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金刚石磨粒激光钎焊工艺与机理研究

杨志波  
【摘要】: 具有优化地貌的高温钎焊单层金刚石工具具有磨粒出露高、容屑空间大、基体对金刚石磨粒把持强度高以及高的锋利度、高的磨削效率和磨料利用率等特点,在难加工材料高效、重负荷加工中已显示出传统金刚石工具无法比拟的优异性能。它们各有自己的优势和适用范围,同时,也各有自己的不足和工艺局限性。从长远看,在钎焊工具的制作领域,它们都还有自己进一步完善和发展的空间。本文在借鉴炉中钎焊和高频感应钎焊已取得的研究成果的基础上,通过对激光与材料相互作用的原理和特点的深入分析,提出采用CO2激光作为热源,高温钎焊金刚石工具的设想,试图为金刚石钎焊开辟一条新的途径。 本文完成的研究工作主要包括: (1)与试验用激光加工设备配套,设计、研制成功了专用的工艺试验平台(装置),该平台可在激光头与工件配合移动的条件下,在提供完善的氩气保护氛围的同时,实施对工具基体表面金刚石磨粒的选择性扫描钎焊。配置在该试验平台上的热电测温系统具有对基体表面温度的瞬时响应能力,可跟踪记录激光钎焊时试样表面温度的动态变化。此项工作为激光钎焊金刚石磨粒的工艺研究奠定了基础。 (2)利用已研制成功的工艺试验平台和在若干简化假设条件下建立起来的数学模型,完成了激光钎焊时试样表面(层)温度的实验测试与仿真研究。此项研究的结果对优化确定激光钎焊的用量组合条件有重要的意义。 (3)按照优化获得的用量参数范围选择一组用量组合条件,在国内外率先采用Ni-Cr钎料激光钎焊金刚石磨粒取得了成功。采用三维体视显微镜、扫描电镜、EDS能谱仪和X射线衍射仪对钎焊金刚石试样进行形貌观察和理化分析。结果证明:Ni-Cr合金钎料对金刚石磨粒的浸润爬升效果良好,钎焊过程中钎料中的活性元素Cr向金刚石表面扩散、富集,生成了层片状碳化物Cr3C2;在钎料与钢基体结合界面上Ni-Cr合金和钢基体中的元素相互扩散形成化学冶金结合,从而实现了金刚石磨粒与基体的牢固连接。运用激光拉曼光谱和扫描电镜对热应力、石墨化和化学侵蚀等热损伤现象进行了深入研究,结果表明,只要采用合适的钎焊工艺,可在磨料不受热损伤的前提下确保其界面获得理想的高性能结合把持强度。 (4)成功制备出国内外第一块激光钎焊的金刚石固结磨料砂轮,加工性能试验表明:金刚石磨粒在磨削过程中基本上为正常磨损,无磨粒脱落现象。


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