具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法技术

一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法，其特征在于，包括钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法，高温钎焊工艺，优化设计工具地貌方法，金刚石磨料的优化排布法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种。
技术介绍
现有单层金刚石固结磨料工具制品，都是沿用电镀方法制备的将工具基体上需要覆盖磨料的部位预先埋入镀液槽的磨料堆中，然后籍助电沉积的金属镍将与表面相贴靠的一层磨料逐渐包埋固结到基体上，最终形成工具的工作面。由于此种制备方法工艺简单，可以不受尺寸大小和几何形状的限制随形地制成各种需要的工具，包括任意复杂的异形面工具，且制成的工具无须修整修锐即可直接使用，因而四十多年来，单层电镀的金刚石固结磨料工具其生产应用的范围极其广泛，特别是在高硬脆性难加工材料的小余量精密超精密加工领域，它至今仍是人们首选的主要工具品种。但是随着单层电镀金刚石工具制品生产应用范围的日益扩展，尤其是在需要它面对诸如石材加工、公路养护、地质勘探、油气钻探以及工程项目施工之类众多行业所要求的大余量重负荷的加工作业条件时，它原本未被人们察觉的固有的弊端和缺陷便开始集中突现出来，譬如①工具表面镀层厚度通常都要达到磨料本身高度的70-80％上下，磨料出露很低，致使工具不仅锋利度差，且因容屑空间严重不足，极易发生堵塞失效 ②镀层虽已过厚，在重负荷作业条件下，磨料仍易整颗脱落，镀层本身也易成片剥离 ③即使在理想情况下，工具表面每颗磨粒的实际可利用高度也往往不足其本身高度的20-30％，因为只要镀层被磨损到其包埋厚度不足磨料初始高度的60％时，磨料受力就会自行脱落，等等。究其原因，都是因为电镀工具在镀层金属与磨料的界面上根本不存在结合力，它只能籍助加厚镀层增加对磨料的机械包埋作用来固定和把持磨料，正是由于此种包埋把持力的低下，导致电镀工具在重负荷作业条件下根本无从发挥金刚石磨料本身的性能优势。很明显，上述困扰人们的一系列问题，对需要承担重负荷作业的单层电镀金刚石工具而言，实际上是致命的，因为这是电镀工艺自身无法克服的一种痼疾。在上个世纪九十年代，国外开始酝酿提出用高温钎焊替代电镀开发新一代单层金刚石固结磨料工具，其出发点就是希望能籍钎焊工艺为钎料与磨料的界面提供一种可以实现高强度化学冶金结合的条件，从而确保单层金刚石固结磨料工具也能在重负荷的高效作业中理想发挥金刚石磨料本身的超级加工性能优势。不过在长达十年的时间里，国外的研发工作并未能如愿取得预期的进展和效果，其中的原因，除了换代用单层钎焊工具的开发确有很大难度以外，受市场竞争压力驱使急于求成心切，从一开始就严重忽视了关于金刚石钎焊机理的基础研究，应该是一个最主要的原因。因为不通过深入的基础研究，不籍助各种现代的理化测试分析手段确切把握钎焊金刚石磨料及其界面实际可能发生的各种变化，包括这些变化的得失利弊和相应的调控对策，仅凭常规试验确定的钎焊工艺就盲目上马制作工具，是不可能确保制成的工具能稳定获得期望中的钎焊质量和效果的，这也正是近十年来虽陆续见到有不少单层钎焊金刚石工具的样品推出，甚至也还见到有若干有关单层钎焊金刚石工具的专利报导，但却一直未见有工业化规模生产的单层钎焊金刚石工具制品进入国际工具市场的原因所在。事实上国外在研发单层金刚石工具过程中遭遇的难题，只要遵循正确的思路扎扎实实从基础做起是容易找到破解的方法的。本次申报的专利，通过实验检测钎焊磨料的残余应力和磨料界面反应生成物的结构、性态、分布特征，再综合宏观的力学和加工性试验的结果，建立起了一项可对磨料钎焊效果作出科学评价并可据此调控优化钎焊工艺的独创技术。经此项技术优化确定的钎焊工艺，可以确保即使在工业化规模生产条件下工具表面的金刚石磨料也都能在不受热损伤的前提下稳定获得高把持强度的最佳钎焊效果。国外在以钎焊替代电镀开发所谓新一代单层金刚石固结磨料工具时，关注的焦点仅只集中在希望籍助钎焊能够大幅度提高对磨料的把持强度以应对重负荷加工作业的需求上，但却没有人认识到为了满足重负荷加工作业的要求还有另外一个同样重要的问题亟待研究解决。按照加工理论，磨料及其结合把持强度只能说明磨粒可承受负荷的能力，工具所表现的加工性能则完全是由工具所拥有的地貌因素决定的，而且此点对要求不作修整就直接使用的单层固结磨料工具而言，显得更加至关紧要。事实情况是，在现有单层固结磨料工具表面呈无规则随机密布的磨料中，可以有效去除材料的所谓的动态有效磨粒仅占磨料总数的很少的一部分，大量冗余的磨料不仅显著增加了工具的制作成本造成金刚石资源的极大浪费，更为重要的是它们的存在还严重干扰了有效磨粒的工作，使得加工作业总也无法被调控进入到最佳状态，反而造成工具的锋利度、加工效率、寿命等主要性能指标大幅度连锁下滑的极为严重的负面恶果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钎焊制作单层金刚石固结磨料工具的新方法，它能在磨料不受热损伤的前提下，在赋予磨料界面以极高的化学冶金结合强度的同时，赋予工具以最佳的地貌，从而可使以新方法制作的工具能同时拥有高的锋利度、加工效率和使用寿命的超级综合性能优势。本专利技术的具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的制作方法，包括钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法，高温钎焊工艺，优化设计工具地貌方法，金刚石磨料的优化排布法。分别叙述如下(1)钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、性态的综合测试分析方法此方法包括金刚石磨料钎焊界面显微结构的整体腐蚀显示工艺、关于磨料界面反应生成物的结构、形态、大小、数量、分布特征的扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射物相测试分析方法，以及钎焊金刚石磨料残余应力的激光拉曼光谱的对比测定方法和内部隐裂纹等缺陷的检测方法、等等。此综合测试分析方法可为科学考评金刚石磨料的钎焊质量和调控优化钎焊工艺提供最有价值的定性和定量的可比数据资料。(2)金刚石磨料钎焊工艺的实验优化方法高温钎焊时在磨料界面发生的化学冶金作用不一定都能提高界面的结合强度，由于界面反应的生成物多数属高硬脆性材料，取决于界面反应生成物的结构、形态、大小、数量及其分布特征，界面实际可获得的结合强度会在一个相当大的范围内变化。另外，磨料本身因为承受钎焊时的高温热经历，也可能会导致出现石墨化及由热应力失控引起的磨料内部的隐裂纹、微裂纹甚至宏观开裂之类的附加热损伤。钎焊工艺的优化其目的就在为单层金刚石工具制品的工业化规模生产提供一种可以稳定应用的钎焊工艺，它应能在钎焊磨料不发生热损伤的同时，确保磨料界面能稳定获得尽可能高的把持强度。本实验优化方法具体包括以下几个环节①就待优化的钎焊工艺条件提供单层金刚石磨料的钎焊试样； ②选择确定可以本质表征钎焊质量的测试项目作为优化目标，再籍助专为钎焊金刚石磨料及其界面理化结构、形态的综合测试分析方法，就钎焊试样通过实测提供优化目标的可比数据资料；③针对从各优化目标的可比数据资料中反映出来的问题，在冶金热力学、动力学原理和钎焊理论指导下，选择钎焊工艺的调整对策，确定调整方案。然后再重复①、②两项工作，直至优化目标的系列可比数据资料被整体调控到接近最佳的状态为止。在此过程中同时确定可以稳定优化目标的主要钎焊工艺参数的容许变动范围；④最后，再由力学性能和加工性试验确认优化的效果。(3)经实验优化方法确立金刚石磨料的高温钎焊工艺此种工艺已可稳定用于生产金刚石磨料的高温钎焊工艺技术，可被具体规范为是一种炉内真空钎焊技术，真空炉的炉膛要求能确保10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鸿钧，傅玉灿，肖冰，徐九华，苏宏华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：