钎焊喷砂抛光磨料金刚砂白刚玉和棕刚玉制作超硬磨料工具工艺及方法
生产厂家：天津瑞达抛光研磨喷砂磨料磨具厂家发布时间：2017-04-05
碳素钢及低合金钢的钎焊超硬磨料工具因具有独特的优越性而成为当今超硬磨料工具研究的一个热点。本文从碳素钢及低合金钢的钎焊的钎料、工艺及方法等方面概述了国内外碳素钢及低合金钢的钎焊超硬磨料工具的研究现状和研究成果，分析了不同的钎料、工艺及方法对磨粒结合强度和界面微观结构的影响。在此基础上，讨论了磨粒的优化排布问题以及在单层碳素钢及低合金钢的钎焊超硬磨料工具表面实现磨粒有序排布的方法。由天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂和白刚玉和棕刚玉（CBN）制作的超硬磨料工具被广泛应用于各类金属材料的磨削加工，石材、陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的加工，以及公路养护、地质采矿、油气钻探等众多工程领域，市场需求量很大。目前生产中使用的超硬磨料工具一般是利用多层烧结或单层电镀工艺来制作，磨粒只是被机械地包埋、镶嵌在结合层中，把持力不大，在负荷较重的加工中容易因把持力不足而导致磨料过早脱落，造成浪费。另一方面，在烧结和电镀工具中磨料为随机分布，磨粒的出露高度不大，容屑空间较小，在磨削加工时容易产生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用寿命。
由于多层烧结和单层电镀磨料工具存在上述缺陷和弊端，使其在高效磨削和高速/超高速磨削中的应用受到较大限制。为此，近十几年来国内外许多学者开始研究采用碳素钢及低合金钢的钎焊工艺来制作单层超硬磨料工具，其出发点是希望借助高温碳素钢及低合金钢的钎焊时在磨料、钎料和基体界面上发生的熔解、浸润、扩散、化合等相互作用（即通常所说的化学冶金作用），从根本上改善基体和钎料合金对磨料的把持强度。图1所示为碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂单颗磨粒与结合剂界面的微观形貌。可以看出，钎料对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒表现出很好的浸润性，结合紧密，无间隙和沟槽存在。天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒晶粒完整，表面无裂纹，出露高度大。与传统的多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，碳素钢及低合金钢的钎焊超硬磨料工具具有以下特点：①磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长；②磨粒的出露高度大（可达磨粒高度的70%～80%），容屑空间大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；③磨削力、功率消耗和磨削温度更低；④具有环保意义，符合当今倡导的绿色制造发展趋势。
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2 碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具的研究现状
天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与一般的金属、合金之间有很高的界面能，其表面不易被熔化的金属或合金所浸润。根据理论分析及文献报道，在一定的条件下，某些过渡族元素如Ti、V、Cr、Zr、Mo、W等，在一定条件下可与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂的碳元素在表面形成碳化物，而通过这层碳化物的作用，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂、钎料和钢基体三者就能通过碳素钢及低合金钢的钎焊实现牢固的冶金结合，这就是天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂高温碳素钢及低合金钢的钎焊的原理。天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂碳素钢及低合金钢的钎焊的质量在很大程度上取决于所使用的钎料、碳素钢及低合金钢的钎焊工艺及方法。因此，提高对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒把持力的关键就是寻求与之相适应的活性钎料、碳素钢及低合金钢的钎焊方法和碳素钢及低合金钢的钎焊工艺。
2.1 镍基合金钎料碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂的工艺及方法
瑞士的A K Chattopadhyay采用的碳素钢及低合金钢的钎焊工艺为：先用火焰喷镀法（氧－乙炔焊枪）将钎料合金（主要成分为72%Ni、14.4%Cr、3.5%Fe、3.5%Si、3.35%B和0.5%O2）镀于工具钢基体上，并将天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂排布于焊料层面上，然后在1080℃、氩气保护下高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊30秒实现天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钢基体的结合。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素，在碳素钢及低合金钢的钎焊过程中向天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂表面富集而实现天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂的表面金属化。
美国的A Trenker等采用真空炉中碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，在高温碳素钢及低合金钢的钎焊过程中分别采用了活性钎料和镍基钎料来实现天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与基体的结合。在加工玻璃的实验中，与电镀天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具相比，高温碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具的性能更为优异，碳素钢及低合金钢的钎焊工具的起始磨削性能是电镀工具的3.5倍以上，寿命是电镀工具的3倍以上。
天津大学的赵琳等利用高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊方法，用Ni-Cr合金钎料真空感应碳素钢及低合金钢的钎焊30秒，碳素钢及低合金钢的钎焊温度1050℃，将天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂牢固地碳素钢及低合金钢的钎焊在钢基体上。经X射线衍射分析发现，合金钎料与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂在界面生成Cr7C3和Cr23C7，因此这种碳素钢及低合金钢的钎焊工艺可以确保合金钎料层与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂之间的高强度结合。在后续的大负荷磨削实验中，未发生天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂整颗脱落，说明钎料对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂具有较高的把持强度。姚正军等利用Ar气保护炉中碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，以Ni-Cr合金粉末作为钎料，控制碳素钢及低合金钢的钎焊温度1050℃、保温时间6min和冷却速度30℃/min，实现了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钢基体的牢固连接。利用扫描电镜和X射线能谱，结合X射线衍射结构分析，发现碳素钢及低合金钢的钎焊过程中Ni-Cr合金中的Cr元素分离出来在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂界面形成富Cr层，并与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，这是实现合金层与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂的较高结合强度的主要因素。重负荷磨削实验表明，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂为正常磨损，无整颗天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂脱落，能够适用于高效磨削加工。卢金斌等利用真空炉中碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，以Ni-Cr合金作为钎料，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂直接排布在Ni-Cr合金上，适当控制碳素钢及低合金钢的钎焊工艺，实现了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钢基体之间的牢固连接。通过对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钎料界面微观结构的分析，发现碳素钢及低合金钢的钎焊过程中钎料会在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂界面形成富Cr层并与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，其中Cr7C3呈笋状生长，Cr3C2呈片状生长。最后通过磨削对比实验验证了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钎料有较高结合强度。马伯江等利用高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，在相同的碳素钢及低合金钢的钎焊工艺条件下，采用两种不同成分的Ni-Cr钎料碳素钢及低合金钢的钎焊镀Ti天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂和无镀膜天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂。试验使用了两种镍基活性钎料，两者相差4%Cr（质量分数），在Ar气保护下进行高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊，碳素钢及低合金钢的钎焊温度小于1100℃，保温数秒。结果表明，钎料成分不同、天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂镀Ti与否，使天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂表面生成的碳化物成分和形态各异，影响了它们与天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂结合强度的高低。在此基础上，分别采用真空炉中碳素钢及低合金钢的钎焊和氩气保护下的高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊工艺制作了单层碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具。结果表明，这两种工艺制作出来的工具都可在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂－钎料界面上生成对提高天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂把持力起关键作用的碳化物，但其界面结构存在差异。在电阻炉中碳素钢及低合金钢的钎焊条件下，生成物有两层结构，内层产物是Cr3C2，外层产物是Cr7C3；在高频碳素钢及低合金钢的钎焊条件下，仅有单层产物Cr3C2。
天津理工大学楚凡等利用真空炉中碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，以NiCr13P9合金作为钎料，同时加入少量Cr粉，在高温（950℃）加压及真空度为0.2Pa的条件下进行碳素钢及低合金钢的钎焊，实现了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钢基体间的牢固结合，研制出用于牙科CEREC CAD/CAM系统的专用单层碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂砂轮。扫描电镜观察显示，银白色的合金包绕在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂周界，钎料在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒间分布均匀，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂已被牢固碳素钢及低合金钢的钎焊，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂出刃高度大。X射线衍射分析能观察到Cr3C2衍射峰，表明有Cr3C2生成。正是通过天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂界面上的碳化物层，合金材料实现了对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂的高把持力。磨削实验证实了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂确有高把持强度，碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂砂轮的耐用度及磨削效率较普通电镀砂轮明显提高。
天津大学的王辉等利用高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊的方法，以Ni-Cr合金为钎料，尝试在空气中直接进行天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒的碳素钢及低合金钢的钎焊。通过适当控制碳素钢及低合金钢的钎焊电流和碳素钢及低合金钢的钎焊时间，实现了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与钢基体的牢固焊接。磨削实验表明，采用该方法制造的天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具在天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒与基体之间有着较高结合强度，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒在整个加工过程中未出现脱落，天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒的磨损过程为正常磨损。另外，还尝试在自制真空炉中利用高频感应碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂节块。通过调整加热时间与加热功率来控制钎料加热温度，实现天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂与基体的牢固连接，并制作了天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨盘。在磨削加工花岗石的过程中，对天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂磨粒的出露高度、磨粒的磨损状态进行了跟踪，揭示了碳素钢及低合金钢的钎焊天津瑞达牌喷砂磨料抛光磨料金刚砂工具在加工过程中的磨损性能。
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