本發明涉及超硬磨料工具制備領域，特別是一種基于保護涂層的釬焊超硬磨料工具制備方法。
背景技術：
超硬磨料是指以人造金剛石、立方氮化硼等為代表的硬度極高的磨料，主要應用于金屬或非金屬材料的加工中，包括切割、鉆削和磨削加工。
釬焊是指利用一定成分的焊料填充于母材之間，通過一定方式加熱，使得焊料熔化，從而將母材牢固連接在一起的工藝。釬焊超硬磨料即利用合金焊料熔化，并且可以與超硬磨料以及基體之間發生化學冶金發應，從而將兩者牢固地連接在一起。
常用的合金焊料包括：鎳基合金焊料、銅基合金焊料、銀基合金焊料等三大焊料體系。對超硬磨料的釬焊已有幾十年的歷史，目前已可以較好地對人造金剛石、立方氮化硼進行釬焊。并依據此原理制備了系列超硬磨料工具，廣泛應用于石材、金屬、復合材料等領域。
目前將超硬磨料焊接于基體表面的工藝已出現多種，目前的方法均涉及到超硬磨料磨粒與焊料的排布以及順序，如先排布超硬磨料，再布灑合金焊料顆粒，又如先排布合金焊料，再布灑超硬磨料，又如將合金焊料攪拌成膏狀后先涂抹于基體上，再布灑超硬磨料。
上述方法所制備的工具多應用于真空釬焊或保護氣體環境中進行釬焊。采用保護氣氛釬焊，主要有如下三個方面的原因。
1.可以有效保護高溫下超硬磨料的性能，包括硬度、抗氧化能力等。以金剛石為例，其在750度的空氣中即可發生石墨化，若無保護環境，極易使超硬磨料喪失原有性能。
2.保護環境亦可保護合金焊料粉末不受空氣中成分的影響，如銅基合金焊料受空氣中的氧氣、氮氣的影響，因此在釬焊時需要采用真空或氬氣保護氣氛，這種保護措施雖然有效保證了釬焊性能，但也極大地提高了釬焊成本，由于采用真空環境，增加的抽真空設備較無真空設備成本高一倍不止，保護氣氛需要在整個釬焊過程中存在，極大增加了焊接成本。
3.采用保護環境釬焊，鋼基體表面的氧化程度可以減少至最小。但由于不參加加工的工具鋼基體表面對氧化程度基本無要求，因此此部分可以盡量保證焊接區域的鋼基體表面不氧化即可。
由于高真空設備價格昂貴，保護氣體成本較高，使得超硬磨料釬焊工具成本居高不下，雖然在性能上已優于電鍍超硬磨料工具，但由于制備工藝的復雜與昂貴，使得釬焊超硬磨料工具未在優勢領域完全取代電鍍工具以及樹脂工具。
因此，如何采用一定的保護措施，使得超硬磨料、合金焊料、基體不受空氣中氧、氮等成分的影響，成為降低釬焊成本，提高生產效率的關鍵。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種基于保護涂層的釬焊超硬磨料工具制備方法，該基于保護涂層的釬焊超硬磨料工具制備方法通過提供一種保護涂層，在無需真空環境或保護氣氛環境，僅需提供熱源與加熱腔的情況下，即可制備出性能優良的釬焊超硬磨料工具。
為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
一種基于保護涂層的釬焊超硬磨料工具制備方法，釬焊超硬磨料工具包括工具基體和釬焊在工具基體表面的超硬磨料，制備方法包括如下步驟。
步驟1，清理工具基體表面：將工具基體表面進行除銹、除油清理。
步驟2，布料：清理完成后，在工具基體表面需要釬焊超硬磨料區域進行排布超硬磨料與合金焊料；排布有超硬磨料與合金焊料的工具基體表面稱之為布料區域。
步驟3，添加保護涂層:在步驟2中布料區域的頂部添加保護涂層；保護涂層是由粘合劑將保護顆粒均勻粘附在布料區域上形成；粘合劑為粘結劑和稀釋劑配比形成的混合物；保護顆粒的粒徑為120目~2000目；當溫度不超過1040°時，保護顆粒不與超硬磨料、合金焊料、空氣、粘結劑以及稀釋劑發生化學反應。
步驟4，將添加有保護涂層的工具基體送至加熱腔，進行釬焊加熱，釬焊加熱溫度不高于1040℃。
步驟5，去除保護涂層：釬焊完成后，去除表面保護涂層，即得到超硬磨料釬焊工具。
所述步驟3中，保護涂層的添加方式為：先將粘結劑與稀釋劑按體積比1:1~1:15將保護顆粒均勻混合，攪拌形成膏狀保護顆粒；然后在布料區域表面涂覆一層膏狀保護顆粒，形成保護涂層。
所述步驟3中，保護涂層的添加方式為：先將粘結劑與稀釋劑按體積比1:1~1:15混合后噴灑在布料區域上，再將保護顆粒均勻布灑；然后再噴灑粘結劑與稀釋劑的混合物，接著再將保護顆粒均勻布灑，并重復以上過程，重復次數根據制備的超硬磨料工具粒度大小、焊接區域大小、合金焊料成分進行綜合確定。
所述步驟3中的保護顆粒為二氧化鈦、氧化鋁、氧化硅、大理石、石英和螢石的一種或多種。
所述步驟4中，釬焊加熱為電阻加熱，電阻加熱的加熱曲線包括緩慢加熱排氣階段、穩定升溫階段、保溫階段和降溫階段；其中緩慢加熱排氣階段的加熱溫升速率不高于12°/分鐘，穩定升溫階段的加熱溫升速率不高于20°/分鐘，保溫階段的保溫時間不超過120分鐘，降溫階段的降溫速率不高于35°/分鐘。
所述步驟4中，釬焊加熱為感應加熱，感應加熱時的升溫時間不低于120秒，保溫時間不低于30秒。
所述超硬磨料為人造金剛石、立方氮化硼、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼中的一種；超硬磨料的粒度在1目~300目之間。
所述步驟2中的合金焊料為鎳基合金或銀基合金或銅基合金，且合金焊料中含有鈦元素或鉻元素。
所述步驟3中，稀釋劑的揮發溫度低于280°，且稀釋劑在揮發前不與超硬磨料、合金焊料、工具基體以及保護顆粒發生化學反應。
所述步驟3中，粘結劑的揮發溫度低于550度，且粘結劑在揮發前不與超硬磨料、合金焊料、工具基體以及保護顆粒發生化學反應。
本發明采用上述方法后，通過保護涂層的添加，由于保護涂層中的保護顆粒較細，故在粘結劑與稀釋劑成分揮發后，仍然能夠形成致密的保護殼層，以阻隔空氣中的氧與氮等成分與超硬磨料或合金焊料成分反應。此外，高溫的加熱腔具有膨脹的趨勢，能使得空氣成分不易進入加熱腔，上述效果能夠實現超硬磨料工具釬焊時無保護氣氛或真空環境，有效地降低了設備成本，并提高了加熱速率與生產效率，有利于降低產品成本，提高產品競爭力。
具體實施方式
下面就具體較佳實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
釬焊超硬磨料工具包括工具基體和釬焊在工具基體表面的超硬磨料。所述超硬磨料優選為人造金剛石、立方氮化硼、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼等中的一種；超硬磨料的粒度在1目~300目之間。
一種基于保護涂層的釬焊超硬磨料工具制備方法，包括如下步驟。
步驟1，清理工具基體表面：將工具基體表面進行除銹、除油清理。
步驟2，布料：清理完成后，在工具基體表面需要釬焊超硬磨料區域進行排布超硬磨料與合金焊料；排布有超硬磨料與合金焊料的工具基體表面稱之為布料區域。
上述合金焊料優選為鎳基合金或銀基合金或銅基合金等，且合金焊料中含有鈦元素或鉻元素，因而能在一定溫度下不與超硬磨料發生化學冶金反應。
步驟3，添加保護涂層:在步驟2中布料區域的頂部添加保護涂層；保護涂層是由粘合劑將保護顆粒均勻粘附在布料區域上形成。
粘合劑為粘結劑和稀釋劑配比形成的混合物。
上述保護顆粒優選為二氧化鈦、氧化鋁、氧化硅、大理石、石英和螢石等的一種或多種。
保護顆粒的粒徑為120目~2000目；當溫度不超過1040°時，保護顆粒不與超硬磨料、合金焊料、空氣、粘結劑以及稀釋劑發生化學反應。
上述稀釋劑的揮發溫度優選低于280°，且稀釋劑在揮發前不與超硬磨料、合金焊料、工具基體以及保護顆粒發生化學反應。
上述粘結劑的揮發溫度優選低于550度，且粘結劑在揮發前不與超硬磨料、合金焊料、工具基體以及保護顆粒發生化學反應。
上述保護涂層的添加方式優選具有如下兩種方式，使用時根據需要進行選擇。
第一種方式：先將粘結劑與稀釋劑按體積比1:1~1:15將保護顆粒均勻混合，攪拌形成膏狀保護顆粒；然后在布料區域表面涂覆一層膏狀保護顆粒，形成保護涂層。
第二種方式：先將粘結劑與稀釋劑按體積比1:1~1:15混合后噴灑在布料區域上，再將保護顆粒均勻布灑；然后再噴灑粘結劑與稀釋劑的混合物，接著再將保護顆粒均勻布灑，并重復以上過程，重復次數根據制備的超硬磨料工具粒度大小、焊接區域大小、合金焊料成分進行綜合確定。
步驟4，將添加有保護涂層的工具基體送至加熱腔，進行釬焊加熱，釬焊加熱溫度不高于1040℃。
當將添加有保護涂層的工具基體送進加熱腔之前，加熱腔可以加熱，也可以不加熱。當加熱腔加熱時，加熱腔內的溫度不高于粘結劑的揮發溫度。工具基體送入加熱腔后，再進行釬焊加熱。
釬焊加熱的方式有多種，如電阻加熱、感應加熱或激光加熱等方式，加熱腔根據實際需求進行設計。
下面就兩種主要釬焊加熱方式進行詳細說明：
方式一：當為電阻加熱時，電阻加熱的加熱曲線優選包括緩慢加熱排氣階段、穩定升溫階段、保溫階段和降溫階段；其中緩慢加熱排氣階段的加熱溫升速率不高于12°/分鐘，穩定升溫階段的加熱溫升速率不高于20°/分鐘，保溫階段的保溫時間不超過120分鐘，降溫階段的降溫速率不高于35°/分鐘。
方式二：當為感應加熱時，感應加熱時的升溫時間優選不低于120秒，保溫時間不低于30秒。
步驟5，去除保護涂層：釬焊完成后，去除表面保護涂層（去除方式最好提及下），即得到超硬磨料釬焊工具。另外，保護涂層中的保護顆粒由于性質穩定，因此在焊后可以進行收集，重復利用，極大降低了生產成本。
下面以兩種優選實施例對上述制備方法進行詳細的闡述。
實施例1
一種用于打磨鑄件表面毛刺的鎳基釬焊金剛石磨盤，其規格為125mm。
制備參數：超硬磨粒為粒徑為35目的金剛石；合金焊料采用鎳基合金焊料，其主要成分為：鎳-鉻-硼硅，合金焊料的粒度為40目。釬焊時，要求超硬磨粒出露高，無合金焊料包覆，超硬磨料焊后損傷小。
具體制備方法如下：
步驟1，金剛石磨盤去油、噴砂去銹處理。
步驟2，清理完成后，在待焊區域刷涂一層粘合劑，該粘合劑由粘結劑與稀釋劑按體積比1: 2配制。接著，在刷涂有粘合劑的待焊區域布灑金剛石和鎳基合金焊料，形成布料區域。
步驟3，先將乙醇與純凈水按1:7.5體積比混合形成混合物，其中乙醇為粘結劑。然后將形成的混合物與保護顆粒按1:5比例進行混合，調制成膏狀保護顆粒，保護顆粒采用二氧化鈦粉末，其粒度600目。接著，將膏狀保護顆粒用細毛軟刷涂覆于金剛石與鎳基合金焊料表面，用量為每平方厘米2~6g之間。
步驟4，將步驟3制備的金剛石磨盤在加熱箱中加熱，最高溫度不超過1020度，保溫15分鐘，爐冷。
步驟5，待冷卻到室溫后，去除表面二氧化鈦粉末即可得到所要制備的磨盤。另外，二氧化鈦粉末收集后待下次使用。
實施例2
制備一款鉆削高硬陶瓷的釬焊金剛石孔鉆，要求鉆削鋒利，效率高。也即，超硬磨料為金剛石，且其粒度為50目。金剛石孔鉆的規格為10mm。
由于鉆頭外徑小，尺寸精度要求較高，且鉆削要求鋒利，金剛石應能盡量出露。具體制作方法，包括如下步驟：
步驟1，金剛石鉆頭整體噴砂去銹。
步驟2，布料。
將粘結劑與稀釋劑按1:4混合，并與300目的鎳基合金粉末混合均勻成膏狀。
將膏狀鎳基合金涂抹于金剛石鉆頭頂端與內外側面，保證涂抹均勻。然后將50目的金剛石布灑于膏狀鎳基合金表面，并保證布灑均勻。
步驟3，添加保護層。
第一步，將粘結劑與稀釋劑按1：10混合形成粘合劑，將該粘合劑在步驟2中布灑有金剛石的金剛石鉆頭表面噴灑一層。
第二步，布灑600目的二氧化鈦粉末。
重復第一步和第二步驟兩次。
步驟4，利用感應釬焊加熱，感應頻率600KHz，加熱時間160秒，保護時間30秒。
步驟5，釬焊后除去表面保護涂層，即可得到所要的鉆頭；然后保護涂層回收待用。
以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。