一種金剛石工具的增材制造方法與流程

在本發明涉及一種金剛石工具的加工方法，具體為一種金剛石工具的增材制造方法及制得的金剛石工具。

背景技術：

在金屬結合劑金剛石工具多采用單層釬焊、電鍍和多層燒結三大類：（1）單層釬焊金剛石工具主要是采用真空爐中釬焊、高頻感應釬焊和激光釬焊，真空爐中釬焊對于尺寸較大的金剛石工具，基體整體加熱時其變形量很難控制，且生產周期長，時間成本及能耗成本較高，金剛石磨粒長時間處于較高溫度環境中，其熱損傷的危險性加大，也難以實現在基體承受整體加熱時其變形不易控制的工具制造。高頻感應釬焊，設備成本低，加熱、冷卻速度快，可以使釬焊周期大為縮短，但其升溫速度、加熱范圍受線圈形狀影響，特別是對于大型、異型面磨料工具，其感應線圈的設計、制作也較復雜。單層釬焊金剛石工具由于只有一層金剛石磨粒，工作層較薄，使用壽命短。（2）電鍍金剛石工具僅靠鍍層金屬機械包鑲金剛石磨粒，在金剛石與鍍層界面上結合強度低，通常也是單層電鍍金剛石砂輪，工作壽命短。（3）多層燒結金剛石工具，是把金剛石和金屬粉末混合，轉入模具，在相當高的溫度和壓力作用下燒結而成。金剛石磨粒僅以機械結合方式固定在胎體中，磨粒出刃較高時極易脫落，造成金剛石的浪費，同時金剛石工具在燒結過程中易氧化，難以獲得質量穩定的金剛石工具。

目前，以激光束作為熱源成為釬焊金剛石工具的研究熱點。與傳統制造釬焊金剛石工具工藝相比，激光釬焊是一種快速加熱和快速冷卻的焊接方法，可以有效控制基體在釬焊過程中的熱變形量，有利于單層釬焊金剛石工具應用于高效精密磨削加工，極大縮短了金剛石工具的制作周期，激光釬焊彌補真空爐中釬焊和高頻感應釬焊工藝中存在的問題。然而，激光釬焊金剛石工具時，一般是預置金剛石在釬料中，激光掃描釬料和金剛石混合層，這會導致金剛石的石墨化甚至燃燒，嚴重影響釬焊層與金剛石之間的結合強度。并且，預置金剛石在釬料中，激光掃描釬料和金剛石混合層，難以實現對金剛石磨粒的有序排布。

在2009年8月5日公開的，公開號為“cn101130213a”，發明名稱為“一種鎳基釬料激光釬焊金剛石磨粒的制造方法”的發明專利公開了一種鎳基釬料激光釬焊金剛石磨粒的制造方法，解決了釬焊金剛石工具中金剛石與釬料的結合力小的問題，但是該技術方案仍舊存在以下問題：釬焊時金剛石表面釬料吸收激光，從而使得釬焊后金剛石存在不同形式的燒損氧化和石墨化；另外，金剛石磨粒沒有實現有序排布。

在2012年12月26日公開的，公開號為“cn101862834b”，發明名稱為“一次成型多層釬焊金剛石鉆頭”的發明專利公開了一種一次成型多層釬焊金剛石鉆頭的制作工藝，解決了真空爐中釬焊多層金剛石工具結合力小的問題，但是該技術方案仍舊存在以下問題：金剛石磨粒無規則排序，磨削效率欠佳。

技術實現要素：

在本發明的目的是針對激光釬焊單層金剛石工具壽命短，激光釬焊過程中金剛石石墨化嚴重，以及多層金剛石工具有序排布的問題，提出一種磨粒多層有序排布且金剛石磨粒熱影響小的金剛石工具增材制造方法及制得的金剛石工具。

本發明的技術方案是一種金剛石工具的增材制造方法，其步驟包括。

步驟1，提供金剛石工具基體。

步驟2，提供噴射系統，噴射系統包括依次相連的送料器料斗、金剛石磨粒送料器、噴槍。

步驟3，提供金剛石磨粒，將金剛石磨粒置于送料器料斗中。

步驟4，提供激光釬焊系統，激光釬焊系統包括激光發生器、送粉裝置及與激光發生器相連的激光釬焊工作頭，激光釬焊工作頭外圍設有同軸噴嘴，送粉裝置包括相連的送粉器與粉斗，送粉器與同軸噴嘴相連。

步驟5，將釬焊料置于送粉器粉斗中。

步驟6，將激光釬焊工作頭與噴槍對準金剛石工具基體表面。

步驟7，啟動激光釬焊系統，送粉器將釬焊粉經同軸噴嘴送到金剛石工具基體表面，激光釬焊工作頭產生的聚焦激光束輻照金剛石工具基體表面，激光束熔化同軸釬焊粉，形成激光釬焊熔池，開啟送料器，金剛石磨粒經噴槍噴射到激光釬焊熔池，激光束、同軸噴嘴與噴槍同步移動，完成一層釬焊過程，得到一層金剛石磨粒層。

步驟8，調小送粉器的送粉量，調低激光功率，關閉金剛石磨粒送料器，激光束熔化同軸釬焊粉，激光束、同軸噴嘴與噴槍同步移動，在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成薄的網狀激光釬焊層。

步驟9，重復上述步驟8，直至在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網狀激光釬焊層覆蓋金剛石磨粒形成金剛石復合層。

步驟10，重復上述步驟7~9，獲得n-1層激光釬焊金剛石復合層。

步驟11，重復上述步驟7，獲得第n層激光釬焊金剛石磨粒層，完成激光釬焊過程，制得具有n層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石工具。

優選地，步驟1中，還包括對基體的表面進行除銹、拋光、打磨后，再用有機溶劑清洗。

優選地，步驟3中，將金剛石磨粒置于料斗之前，采用濃度為8%的稀硫酸對金剛石磨粒進行清洗并用去離子水漂洗后烘干。

優選地，步驟6中，噴槍與金剛石工具基體表面所成夾角α為30°~75°。

優選地，步驟6中，噴槍與激光釬焊工作頭相連，使得只需控制其中一個即能使兩者同步移動。

優選地，步驟5中，釬焊料通過如下方式得到：將稀土元素鑭和鈰以200：1混合經高能球磨處理15小時后得到的混合粉末，加入鎳基釬料中。

優選地，步驟7中，噴射到釬焊熔池的金剛石磨粒與激光束中心保持一定距離δ。

本發明還提供一種通過增材制造方法制得的金剛石工具，包括金剛石工具基體，基體上設有n層結構，第1層到第n－1層為復合層，第n層為金剛石磨粒層，金剛石復合層包括一層金剛石磨粒層以及覆蓋金剛石磨粒的多層薄網狀激光釬焊層，每一金剛石磨粒層包括釬焊縫以及嵌設于釬焊縫中的金剛石磨粒，第一層釬焊于基體表面，第二層至第n－1層依次釬焊于上一層表面，第n層釬焊于第n－1層金剛石復合層表面。

優選地，釬焊縫材質為鎳基釬料，還包括重量百分比為200：1的稀土元素鑭和鈰。

本發明的有益效果在于。

（1）本發明的技術方案中，采用旁軸噴射金剛石磨粒進行激光釬焊，避免了釬焊時預置的金剛石磨粒或其表面釬料對激光束的直接吸收而導致的金剛石磨粒嚴重燒損氧化和石墨化，提高釬料與金剛石磨粒界面結合強度。

（2）本發明的技術方案中，采用旁軸噴射金剛石磨粒進行激光釬焊，與常規預置金剛石磨粒和釬焊粉相比，在同等釬料和金剛石供給的條件下，激光束熔化的材料層厚大大減小，因此，所需激光束能量大大減小，激光釬焊熱輸入也大大減小，減小了釬焊過程中金剛石磨粒和砂輪基體的熱損傷。

（3）本發明的技術方案中，采用激光釬焊系統與數控裝置配合，可以便捷地控制金剛石磨粒噴射時序，使得金剛石磨粒排布到金剛石工具表面的特定位置，從而便捷地實現金剛石磨粒的有序排布。

（4）本發明的技術方案中，借鑒增材制造技術，相鄰金剛石磨粒層之間具有多層網狀激光釬焊層，即形成了空隙結合劑結構，實現了完整的激光釬焊多層磨粒金剛石工具的制備，延長了單層釬焊金剛石砂輪工具的使用壽命。

（5）本發明的技術方案中，激光釬焊利用激光加熱使得金屬釬料結合劑在金剛石磨粒、基體金屬之間發生擴散、冶金化合反應，得到富含碳化物的過渡層，從而相比于非金屬結合劑，激光釬焊金屬釬料結合劑提高了基體對金剛石顆粒的把持力，從根本上改善了磨料、結合劑、基體三者間的結合強度。

（6）本發明的技術方案中，激光釬焊系統極易與現代數控裝置匹配，可以實現全方位自動化柔性釬焊加工，大大提高生產效率。金剛石砂輪釬焊方法無需釬劑，對環境友好。

（7）本發明的技術方案中，采用氮氣作為霧化噴射氣體和金剛石顆粒輸送氣體，對釬焊熔池具有較好的冷卻效果，進一步降低金剛石磨粒的熱損傷。

附圖說明

圖1是本發明實施例中單層金剛石磨粒激光燒結宏觀示意圖。

圖2是本發明實施例中單層金剛石磨粒激光燒結局部示意圖。

圖3是本發明實施例中第一層薄網狀釬焊層激光燒結宏觀示意圖。

圖4是本發明實施例中第二層金剛石磨粒層激光燒結宏觀示意圖。

圖5是本發明實施例金剛石工具局部截面示意圖。

圖中：1-基體、2-凝固的釬焊縫、3-金剛石磨粒、4-激光束、5-同軸噴嘴、6-激光釬焊工作頭、7-送粉管、8-釬焊料、9-粉斗、10-送粉器、11-料斗、12-控制器、13-送料器、14-真空室、15-真空發生器、16-送料管、17-輸送氣體入口、18-霧化氣體入口、19-噴槍、20-網狀激光釬焊層、21-同軸保護氣體、22-釬焊熔池、31-第一層金剛石復合層、32-第二層金剛石復合層、33-第三層金剛石磨粒層。

具體實施方式

以下將結合附圖1-5對本發明實施例的技術方案進行詳細說明。

如圖1所示，本實施例使用的設備主要包括激光釬焊系統和噴射系統。

噴射系統包括依次相連的送料器料斗11、送料器13（本實施例采用螺旋桿送料器）、真空室14、送料管16、噴槍19。送料器13還接有控制器12，真空室14接有真空發生器15，真空發生器15設有輸送氣體入口17，噴槍19設有霧化氣體入口18。

激光釬焊系統包括激光發生器（未圖示）、送粉裝置及與激光發生器相連的激光釬焊工作頭6，激光釬焊工作頭6外圍設有同軸噴嘴5，送粉裝置包括依次相連的粉斗9、送粉器10、送粉管7，送粉管7與同軸噴嘴5相連。

激光釬焊工作頭6與噴槍19固定在一起，且兩者之間成一夾角，焊接過程中兩者同時移動。激光釬焊系統與數控裝置配合，可以實現金剛石磨粒的有序排布。

如圖1、圖2所示，真空發生器15通過負壓吸金剛石磨粒3，用輸送氣體氮氣經送料管16將金剛石磨粒3輸送到噴槍19，再由霧化氣體氮氣將金剛石磨粒3從噴槍19噴入釬焊熔池22中，快速冷卻后形成凝固的釬焊縫2，最后得到一層金剛石磨粒層。

接下來，如圖3所示，調小送粉器10的送粉量，調低激光功率，關閉送料器13，激光束4熔化同軸釬焊料8，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動，在一層金剛石磨粒層上表面形成薄的網狀激光釬焊層20。

如圖4、圖5所示，重復上述步驟，直至在所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網狀激光釬焊層20覆蓋金剛石磨粒2形成金剛石復合層，再用上述同樣的方法可最后制得多層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石。

該實施例提供了一種金剛石工具的增材制造方法，其步驟包括。

步驟1：提供金剛石工具基體1，具體為利用機械加工的方法制備金剛石工具的基體，對基體表面進行除銹，拋光打磨后，再用有機溶劑進行清洗。

該步驟中：金剛石工具的基體1材質為45鋼。

步驟2：提供上述噴射系統。

步驟3：提供金剛石磨粒，采用濃度為8%的稀硫酸對金剛石磨粒3進行清洗并用去離子水漂洗后烘干，再將所述金剛石磨粒3置于送料器料斗11中。

該步驟中：金剛石大小為規格為25~55目。

步驟4：提供上述激光釬焊系統。

步驟5：將釬焊料8置于送粉器粉斗9中。

該步驟中：釬焊料為鎳基釬料。

優選地，將稀土元素鑭和鈰以200：1混合經高能球磨處理15小時后得到的混合粉末，加入鎳基釬料中，可以明顯改善釬焊料8與金剛石磨粒3之間界面的浸潤性，加快釬焊料8與金剛石磨粒3的界面反應過程。

步驟6：將激光釬焊工作頭與噴槍對準金剛石工具基體表面，且使得噴槍19與金剛石工具基體表面所成夾角α為30°~75°（如圖2所示）。

步驟7：啟動激光釬焊系統，打開控制同軸保護氣體21的同軸保護氣體閥門，開啟送粉器10，釬焊料8送到金剛石工具基體1表面，激光釬焊工作頭6產生的聚焦激光束4輻照金剛石工具基體1表面，激光束4熔化同軸釬焊料8，形成激光釬焊熔池22，開啟送料器13，金剛石磨粒3經噴槍19噴射到激光釬焊熔池22，激光釬焊熔池22冷卻后形成凝固的釬焊縫2，將金剛石磨粒3焊接固定于金剛石工具基體1表面，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動，完成一層釬焊過程,得到一層金剛石磨粒層。

該步驟中：所述激光束4為光纖激光，碟片激光，nd:yag激光或半導體激光器。激光束功率為600~1000w。噴射到釬焊熔池的金剛石磨粒3與激光束4中心保持一定距離δ，其中距離δ為0.2~5mm。金剛石磨粒3以速度為0.1～10m/min經噴槍19噴射到釬焊熔池22。其中霧化氣體為氮氣，氮氣氣壓為0.5~1.5mpa。輸送氣體為氮氣，氮氣氣壓為0.1~1mpa。同軸保護氣體21為氬氣。

步驟8：調小送粉器10的送粉量，調低激光功率，關閉送料器13，激光束4熔化同軸釬焊料8，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動，在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成薄的網狀激光釬焊層20。

步驟9：重復上述步驟8，直至在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網狀激光釬焊層20覆蓋金剛石磨粒3形成金剛石復合層。

步驟10：重復上述步驟7~9，獲得n-1層激光釬焊金剛石復合層。

步驟11：重復上述步驟7，獲得第n層激光釬焊金剛石磨粒層，完成激光釬焊過程，制得具有n層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石工具。

該步驟中，n為需要制備的金剛石工具的磨粒層數量。

該技術方案除用于制造多層金剛石砂輪外，還可用于制作其他多層金剛工具，如磨盤、鉆頭等。

如圖5所示，通過上述增材制造方法制得的金剛石工具，包括金剛石工具基體1，基體1上設有n層結構，第1層31到第n－1層32為復合層，第n層33為金剛石磨粒層。

金剛石復合層包括一層金剛石磨粒層以及覆蓋金剛石磨粒的多層薄網狀激光釬焊層20，每一金剛石磨粒層包括釬焊縫2以及嵌設于釬焊縫2中的金剛石磨粒3。

第一層31釬焊于基體1表面，第二層至第n－1層32依次釬焊于上一層表面，第n層33釬焊于第n－1層金剛石復合層32表面。

本實施例中，釬焊縫材質為鎳基釬料，還包括重量百分比為200：1的稀土元素鑭和鈰。