性能好，但因容易高温石墨化难以高效快速加工；而钎焊cBN工具虽然具有较好的加工黑色金属的性能，但在加工中遇到高温时易与水发生反应，降低其性能，而多数情况下加工条件中都会用到冷却液。碳化硅及三氧化二铝磨料虽然磨料锋利，加工表面质量较高，但磨损量大，消耗快，不适于高端机床加工。为了解决上述问题，有研究者试图开发多层钎焊超硬磨料工具来提高工具的寿命，并有相关研究成果见诸报道。但这并不能从根本上解决实际加工中所遇到的单一磨料加工局限性的问题。此外，烧结超硬磨料技术中尚未见有多种磨料协同的排布制备工具的报道。

目前，钎焊工具的研究主要集中在金刚石磨料的钎焊，金刚石磨料、立方氮化硼磨料、碳化硅磨料、三氧化二铝磨料等多种磨料的同时钎焊以制作寿命更长、加工效率更高的工具的研究尚未涉及。