有序排布钎焊单层金刚石工具研究

1、广东工业大学硕士学位论文有序排布钎焊单层金刚石工具研究姓名：何梦佳 中请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：袁慧张凤林20070501 扌商钎焊单层金刚石工具具有高出刃和高的金刚石结合强度，是一种新型的硬脆材料加 工工具，而工具上金刚石磨料的有序排布被认为是改善工具性能和寿命的一个重要 的发展方向，并引起了国内外研究者的关注。本文针对单层钎焊金刚石工具设计了电磁排布、静电排布、机械筛网自动排布、吸 气筛网自动排布等四种金刚石磨料自动排布方案，对各方案中的装置进行了初步的 结构设计。之后采用四种有序排布方式：纵横排布、同心圆排布、螺旋线排布、非 规则均匀排布制备了钎焊单层金刚石磨削工具

2、，并与随机排布的钎焊金刚石磨削工 具进行了对比，研究不同排布方式对磨削过程中工具的磨损、被加工材料表面质量 、磨削力特征的影响。最后研究了不同钎焊温度和保温吋间下n i . c r合金与金 刚石的界面微观结构。结果表明经2 0小时的磨削后，随机排布钎焊金刚石磨削工具失去加工能力，而其 它四种有序排布磨削工具仍具有良好的磨削性能。有序排布的金刚石磨削工具的质 量磨损和高度磨损都小于随机排布工具；当金刚石以有序排布中的螺旋线型排布时 ,主要以微破碎的方式磨损，而随机排布金刚石则容易以大块的宏观破碎磨损，其 金刚石的切削刃很快被磨平而失去加工能力。在磨削的切入阶段，四种有序排布工具的磨削力较随机排布

3、工具小，其磨削力的波 动也较小；稳定磨削后，有序排布的磨削力也小于随机排布工具。在磨削深度增加 时，同心圆排布和螺旋线排布两种工具的磨削力一直处于较小的状态。而随机排布 磨削工具磨削力显著增大，有序排布中的纵横排布磨削工具的磨削力变化不大。n i . c r合金钎焊金刚石工具中金刚石与钎料合金之间岀现了明显的过渡层，该 过渡层屮富含cr元素；在金刚石磨粒边缘上也出现了石墨化层，石墨化层的厚度 随钎焊温度升高而增加。关键词：有序排布钎焊单层金刚石工具广东工业大学工学硕士学位论文abstract as a noveld1a m on dt001f 0rm ach1n1n go fbr1tt1ean

4、d h ar dm ater ia1 s ,im -o n o -一 1 ay er1)r a z;edd1a m on dt0010 wns h1ghd1a mo n(dpro t ru s10nan db0n d in gstren gt【h . 0'rder1y ar ray1ng0fd1a m on dgr1ts 0nt het001h as drawr nm uc hattent i0nand isc 0nsi (1 ereda s ;ama1ntrendf 0r1m pr ovi ngthepe rf 0r manc <eandthe 1 if ec ft h e d

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12、 ary0 f d1a .mo ndgr1tt heth1cknes s0fthegrap h1t1zati on 1a y e r1s1ncrea sedw i ththe increase of th ebraz1ngt em peratu re .；key w ord ： 0 r ci e r 1 yarray1ng ，bra z i n g ,m o n o 1ai yer,di am o n dtool ii广东工业大学工学硕士学位论文独创性申明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标

13、注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其 它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文屮 作了明确的说明，并表示了谢意。学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。指导教师签字.袈彩论文作者签字：/i孑梦伎川年歹月；p 口第一章绪论第一章：绪论11前言金刚石以其高硕度、高导热性、低摩擦系数和低热膨胀系数等优异性能，作为工具 材料被广泛地应用在于机械、建材、航空航天和汽车制造等领域【1。】。现有的 金刚石工具主要是利用各

14、种结合剂将人造金刚石固结成型后应用。因此按照其结合 剂的种类可以把金刚石工具分为树脂基、陶瓷基和金属基三种【4】。其屮以金属 基金刚石工具应用最为广泛。金展基金刚石工具的制造方法主要包括粉末冶金法、电镀法和钎焊法。粉末冶金法 是将结合剂和金刚石磨粒混合后，在一定的温度下烧结而成【5 4 jo目前较常用 的结合剂主要有钻基、青铜基和铁基。该方法工艺简单，工具使用寿命长，目前应 用最为广泛，其缺点是：（1）结合剂和金刚石界面未形成完全的化学冶金结合， 金刚石结合力较弱，当金刚石磨损到初始高度5 0 %以下时就会因结合剂的磨损， 造成自然脱落，金刚石利用率低；（2 ）金刚石磨粒的出刃率低（小于3 0

15、 %）, 容屑空间小，切削力大，加工效率低。电镀金刚石工具是根据电镀原理在工具基体上镀覆一层金属n i ,同时把金刚石磨 粒固着在基体上【7 1。其制备工艺简单，出刃好，无需修整。但是由于电镀金刚 石工具金刚石是靠镀层的机械包埋把持，把持力不强。在负荷较重的高效磨削作业 中，易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。此外电镀液也带来环境污染问 题。钎焊金刚石工具是利用钎料合金在高温下的毛细作用，将金刚石磨粒固着在基体表 面。由?i卒于虾辖翻泻 星刻蓟 馈纬稍 兀 纾海茫颉迅浴迅鳌迅值舗 于虾辖 鹏梢杂虢鹫帐纬汕苛。苯鸾岷希越鸳帐慕岷狭耳浚鹫帐鑒懈捋q担埃匕陨 希 庸用矢擔屹顺响谕皮芯康娜鹊恪?

16、广东工业大学工学硕士学位论文12钎焊金刚石工具研究现状12 . 1钎料合金由于金刚石和多数金属及其合金之间具有很高的界面能，因此大多数钎料合金对金 刚石均难以润湿，且金刚石在高温下容易被石墨化和氧化，钎焊温度受金刚石石墨 化转变温度的限制，用普通的钎料和钎焊工艺难以实现金刚石与其它材料的连接， 所以金刚石钎焊时钎料的选择非常关键，所选的钎料既要保证与金刚石有良好的润 湿，能与金刚石发生有效的冶金结合，同时又不能对金刚石有过度侵蚀，此外钎料 的耐磨性还要与金刚石、加工材料相匹配，以保证最佳的锋利度与足够的使用寿命 o目前使用的钎料合金包括n i . cr合金、cu$11合金和人0cu合金。1 .

17、 2 . 1 . 1 n. _c r 合金ni. cf钎料合金使用较广泛，其耐磨削性能和耐高温性能好。jt. low e首先中报了利用真空炉氮气保护钎焊的专利f 8】，t r e n k e利用高真 空钎焊制取金刚石工具产品，其性能优于烧结和电镀产品【明；黄辉等利用高频感 应钎焊制备了磨削花岗岩工具【10】。林増栋在高真空或惰性气体屮，制取了 0 4 0 / 0 2 0 mm裁布刀刃磨磨轮、金刚石成型磨削工具、什锦锂刀、加工玉器磨 削工具、串珠、线锯和拉丝模等工具111】；马楚凡等利用热喷涂加冷涂覆的方式在hvs. 4 0真空工业炉内，制取了牙科单层高温钎焊金刚石砂轮【12 1 ,本课题组也较

18、早地使用n i . c钎焊单层金刚石取孔钻，获得了比电镀产 品高2倍以上的寿命和锋利度【13 1。n i -c r合金对金刚石良好的钎焊性能，是由于金刚石与合金z间能形成化学冶 金结合。比如a. k. chattopadhya y利用氟气保护感应钎焊3 0秒 均发现金刚石与钎料合金间有富c f带形成【14 1；张风林发现在n i . c f钎 焊合金与金刚石之间存在两个界面过渡层，金刚石与钎焊合金之间形成了c r 3 c 2碳化物【13 1 ,肖冰等在1 0 5 0 °c氨气保护炉屮钎焊，保温6分钟证实金刚石与钎料合金 间有c r 3 c 2和c7c3牛成【151。 1. 2. 1.

19、 2 c u - s n合金c u-s n钎料合金熔点低，可以减少金刚石的热损伤，但是它们的耐高温磨削 2第章绪论性能差，钎料本身的强度低，钎焊后的工具难以实现重负荷加工。 cus n钎料合金在高温钎焊条件下，合金内的强碳化物形成元素也可与金刚石 形成化学冶金结合。马楚凡等利用cusn合金在9 0 0 ”0钎焊温度下，真空 钎焊1 0a i n ( p = 13x1 0pa),发现金刚石表面有钛偏析f t :s. f. iluang等在925 °c的钎焊温度下，真空钎焊5 r a i n (p= 1 xl 0 4 p a )发现金刚石表面生成t i c层，在9 8 0 下，激光氮气保

20、护钎焊1 0秒，发现金刚石表面生成布连续的t i c颗粒层【16】，s. mchen等 在1 0 5 0 -c氮气保护条件下，钎焊3 0m i n,发现金刚石与钎料合金界面生 成了 c3 c 2【v。f. a. khali d等也在9 3 0 °c下，真空钎焊(p <2x1 0培p a)发现金刚石与钎料合金间生成2 0 0微米厚的t i c颗粒层【1 引。1. 2. 1. c u 合金ag. c u基钎料由于其熔点较低，钎焊时对金刚石的热损伤也较小，加入活性元 素后对金刚石的浸润性能好，并具有良好的强度、塑性、热导率，电导率和耐各种 介质腐蚀性能。孙风莲等在9 2 0 

21、6;c的钎焊温度下，真空钎焊2 0 r a i n ( p = 5 x 1 0 " 3 p a )发现t i , c u向金刚石扩散，形成冶金结合的主要因素是t i c ( t 9 1 ； 肖冰等利用高频感应钎焊，在7 8 0 °c钎焊温度下，感应钎焊3 5秒，发现金刚石 表面有c r的c化物生成，金刚石与钢基体生成(f e x c r y) c型碳化物【2 哪；冯胜强等利用真空钎焊8 5 0 °c,保温1 o m i n (p<5 x 1 0五p a )实 现了金刚石与硬质合金的钎焊连接【2 t ) ； jt. lowe f在高真空无氧氛 围条件下制备金刚

22、石工具，并进行性能测试，提出ag. cu合金钎料制备的金刚 石工具性能优于电镀或n i、c o合金钎焊金刚石工具(22】。1 . 2 . 2钎焊 方法目前钎焊金刚石工具加热方法有：真空炉中钎焊、盐浴钎焊、激光钎焊和高频感应 钎焊(9, 2 1 , 2 3 , 2 4 o(1) 真空炉中钎焊一般采用电阻炉辐射加热，生产效率高，而且加热均匀可以焊 接结构复杂，尺寸较大的基体；但是，电阻辐射加热属于整体钎焊加热，升温速度 慢，焊接时间长，磨粒和基体在高温环境下长时间暴露，对磨粒和基体都存在一定 的影响。(2) 盐浴钎焊是将焊件浸入盐浴炉中加热，钎焊时为了改善金刚石和金属之3 广东工业大学工学硕士学位

23、论文间的浸润性，焊前须对金刚石进行表面渗覆t i处 理，并且在钢基体表面喷焊n i基合金，工艺烦琐；因为进盐出盐较困难，且钎焊 后基体上残留大量的钎剂，清洗的时间较长，所以盐浴钎焊不易钎焊结构复杂的金 属基体。(3) 渝光钎焊是利用激光束作为焊接时的热源。激光加热局部受热快(加热时间仅需1 os),金刚石在高温环境下暴露的时间很短，这就有效的控制了金刚石的 石墨化。但是，由于加热时间太短，金刚石磨粒一钎料、钎料一基体之间来不及形 成连续的过渡层，降低了钎料对金刚石磨粒的把持力。(4 )高频感应钎焊利用高频感应同时对基体和钎料合金进行加热，加热温度高， 加热速度快，温度容易控制，可以局部加热，容

24、易实现自动控制。高频感应加热所 需的时间介于激光加热和电阻炉中加热之间，减小了金刚石的热损伤程度。1。3 磨粒有序排布金刚石工具研究现状131磨粒有序排布对金刚石工具性能的影 响常规的多层或者单层金刚石工具屮，金刚石磨料在工具基上是随机分布的。加工时 ,金刚石富集的地方由于金刚石浓度高，重复磨损严重，且由于容屑空间减小，工 具易于堵塞，降低了切削效率；而金刚石稀少的地方，单颗金刚石承受到工作负荷 过大，易于破碎和脱落，也不能有效利用金刚石，降低了磨削效率。f/ 2赏，4率2 3容屑空问(直径比)图1 1排布对金刚石使用量及出刃的影响【2 6 f i g11 effectconcentratei

25、 o n 4第一章绪论 有序捧布(b)随机排布“,of d i amond arraying o n the ofd i amond and the p r o t r u s 图i 2不同排布方式的金刚石工具表面形貌(a )jfig. l-2morphology of diamond tools b y different array (a) orderly arraying ( b) randomarraying研究显示对丁金刚石颗粒的排布的位置是影响金刚石出刃率和磨损率一个重要的因 素【2 5 1。图1 一 3给岀有序排布与随机排布金刚石工具性能比较，由图可见： 与随机排布的金刚石工具相

26、比，虽然有序排布的金刚石工具磨粒间距大，但是出现 团聚的可能性小，浪费的金刚石少，成本低。因此，磨粒的有序排布直是国内外 磨具行业追求的耳标。一金刚石浓度容屑空间图1 一3有序排布与随机排布金刚石工具比较瞄7 1 f i g. 13difference betweendiamond tools o f order and randomarraying工具磨粒有序性的概念首先是针对普通砂轮提出的，主要目的是具有磨粒有序分布 的工具可以形成极为理想的磨削地貌，如一致的磨粒裸露高度和合理的磨粒间距等 ,从而可以大大提高工具的磨削性能。台湾的宋健民将金刚石有序排布应用于钎焊刀头、排锯和绳锯上，显著增加

27、了切削 效率和工具寿命，在对有序排布金刚石锯片切削性能研究中表明：有序排布的锯片 寿命比随机排布的高2 0%,能耗低1 5%,在加工石材时使用寿命更能广东工业大学工学硕士学位论文达到随机排布锯片的两倍，且在随机排布锯片失效 后的加工时段仍显示良好的切削性能，整个切削过程中，能耗的波动小，切削状态 稳定，金刚石破碎率低° 2玉2 8 1 ；日本旭日公司研发的金刚石有序排布的化学 机械抛光修整器，使金刚石的有效利用率达到8 0 %以上【29】；徳国学者使用 排布金刚石或c en制造乍堂磨刀具，进行孔加10 0 1；韩国s h i n h a n公司 还专门研制了金刚石自动排布设备(ar

28、i x) ( 3 1 1 o研究者们多认为，磨粒 的而密度、磨粒排布方向性、等高性以及钎焊层厚度对磨削力、容屑空间等磨削性 能有显著的影响，良好的磨粒有序排列能显著增加工具的磨削性能，提高磨削效率 ,减少金刚石颗粒的重复磨损和磨削力，增加工具的寿命【2 5, 3舶。1. 3.2磨粒有序排布方法国外在磨粒有序排布的研究方面较早，发明了多项金刚石有序排布专利。13.21模板有序排布技术1 3 3 4 4 1孔模板有序排布的原理是在陶瓷模板上加工出与金刚石磨粒的直径相当的规则排布 的圆孔。深度大约是金刚石高度的7 0%,将金刚石布于圆孔内，再将布有金刚石 的孔模板置于有钎料层的基体上，适合于大粒径金

29、刚石的有序排布。由于陶瓷和钎 料不具有焊接性，钎焊后可将陶瓷板去除。另外，有研究者还尝试采用柔软的金属 模板或丝网代替陶瓷模板（模板和丝网可以根据工艺条件的需要保留或去除），以 适应金刚石在异型曲面上的排布需要，也取得了成功p”。r o n a 1 d c . w i a n d还根据金刚石的弱磁性，采用磁铁校准金刚石的岀刃方向，使其趋向一致【 t。图14陶瓷孔模板有序排布技术fig . 14 orderly arraying o f d i a m o n d b y ceramic m o 1 d 13. 2. 2激光焊接技术43 6 1 6第一章绪论激光焊接技术是利用激光束作为焊接时的热

30、源，在布有钎料粉和金刚石颗粒层的基 体上，采用cad数据处理软件进行切片处理，激光器以一定的扫描速度对基体表 面按给定的形貌要求进行扫描。控制激光强度、脉冲周期和光斑直径，保证一定的 焊接温度和时间，这样被激光扫描到的磨粒就按照形貌要求有序的钎焊到工具基体 上，把未扫描的金刚石磨粒去除后，就得到了理想的磨粒有序排布的单层金刚石工 具。1. 3. 2. 3静电排布技术【3 1 1该装置如图15所示，装置主要分两部分，微计量装置和静电散布装置，微计量 装置通过脉冲调节器将胶水储槽里的胶水按一定数量和液滴大小压到工件上，微计 量头平移，工件旋转，在工件上形成胶滴阵列。静电散布装置使金刚石磨粒经输送

31、带并依靠静电作用粘牢在工件胶滴上。调节脉冲器频率，微计量头平移速度和工件 旋转速度，即可获得不同密度与不同排布方式的金刚石有序排布阵列。胶水贮槽 图15静电有序排布装置【311 f i g. 1一 5 apparatus o f electrostatic arraying of d i a m o n d g r i t 1324多层模板法【2, 2 6 , 2 5 , 3 7 ）台湾的宋健民发明了一种多层均布排布技术，可以使金刚石磨粒实现在三维空间的 均匀排布。将此技术应用于金刚石排锯和钎焊绳锯，其方法是利用厚度为金刚石颗 粒平均粒径1 / 32 / 3的孔模板（孔径大于单颗金刚石的直径，

32、小于两7 广东工业大学工学硕士掌位论文倍粒径），在模板内布满金刚石，用钢制平板，分 别将金刚石压入有孔隙的片状胎体金属的两侧后去除模板，在镶入金刚石的胎体金 属孔隙中渗入含碳化物形成元素的钎料，然后将这些胎体片重叠放入石墨模具中烧 结成多层金刚石工具。这种方法制造的金刚石工具，可使胎体与金刚石形成化学冶 金结合，而不仅仅是机械包镶力。同时还能有效控制金刚石在工具中的位置。将这 种锯片应用于硕质花岗岩的锯切实验中，发现其可以以传统铁砂拉锯三倍的切割速 度进行切割，每克拉钻石锯切的面积可达一平方米。13. 2. 6a r i x （automat i c 一a r raysystem）自动排布系统【3 1 j图16利用ar i x系统排布金刚石的工具产品1 j "f i g. 1 - 6 close u p o f segmentmanufac tured us ingarixtechnology shows the i! ven distributiono