如何写钎焊金刚石砂轮机构设计开题报告
金刚石的高硬度和优异的物理机械性能使金刚石工具成为加工各种硬质材料不可缺少的有效工具。胎体金属胎体对金刚石的附着力(胎体的嵌入能力)是影响金刚石工具使用寿命和性能的主要因素之一。
由于金刚石与一般金属和合金的界面能较高，金刚石颗粒不能被一般低熔点合金渗透，附着力很差。在传统制造技术中，金刚石颗粒仅通过胎体冷缩产生的机械夹紧力嵌入胎体金属胎体中，没有形成牢固的化学键或冶金结合，导致金刚石颗粒在工作中容易与胎体金属胎体分离，大大降低了金刚石工具的使用寿命和性能水平。大部分孕镶工具中金刚石的利用率较低，大量昂贵的金刚石在工作过程中脱落，流失在废屑中。林增东等人率先利用金刚石表面金属化技术，赋予金刚石表面许多新的特性，如优异的导热性和热稳定性，改善其原有的物理化学性能，提高其对金属或合金溶液的润湿性。
自20世纪70年代以来，金刚石表面金属化问题引起了国内外金刚石工具制造界的极大关注。许多人致力于在烧结过程中实现金刚石表面金属化的研究，在胎体材料中添加或预附着强碳化物金属粉末(这种金刚石在加热前不与涂层发生反应，只属于金刚石涂层)，以期在烧结过程中实现与金刚石的化学键合。虽然文献已经论证了某些金属如钨(未氧化)在低温下(800℃左右)可以在金刚石表面形成WC层，但是从用来实现金刚石表面预金属化的工艺来看，需要在真空下600℃以上加热1小时才能获得理想的结合力。根据目前常用的孕镶金刚石刀具的烧结条件，在非真空或低真空条件下，900℃加热5分钟左右，金刚石表面不太可能形成金属化层。因为既富集了活性金属原子(Ti、V、Cr等。)以及粘合剂和金刚石之间通过界面反应的冶金结合是原子扩散过程，根据热压所用的温度和如此短的时间，该过程是非常不充分的。在固相烧结的条件下(有时有少量强度和熔点较低的金属或合金液体)，胎体对金刚石的化学键合或冶金结合力很弱或根本不会形成。
金刚石表面预金属化不是最终目的，只是实现与基体金属化学冶金结合的措施之一。涂层金刚石烧结成锯(钻)齿后，所有暴露在断面上的金刚石失去涂层，金刚石脱落的残坑表面非常光滑。这一现象似乎表明金刚石和基体还没有达到化学包覆的水平。因此，即使实现了金刚石的表面预金属化，传统的固态粉末冶金烧结法也不可能实现金刚石与胎体材料的牢固结合。
80年代末，人们开始探索金刚石工具的钎焊技术。一些过渡族元素(如Ti、Cr、W等。)镀在金刚石表面，并与其发生化学反应，在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂和胎体可以通过钎焊实现固态化学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是金刚石钎焊的原理。从公布的专利和文章中可以看出，该技术可以使金刚石的最大边缘值达到颗粒尺寸的2/3，提高刀具寿命3倍以上，而常规值不到1/3，因此在切削操作达到稳定边缘值时就可以得到允许的边缘值。因此，钎焊技术有望实现基体金属(焊料)与基体材料——金刚石和钢基体之间的牢固结合。
2.钎焊金刚石工具的研究现状
目前，钎焊制作金刚石(或立方氮化硼)工具已成为热门技术，但仅限于单层工具，实现多层“浸渍”尚无成果。国外对钎焊技术的研究始于20世纪80年代末，但由于工作复杂，其应用仅限于单层工具。国内对高温钎焊技术的研究起步较晚，与发达国家相比，研究的广度和深度还远远不够，所以目前进展很慢，但随着中国加入WTO，研究的步伐必将逐步加快。
国外(1)高温钎焊金刚石工具的研究现状
瑞士的AKChattopadhyay等人用火焰喷涂法(氧-乙炔炬)在工具钢基体上镀上焊料合金(72%Ni，14.4%Cr，3.5%Fe，3.5%Si，3.35%B，0.5%O2)，并在焊料表面布置金刚石(未涂覆)布。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素，在钎焊过程中富集到金刚石表面，实现金刚石表面金属化。
Wiand等人在美国专利中介绍的方法是:加入钎料(Ni-Cr)金属粉末和有机粘结剂制成钎料涂料，将涂覆的金刚石粘附在工具钢基体上，然后涂覆钎料涂料，再加热到适中的温度并保持一定时间，以消除挥发性物质。在真空炉(真空度1.333×10-2Pa)或干氢炉中加热至约1100℃，保温1小时，钎焊的同时完成金刚石表面金属化。
在一些专利中，镍铬合金钎料也用于钎焊，钎料还包括Fe、B或Si、Mo等。如文献[14]中采用含Si或Si和Ti的镍铬合金钎料在真空炉中实现钎焊，钎焊温度为1126 ~ 1176℃；文件[15]采用含W、Fe、Cr、B、Si的铜基钎料钎焊金刚石砂轮；文献[16]使用Ag-Mn-Zr银基钎料钎焊金刚石工具，从而替代电镀工具。
德国ATrenker等人在钎焊过程中分别使用镍基活性钎料和镍基钎料实现金刚石与胎体的结合。对比电镀工具可以看出，高温钎焊金刚石工具的性能要比电镀金刚石工具好得多。钎焊工具(使用活性钎料和PDA989、PDA665金刚石)的初始磨削性能是电镀工具(镍基钎料和PDA665金刚石)的3.5倍以上，使用寿命是电镀工具的3倍以上。由于钎焊工具容屑空间大，金刚石磨粒的自由切削面大，磨粒之间的空间大，切屑容易被去除，因此钎焊金刚石工具的磨削性能好。
(2)国内高温钎焊金刚石工具的研究现状。
在国内外钎焊金刚石研究的基础上，第四军医大学和Xi交通大学采用真空炉(真空度为0.2Pa)高温钎焊的方法，以NiCr13P9合金为钎料，添加少量Cr粉，在高温(950℃)、压力(4.9MPa)下钎焊，实现了金刚石与钢基体的牢固结合。钎料均匀分布在砂轮表面，金刚石已经钎焊牢固，摸砂轮表面感觉又尖又粗糙。钎料均匀分布在金刚石磨粒之间，金刚石切削刃高度高。其耐用度较电镀砂轮明显提高，工作后只有少量金刚石脱落。
南京航空航天大学的萧冰采用了高频感应钎焊的方法。采用Ag-Cu合金和Cr粉末作为中间层材料，在780℃空气中感应钎焊35s，实现了金刚石与钢基体的牢固结合。姚正军等人采用Ar气保护炉感应钎焊的方法，以镍铬合金粉为钎料，真空感应钎焊30秒，钎焊温度为1050℃，实现了金刚石与钢基体的牢固连接。利用扫描电镜和X射线能谱仪，结合X射线衍射结构分析，发现钎焊过程中在金刚石界面形成富铬层，富铬层与金刚石表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，这是合金层与金刚石之间达到高结合强度的主要因素。进行了大切削深度、慢进给、大载荷的磨削试验。从砂轮磨削后的表面形貌来看，金刚石没有整体脱落，金刚石磨粒正常磨损，说明金刚石具有较高的握持强度，适合高效磨削。
台湾省中国砂轮公司(KNIK。Inc)推出单层均匀金刚石高温钎焊珠，在不降低其使用寿命的情况下，降低了50%的金刚石用量，切削速度提高了2倍。
在国内外研究的基础上，作者课题组采用Ni82CrBSi合金片状钎料，在钎料片上均匀分布金刚石，从而在低真空热压烧结炉中实现钎焊，并对钎焊金刚石工具进行了初步研究，探索了如何将钎焊技术应用于孕镶工具。从优化金刚石在胎体中的排列方式、金刚石粒度和浓度等静态结构参数和有效金刚石数量、金刚石间距等动态参数入手，实现单层金刚石在横向平面上的有序排列，再通过堆垛法使工作层中的金刚石在纵向方向上交错排列，从而实现金刚石的连续工作能力。为了测试胎体的金刚石镶嵌能力，特制了表面镶嵌金刚石钻头，进行了五次切削实验，测得了其最大平均切削值。通过测试钎焊单层刀具的金刚石刃口高度(金刚石为45/50目)，发现最大刃口值可达70%以上。可见钎焊技术可以大大提高金刚石与胎体的结合强度。用金刚石钻头(φ63mm)进行的钢筋混凝土钻孔模拟实验表明，钻头在牙齿磨损近2 mm时仍能工作，理论上有两层金刚石参与了工作，这似乎表明可以实现“浸渍”，具体应用技术仍在进一步研究中。
3.钎焊技术在金刚石工具应用中的问题。
金刚石钎焊有许多难点亟待解决:①要求钎料对金刚石和胎体有良好的润湿性和结合强度；(2)钎料和钎焊工艺的选择应保证金刚石的稳定性，以减少或避免钎料对金刚石的侵蚀；(3)由于金刚石与金属基体的热膨胀系数相差很大，焊接残余应力也很大，降低了接头的强度；(4)钎料的熔点高于金刚石工具的工作温度，应寻找一种熔点较低、接近金刚石膨胀系数的金属(合金)材料作为钎料，再考虑添加一些活性元素，提高对金刚石的润湿性和亲和力，以达到粘结金刚石和满足胎体力学性能的目的。此外，金刚石表面金属化的实现方式、表面金属与焊料的匹配与选择、焊料与气体介质的选择等关键技术也需要进一步成熟和优化。
金刚石工具的使用效率和使用寿命不仅取决于金刚石磨粒嵌入的牢固程度，还取决于胎体的耐磨性。胎体本身的强度，金刚石在胎体中的分布，金刚石的浓度都会影响胎体的耐磨性，所以如何使胎体达到理想状态也是今后工作中值得关注的问题。
4.结论
钎焊技术可以实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面的化学冶金结合，结合强度高。由于界面上的结合强度很高，仅很薄的结合剂厚度就足以牢牢地托住磨粒，其暴露高度可达70% ~ 80%，使磨料得到更充分的利用，大大提高了工具的使用寿命和加工效率。与传统工艺相比，金刚石工具的允许最大刃口值可提高50%以上，在不增加或减少工具功耗的情况下，单位体积工件材料的金刚石消耗量可减少一半以上。与电镀工具相比，也显示出无可比拟的优势。总之，钎焊技术在金刚石工具制造过程中具有良好的发展前景，应尽快实现产业化。