專利名稱：金屬單層磨具及其制造方法
本申請是申請日為1997年8月27日、申請?zhí)枮?7197573.6的中國專利申請的分案申請。
本發(fā)明涉及將磨粒粘附在磨具內(nèi)芯上的粘結(jié)劑。更具體地說，本發(fā)明涉及一種能容易地被除去以便重復(fù)使用內(nèi)芯的粘結(jié)劑。本發(fā)明還涉及一種金屬單層磨具以及該磨具的制造方法。
工業(yè)磨具常包括粘附在硬性內(nèi)芯上的硬材料磨粒。可人力或動力驅(qū)動該內(nèi)芯，使之與工件運(yùn)動接觸，將工件研磨、切削、拋光或磨削成所需的形狀。磨粒常用稱為粘結(jié)劑的材料粘附在內(nèi)芯上。
持續(xù)使用后磨具的切削能力常會下降。結(jié)果，磨具完全磨損，難以進(jìn)一步使用。在這種情況下，應(yīng)用新的磨具替換磨損的磨具。切削能力的下降常歸因于例如磨粒過度鈍化和損耗這些原因。在與工件接觸時(shí)粘結(jié)劑磨損或破裂會損耗磨粒。在許多情況下，僅磨粒和粘結(jié)劑受磨損的影響，而內(nèi)芯基本保持完整。
在某些用途(如建材的研磨和切削)中替換磨損的磨具的需求是重要的。要切削的材料通常包括金屬、天然石材、花崗巖、混凝土和陶瓷。這些材料會較快地磨損磨具，甚至?xí)^快地磨損摻有超級磨粒(如金剛石和立方氮化硼(“CBN”))的最耐久的磨具。另外，建材磨具通常十分巨大。用于切削瀝青、混凝土和其它道路材料的磨輪具有高達(dá)數(shù)英尺的直徑是常見的。替換這種磨具的費(fèi)用是十分高的。
為了降低替換費(fèi)用，通常可以修復(fù)從磨損磨具上回收的內(nèi)芯。這一般通過除去內(nèi)芯上殘余的粘結(jié)劑和磨粒、修復(fù)內(nèi)芯上的非實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)缺陷并施加磨粒和粘結(jié)劑的新切削表面來完成。從回收的磨具上除去粘結(jié)劑和磨粒有時(shí)被稱為剝離。
還可使用許多技術(shù)(如沖刷和加熱)來剝離回收的內(nèi)芯。通常組合使用化學(xué)方法和電化學(xué)方法來剝離使用金屬粘結(jié)劑的磨具。也就是說將磨具浸漬在能選擇性地腐蝕粘結(jié)劑組分的化學(xué)品浴中?？墒┘雍线m的電壓以進(jìn)一步通過逆向電鍍從內(nèi)芯上剝離粘結(jié)劑。
在開發(fā)用于所謂的金屬單層(“SL”)型磨具的粘結(jié)劑時(shí)內(nèi)芯的剝離性能特別重要，盡管這對于許多磨具類型也是重要的。SL磨具主要是將粘結(jié)材料釬接糊料的薄涂層施涂在內(nèi)芯的切削表面上形成的。通常將磨粒逐一地放置或?yàn)⒃诤仙?。最后，通過熱處理釬接糊料，形成金屬合金粘結(jié)劑。
鎳已作為傳統(tǒng)的粘結(jié)劑用于電鍍磨具上，它能容易地從內(nèi)芯上剝離。但是，鎳電鍍粘結(jié)劑不很適用于SL磨具，因?yàn)檫@種粘結(jié)劑一般需要用電鍍浴涂覆在內(nèi)芯上。電鍍浴使用分散在電鍍液中的大量磨粒。在高性能用途中，磨粒通常是金剛石或CBN，這使得電鍍液過分昂貴，難以維持?；蛘?，可釬接含鎳粘結(jié)劑，但這需要很高的溫度，通常最好高于1000℃。所述溫度會使金剛石石墨化，甚至?xí)鼓承┍〗孛娴慕饘賰?nèi)芯變形。
在SL磨具的粘結(jié)劑領(lǐng)域中漸漸推廣使用含鈦合金。Wesgo，Inc.of Belmont，California提供一種商品名為Ticusil的粘結(jié)劑，它是銅-銀類低共熔混合物，含4.5重量％鈦。盡管這種產(chǎn)品提供了容易剝離的粘結(jié)，但是由于含銀使之較貴，并且其使用性能適中。含鈦的銅粘結(jié)劑公開在DE-A1-37 19966上。
一種較好的含鈦SL粘結(jié)劑合金的組成為70 Cu/21 Sn/9 Ti(重量％)。但是這種粘結(jié)劑不容易用化學(xué)和電化學(xué)方法剝離。認(rèn)為含Cu/Sn/Ti的粘結(jié)劑組合物不易剝離的原因在于(a)粘結(jié)劑中含錫金屬間的相能耐剝離化學(xué)品的腐蝕，(b)形成Ti/Fe/Cu/Sn金屬間相，它使粘結(jié)劑牢固地與內(nèi)芯粘合。錫和鈦是合金的熔點(diǎn)抑制劑，在釬接過程中鈦與碳反應(yīng)，從而有利于使熔融的粘結(jié)劑濕潤金剛石磨粒。因此，簡單地減少組合物中錫和鈦的含量以改進(jìn)剝離性是難以接受的。
最需要的是用于將超級磨粒釬接在SL磨具上的Cu/Sn/Ti粘結(jié)劑。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種磨具用可除去的粘合劑；本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種所述粘合劑的制備方法；本發(fā)明再一個(gè)目的是提供所述粘合劑的用途。
因此，本發(fā)明提供一種用于主要是鐵內(nèi)芯的磨具的可除去的粘結(jié)劑，它包括主要由下列組分組成的粘結(jié)劑組合物(a)約62-92重量％青銅合金，它約含10-30重量％錫；(b)約5-25重量％銅；和(c)約3-12重量％鈦；其中所述粘結(jié)劑基本無孔穴，并以主要由富銅合金相和銅/錫/鈦金屬間相組成的混合物的形式存在。
本發(fā)明還提供一種用于主要是鐵內(nèi)芯的磨具的可除去粘結(jié)劑的制造方法，它包括如下步驟(1)將主要由約10-30重量％錫和余量的銅形成的青銅合金粉、氫化鈦粉和銅粉以能有效地形成粘結(jié)劑組合物的比例混合成均勻的分散體，所述組合物主要由(a)約70-90重量％銅；(b)約15-21重量％錫；和(c)約3-12重量％鈦所組成；(2)將所述粘結(jié)劑組合物加熱至不超過約880℃的青銅熔融溫度；(3)將所述粘結(jié)劑組合物保持在青銅的熔融溫度，保持的時(shí)間要能有效地完全液化青銅合金和氫化鈦；(4)將溫度升至至少約900℃的銅的溶解溫度；以及(5)將所述粘結(jié)劑組合物保持在銅的溶解溫度，保持的時(shí)間要能有效地將銅粉基本完全地溶解在富銅合金相中。
本發(fā)明另一方面是提供一種摻有該新的粘結(jié)劑的金屬單層磨具的制造方法。
本發(fā)明還提供摻有新的粘結(jié)劑的金屬單層磨具。另外，本發(fā)明提供的金屬單層磨具在內(nèi)芯和含銅、錫和鈦的粘結(jié)劑組合物之間包括一層約10-200微米厚的銅阻擋層。本發(fā)明提供的金屬單層磨具的制造方法包括如下步驟(1)用約10-200微米厚的銅阻擋層涂覆主要是鐵內(nèi)芯的切削表面；(2)混合(A)含銅、錫和鈦的粘結(jié)劑組合物；和(B)有效量的液態(tài)粘合劑，使之均勻分散，形成糊料；(3)在阻擋層上涂覆一層糊料；(4)在該糊料上沉積一層基本上是單層的磨粒；(5)將粘結(jié)劑組合物加熱至能有效地將磨粒釬接在磨具上的溫度。


圖1是常規(guī)的70Cu/21Sn/9Ti粘結(jié)劑和鋼內(nèi)芯之間界面的掃描電子顯微照片；圖2A是用71.4重量％青銅粉(77Cu/23Sn)、7.2重量％TiH2粉和21.4重量％銅粉制得的本發(fā)明粘結(jié)劑的光學(xué)顯微照片；圖2B是用71.4重量％青銅粉(77Cu/23Sn)、7.2重量％TiH2粉和21.4重量％銅粉在865℃制得的常規(guī)粘結(jié)劑的光學(xué)顯微照片；圖2C是用71.4重量％青銅粉(77Cu/23Sn)、7.2重量％TiH2粉和21.4重量％銅粉在880℃制得的常規(guī)粘結(jié)劑的光學(xué)顯微照片；圖2D是用71.4重量％青銅粉(77Cu/23Sn)、7.2重量％TiH2粉和21.4重量％銅粉在900℃制得的常規(guī)粘結(jié)劑的光學(xué)顯微照片；圖3A是70Cu/21Sn/9Ti的粘結(jié)劑組合物釬接在鎳阻擋層上的放大的截面照片；圖3B是70Cu/21Sn/9Ti的粘結(jié)劑組合物釬接在本發(fā)明銅阻擋層上的放大的截面照片；圖4是數(shù)種磨輪的功率P(W)對累積的切削體積V(cm3)的關(guān)系圖；圖5是數(shù)種磨輪的法向應(yīng)力S(N/cm)對累積的切削體積V(cm3)的關(guān)系圖。
本發(fā)明一個(gè)方面是用于主要是鐵內(nèi)芯的磨具的可除去的粘結(jié)劑，它包括主要是銅、錫和鈦的粘結(jié)劑組合物。在本文中，術(shù)語“粘結(jié)劑組合物”有時(shí)指構(gòu)成粘結(jié)劑的組分混合物的組合物。術(shù)語“粘結(jié)劑”指粘結(jié)劑組合物經(jīng)加熱或用其它方法處理后用于將磨粒固定在磨具上的熔融的粘結(jié)劑。在本文中術(shù)語“主要是鐵內(nèi)芯”指其中元素鐵占主要組分的金屬組合物內(nèi)芯。主要是鐵內(nèi)芯包括元素鐵和鐵合金(例如碳鋼和不銹鋼)的內(nèi)芯，它可含有例如少量的但有效比例的鎳、鉻、鉬、釩、鎢、硅、錳及其混合物。
粘結(jié)劑組合物較好含約74-80重量％銅、約15-18重量％錫和約5-8重量％鈦，最好含約74.6-76.4重量％銅、約16.4-17.7重量％錫和約7.2-7.7重量％鈦。粘結(jié)劑組合物還可含少量其它組分，如元素碳和鋯。一般來說，所述其它組分最大可約占5重量％，但是元素碳最多可占約0.5重量％。
較好的是，將銅、錫和鈦以三種組分(即青銅合金、氫化鈦和元素銅)加入粘結(jié)劑中。所述青銅合金主要由約10-30重量％錫和余量的銅組成。較好的是，所述青銅合金約含23-25重量％的錫。
所述鈦組分中所含的鈦?zhàn)詈檬窃阝F接過程中能與超級磨料，尤其是金剛石反應(yīng)的形式。這種活性改進(jìn)了熔融釬接組合物濕潤磨料表面的能力。據(jù)信得到的增強(qiáng)的粘結(jié)劑和超級磨料之間的相容性能促進(jìn)粘合劑粘結(jié)強(qiáng)度。加入混合物中的鈦可以是元素或化合物形式。元素鈦在低溫與水反應(yīng)形成二氧化鈦，從而在釬接過程中難以與金剛石反應(yīng)。因此，當(dāng)存在水(有時(shí)它是液態(tài)粘合劑的組分)時(shí)加入元素鈦不是最好。如果以化合物形式加入鈦，在釬接步驟中該化合物應(yīng)能分解，使得鈦能與超級磨料反應(yīng)。鈦?zhàn)詈靡詺浠?TiH2，在高達(dá)約600℃的溫度下它是穩(wěn)定的)的形式加入粘結(jié)劑材料中。高于約600℃，氫化鈦分解成鈦和氫。
粘結(jié)劑的第三種組分是銅。如下面將描述的那樣，在釬接過程中需將銅溶解在主要是青銅的富銅合金相中。因此以容易進(jìn)行這種溶解的形式加入銅組分是重要的。如果以帶稀釋劑(如鋁、鉛、鎳和銀)的銅合金的形式加入，則合金中的銅容易再溶解在青銅相中。較好的是，銅組分是元素銅。
一般來說，以粉末狀提供青銅合金、鈦和銅組分。粉末的粒徑不是關(guān)鍵的，但是較好是小于約325美國標(biāo)準(zhǔn)篩目(44微米粒徑)的粉末。粘結(jié)劑組合物最好通過例如用轉(zhuǎn)鼓混合，將組分分散至其濃度均勻分布而制得。
干粉粘結(jié)劑組合物可與低粘度液態(tài)粘合劑相混合。可將所述粘合劑以有效的比例加入粉末組分中以形成粘稠的粘性糊料。糊狀的粘結(jié)劑組合物能精確地分配并能粘結(jié)在內(nèi)芯的切削表面上及與磨粒相粘結(jié)。較好的是，粘結(jié)劑組合物糊料具有牙膏般的稠度。所述粘合劑應(yīng)具有足夠的揮發(fā)性，以便在釬接過程中基本完全蒸發(fā)和/或熱解，不留下會影響粘結(jié)劑功能的殘余物。粘合劑較好在低于約400℃蒸發(fā)。但是，所述粘合劑的揮發(fā)性應(yīng)足夠低，以便在室溫該糊料將流動性和粘性保持合理的時(shí)間(“干燥時(shí)間”)，以將粘結(jié)劑組合物和磨料施加至內(nèi)芯上，以及制備磨具進(jìn)行釬接。較好的干燥時(shí)間應(yīng)約為1-2小時(shí)。符合新的粘結(jié)劑組合物參數(shù)的合適的液態(tài)粘合劑可從市場上購得。適用于本發(fā)明的代表性的形成糊料的粘合劑包括購自Vitta Company的BrazTM凝膠；以及購自Lucas Company的LucanexTM粘合劑。后者是專利組合物，生產(chǎn)者已用粘結(jié)劑組合物組分混合成糊料而專門出售?？梢杂帽绢I(lǐng)域中已知的許多方法(如球磨)將粘合劑與粉末摻混?；旌戏勰┖鸵簯B(tài)粘合劑的次序不是關(guān)鍵的。
可使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)將所述糊料涂覆在內(nèi)芯上，如刷涂、噴涂、刮刀涂覆或?qū)⒛ゾ叩谋砻娼n在該糊料中。例如，可借助于旋轉(zhuǎn)機(jī)械將糊料涂覆在內(nèi)芯上。隨后將一層磨粒沉積在粘結(jié)劑組合物涂層上?？梢砸栽谇邢鞅砻嫔闲纬善教狗植嫉姆绞綄⒛チＶ鹨坏胤胖没?yàn)⒃谠撉邢鞅砻嫔?。磨粒以單層沉積，即基本上厚度為一個(gè)磨粒的厚度。磨粒的粒徑一般應(yīng)大于325目，較好大于約140目。對于要切削相當(dāng)堅(jiān)硬的工件(如建筑業(yè)上遇到的工件)的磨具，磨粒較好是超級磨粒，如金剛石和立方氮化硼。金剛石是最好的。
本發(fā)明粘結(jié)最好是通過多步釬接(brazing)方法來完成。該釬接方法具有兩個(gè)主要點(diǎn)。首先，熔融粘結(jié)劑組合物以液化非銅粉組分。其次將熔融的粘結(jié)劑組合物加熱至更高的溶解溫度，以使銅溶解于其中并任意地處于該青銅合金相之下，在活性粘結(jié)劑組分和內(nèi)芯之間形成富銅相。業(yè)已觀察到這種多步釬接方法形成無孔穴的基本兩相的粘結(jié)劑。也就是說該粘結(jié)劑基本完全以主要由富銅合金相和銅/錫/鈦金屬間相組成的固體混合物的形式存在。這種形態(tài)使粘結(jié)劑具有改進(jìn)的韌性和強(qiáng)度，并使粘結(jié)劑能容易地從內(nèi)芯上被剝離。
在將釬接糊料和磨粒施加在內(nèi)芯的切削表面上以后，將粘結(jié)劑組合物加熱至青銅的熔融溫度。在除銅粉外的組分完全熔融前，青銅的熔融溫度不應(yīng)超過約880℃以防止銅粉末液化。較好的是，青銅的熔融溫度為850-870℃，最好約為865℃。在青銅的熔融溫度保持釬接的時(shí)間應(yīng)足以基本完全熔融青銅合金和鈦，并足以大范圍地濕潤磨粒表面，尤其當(dāng)使用超級磨粒時(shí)。在青銅的熔融溫度保持15分鐘通常是足夠的，30分鐘是較好的。
將溫度升至高于青銅的熔融溫度的溶解溫度繼續(xù)進(jìn)行釬接。在該溶解溫度，銅粉溶解在青銅合金相中。溶解溫度至少應(yīng)約900℃。推薦的溶解溫度不超過約950℃，因?yàn)橐话悴恍枰绱烁叩臏囟?，在較高的溫度金剛石的石墨化風(fēng)險(xiǎn)會上升并且內(nèi)芯會變形。粘結(jié)劑在該溶解溫度保持的時(shí)間應(yīng)足以完全溶解銅粉。在溫度由青銅的熔融溫度快速上升至溶解溫度的釬接中，溶解時(shí)間至少應(yīng)約15分鐘，較好約30分鐘。將粘結(jié)劑組合物逐步加熱至溶解溫度也能獲得滿意的結(jié)果。術(shù)語“逐步加熱”指升溫的速率指至多約為1℃/分鐘。由于逐步加熱使粘結(jié)劑組合物在中間溫度經(jīng)受較長時(shí)間的加熱老化，粘結(jié)劑組合物在高于880℃溫度的總時(shí)間至少應(yīng)30分鐘。因此，逐步加熱可有效地縮短溶解時(shí)間。也就是說，如果粘結(jié)劑由865℃(青銅熔融溫度)逐步加熱至905℃(溶解溫度)，溶解時(shí)間可縮短至5分鐘，因?yàn)橛?80℃至905℃的加熱老化將歷時(shí)25分鐘。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是發(fā)現(xiàn)了在內(nèi)芯和釬接的含Cu/Sn/Ti粘結(jié)劑之間的薄銅阻擋層能促進(jìn)更容易地除去粘結(jié)劑。不愿受具體的理論的束縛，認(rèn)為在釬接過程中粘結(jié)劑中的銅和鈦與內(nèi)芯中的鐵通常會在內(nèi)芯-粘結(jié)劑界面上形成金屬間相。這種金屬間相在化學(xué)上是非常穩(wěn)定的，因此使剝離變得困難。但是本發(fā)明銅阻擋層阻止了形成界面金屬間相。
具有阻擋層的磨具可在釬接前施加粘結(jié)劑組合物糊料之前，將銅層沉積在切削表面上而制得?？墒褂糜勉~涂覆鐵制品的常規(guī)技術(shù)(如電鍍)施涂阻擋層。用銅涂覆鋼的方法公開在Cotell等的ASM Handbook，Vol.5，Surface Engineering，ASM International，1994。一般來說，涂覆前應(yīng)從內(nèi)芯和銅上除去基本所有的氧化層。阻擋層的最小厚度由將內(nèi)芯與粘結(jié)劑隔開以防形成界面金屬間相的要求所決定的。阻擋層的最大厚度不是關(guān)鍵的，但是，過分厚的阻擋層將浪費(fèi)銅，因此是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)，厚的銅阻擋層太弱，難以承受切削堅(jiān)韌材料時(shí)遇到的惡劣的環(huán)境。因此，阻擋層的厚度可為約10-200微米，較好約10-50微米。
可配置銅阻擋層使常規(guī)的含Cu/Sn/Ti粘結(jié)劑容易從主要是鐵內(nèi)芯上剝離。也就是說，即使組分不是根據(jù)本發(fā)明以粉末狀的三組分的形式加入，阻擋層也將起作用。另外，即使對一步釬接方法(即不將溫度保持在中間的青銅熔融溫度，而是直接加熱至釬接溫度)，銅阻擋層技術(shù)也應(yīng)起作用。此外，阻擋層可與上述新的粘結(jié)劑組合物和多步釬接方法一起組合使用，以進(jìn)一步增加剝離性能。但是，應(yīng)注意在多步釬接方法中的逐漸加熱會延長并促進(jìn)銅阻擋層在富銅青銅合金相中溶解。這種溶解會消耗阻擋層中的銅，從而可能使粘結(jié)劑組合物穿透阻擋層并與內(nèi)芯中的鐵形成金屬間相。因此，當(dāng)使用采取逐漸加熱的多步釬接方法時(shí)，最小的阻擋層厚度較好約25微米。
下面將通過某些代表性例子的實(shí)施例來說明本發(fā)明，在這些實(shí)施例中除非另有說明，否則所有的份、比例和百分?jǐn)?shù)均是以重量計(jì)的。原始獲得的所有非SI制重量單位和測量值均已換算成SI單位。
實(shí)施例比較例1用一步釬接，在900℃持續(xù)30分鐘，通過釬接70Cu/21Sn/9Ti的粘結(jié)劑組合物制得金屬單層金剛石磨輪。使用前，用掃描電子顯微鏡檢查磨輪一側(cè)的內(nèi)芯/粘結(jié)劑界面部分。顯微照片如圖1所示。粘結(jié)劑顯示出間置在貫穿粘結(jié)劑(“B”)的固體狀青銅合金相(“A”)當(dāng)中的金屬間相(灰色部分)。金屬間相(“IP”)區(qū)域主要位于粘結(jié)劑和內(nèi)芯(“C”)的界面上。對數(shù)個(gè)金屬間相部分用X-射線衍射法進(jìn)行分析，得到下列結(jié)果IPa＝10Cu/45Sn/35Ti/10Fe；IPb＝59Cu/35Sn/5Ti/1Fe；IPc＝10Cu/2Sn/29Ti/59Fe。使用同樣的分析方法，結(jié)果青銅合金相具有85Cu/15Sn的組成。
實(shí)施例1和比較例2-4將20份購自Vitta Corporation，Bethel，Connecticut的Vitta BrazTM粘合劑凝膠的糊料和80份含71.4％青銅粉(77Cu/23Sn，325目，購自ConnecticutEngineering Co.，Newtown，Connecticut)、7.2％TiH2粉(325目)和21.4％銅粉(325目，購自CERAC Co.，Milwaukee，Wisconsin)的粘結(jié)劑組合物混合至形成均勻的糊料。將該糊料涂覆在鋼基材上，并將購自Tomei公司的IMG型40/50金剛石磨粒以單層的形式沉積在該糊料上。以兩步釬接粘結(jié)劑組合物(a)在865℃真空釬接30分鐘；隨后(b)在900℃溶解30分鐘(實(shí)施例1)。將該結(jié)構(gòu)物切開露出剖面，用光學(xué)顯微鏡對其進(jìn)行顯微照相(圖2A)。用與實(shí)施例1一樣方法制得三種粘結(jié)劑組合物。用如下單一的溫度釬接方法將粘結(jié)劑真空釬接30分鐘比較例2,865℃(圖2B)；比較例3,880℃(圖2C)；比較例4,900℃(圖2D)。
圖2B、2C和2D顯示，粉末組分的單步釬接形成不均勻的粘結(jié)。證據(jù)是在各個(gè)比較例中不溶解的銅粉(“S”)的球狀區(qū)和孔穴。與其完全相反，圖2A顯示孔穴含量和不溶解的銅明顯減少，外加僅存在兩個(gè)相，即黑色的金屬間相和稍淡的顯著得多的青銅合金相。
實(shí)施例2和比較例5在一個(gè)鋼坩堝上電鍍200微米厚的鎳金屬涂層。將含80份70Cu/21Sn/9Ti和20份Vitta Braz粘合劑的糊料組合物置于該坩堝中。在真空爐中將該坩堝在865℃燒制30。冷卻后，切開坩堝，用細(xì)氧化鋁磨料將剖面拋光并清洗。在光學(xué)顯微鏡下檢查該剖面。將剖面照相并用照相放大方法將其放大，如圖3A所示(比較例5)。重復(fù)該過程，但是將坩堝涂覆200微米厚的銅涂層并將粘結(jié)劑在900℃釬接30分鐘。銅涂覆坩堝剖面的放大照片示于圖3B(實(shí)施例2)。
圖3A顯示出在鎳涂層(“NI”)上具有鮮明雜色的釬接粘結(jié)區(qū)(“B”)。在粘結(jié)劑和鎳層之間形成界限清楚的約10-25微米厚的金屬間相帶(“IP”)。對于阻擋層的可選擇的金屬來說鎳較差的原因在于其金屬間層是化學(xué)穩(wěn)定的，并且金屬間層會妨礙回收內(nèi)芯的剝離。據(jù)認(rèn)為該界面相對較脆，因此會降低研磨過程中的粘結(jié)強(qiáng)度。由圖3B可觀察到4個(gè)區(qū)域由一個(gè)明顯的界面與銅阻擋層(“L”)隔開的鋼內(nèi)芯(“C”)、青銅合金/金屬間粘結(jié)劑(“B”)和在粘結(jié)劑和阻擋層之間的約50微米厚的區(qū)域(“D”)，在該區(qū)域中一些銅溶解并富集于該粘結(jié)劑中。由于阻止了粘結(jié)劑組合物完全滲透阻擋層，因此在粘結(jié)劑和基材之間未形成含鐵金屬間層。
實(shí)施例3和4及比較例6和7試驗(yàn)4種新的金屬單層磨輪以測定從低碳鋼內(nèi)芯上剝離粘結(jié)劑的情況。試驗(yàn)?zāi)ポ喌那闆r和剝離試驗(yàn)結(jié)果列于表1。
表1實(shí)施例3 實(shí)施例4 比較例6 比較例7內(nèi)芯金屬低碳鋼 低碳鋼 低碳鋼 低碳鋼內(nèi)芯直徑(cm)12.7012.70 12.7012.70內(nèi)芯厚度(cm)0.6350.635 0.6350.635磨料類型 40/50目IMG 40/50目IMG 40/50目IMG40/50目IMG合成金剛石 合成金剛石 合成金剛石合成金剛石磨料用量 2.30 2.302.30 2.30(克/磨輪)粘結(jié)劑組合物 76.9青銅176.9青銅170Cu59.1Cu7.7TiH27.7TiH221Sn17.7Sn15.4Cu 15.4Cu 9Ti 9.6Ti5.8Zr7.7TiC0.15C阻擋層類型 無 Cu 無無阻擋層厚(微- 50微米- -米)釬接條件 在865℃熔融30在865℃熔融30865℃ 920℃分鐘，以1℃分鐘，以1℃30分鐘30分鐘/min加熱至895/min加熱至895℃，保持5分鐘℃，保持5分鐘在剝離浴中的 重量減少(％)時(shí)間(min)83.00 0.473 0.127 0.0768 0.0512164.00 0.601 0.430 0.1150.064260.00 0.831 0.974 0.2180.141303.00 0.985 1.278 0.2940.166447.00 0.997 1.733 0.3710.256536.00 1.113 1.822 0.3970.269595.00 1.113 1.948 0.4220.307775.00 _2_20.4740.346177Cu/23Sn2完全剝離將表1所列的各個(gè)磨輪在25℃持續(xù)地浸在購自Enthone-OMI，Inc.，NewHaven，Connecticut的ENSTRIP 5000剝離溶液中。不時(shí)地測量并記錄以初始重量的百分?jǐn)?shù)表示的重量減少。對實(shí)施例4內(nèi)芯的肉眼檢查表明，其磨料表面是光滑的，在試驗(yàn)結(jié)束后無粘結(jié)劑和磨料的殘余物。實(shí)施例3和實(shí)施例4的內(nèi)芯經(jīng)10小時(shí)化學(xué)剝離后均處于合格狀態(tài)，不經(jīng)機(jī)械除去附加的粘結(jié)劑/磨料就能重復(fù)使用。實(shí)施例3和實(shí)施例4的重量減少速度均比比較例磨輪快得多。比較例6和比較例7的各個(gè)試樣在剝離浴中775分鐘后仍以緩慢的速度持續(xù)地減少重量。對比較例試樣的肉眼觀察表明試驗(yàn)結(jié)束時(shí)在切削表面上仍殘留大量的磨粒和粘結(jié)劑。
對實(shí)施例3和4及比較例6的磨輪進(jìn)行下列研磨試驗(yàn)。用各個(gè)磨輪研磨23.32cm×10.16cm×2.54cm的高密度99.5％氧化鋁塊料(購自Coors CeramicsCompany，Golden，Colorado)。磨輪表面速度為25.4m/s，縱向速度為2.54cm/s，橫向進(jìn)料為2.54mm，切割深度為0.432mm。定期測量以瓦為單位的功率消耗和以牛頓/厘米為單位用于切割的法向應(yīng)力S，并分別在圖4和圖5中將其對累積的切削體積V(cm3)作圖。這些曲線表明用本發(fā)明可剝離的粘結(jié)劑制得的新磨輪的性能與不使用可剝離粘結(jié)劑的對照磨輪相似。另外，觀察到主要的損壞方式是金剛石磨粒的破裂和鈍化(flattening)。金剛石的脫膠是非常有限的。立體光學(xué)顯微鏡分析表明在損壞時(shí)每個(gè)磨輪損耗的磨粒數(shù)小于5，這種損壞定義為當(dāng)法向應(yīng)力增至1139N/cm和/或磨輪停止研磨時(shí)所發(fā)生的情況。從這些試驗(yàn)可看到新粘結(jié)劑可很好地粘結(jié)金剛石磨粒，并且與用高質(zhì)量、耐久的粘結(jié)劑合金制得的磨輪相比，本發(fā)明磨輪在制造質(zhì)量方面具有良好的性能。
權(quán)利要求
1.一種金屬單層磨具，它包括(a)主要是鐵的內(nèi)芯；(b)在磨具的切削表面上的10-200微米厚的銅阻擋層；和(c)由粘結(jié)劑釬接的銅阻擋層上的單層磨粒，其中所述粘結(jié)劑的組分包括銅、錫和鈦。
2.如權(quán)利要求1所述的磨具，其特征在于所述粘結(jié)劑組合物主要由下列組分組成(ⅰ)70-90重量％銅；(ⅱ)15-21重量％錫；(ⅲ)3-12重量％鈦；其中所述粘結(jié)劑基本無孔穴，并以主要由富銅青銅合金相和銅/錫/鈦金屬間相組成的混合物的形式存在。
3.如權(quán)利要求2所述的磨具，其特征在于所述粘結(jié)劑組合物包括74.6-76.4重量％銅、16.4-17.7重量％錫和7.2-7.7重量％鈦。
4.如權(quán)利要求2所述的磨具，其特征在于磨粒是選自金剛石、立方氮化硼或其混合物的超級磨粒。
5.如權(quán)利要求2所述的磨具，其特征在于所述粘結(jié)劑組合物是主要由10-30重量％錫和余量的銅組成的青銅預(yù)制合金粉末、氫化鈦粉末和銅粉的混合物。
6.如權(quán)利要求2所述的磨具，其特征在于所述銅阻擋層至少約25微米厚。
7.主要是鐵內(nèi)芯的金屬單層磨具的制造方法，包括如下步驟(1)用10-200微米厚的銅阻擋層涂覆主要是鐵內(nèi)芯的切削表面；(2)混合(A)含銅、錫和鈦的粘結(jié)劑組合物；和(B)有效量的液態(tài)粘合劑，使之均勻分散，形成糊料；(3)在阻擋層上涂覆一層所述糊料；(4)在該糊料上沉積一層基本上是單層的磨粒；(5)將粘結(jié)劑組合物加熱至能有效地將磨粒釬接在磨具上的溫度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述粘合劑組合物主要由下列組分組成(ⅰ)70-90重量％銅；(ⅱ)15-21重量％錫；(ⅲ)3-12重量％鈦。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述粘結(jié)劑組合物包括74.6-76.4重量％銅、16.4-17.7重量％錫和7.2-7.7重量％鈦。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述粘結(jié)劑組合物是主要由10-30重量％錫和余量的銅組成的青銅預(yù)制合金粉末、氫化鈦粉末和銅粉的混合物。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于加熱粘結(jié)劑組合物的步驟包括(1)將粘結(jié)劑組合物加熱至不超過880℃的青銅熔融溫度；(2)將所述粘結(jié)劑組合物保持在青銅的熔融溫度，保持的時(shí)間要能有效地完全液化青銅合金和氫化鈦；(3)將溫度升至至少約900℃的銅的溶解溫度；以及(4)將所述粘結(jié)劑組合物保持在銅的溶解溫度，保持的時(shí)間要能有效地將銅粉基本完全地溶解在富銅青銅合金相中。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于青銅的熔融溫度為850-870℃，粘結(jié)劑組合物在青銅的熔融溫度至少保持約15分鐘。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于粘結(jié)劑組合物的溫度由青銅的熔融溫度逐漸升至銅的溶解溫度，并且粘結(jié)劑組合物在高于880℃的溫度下至少保持約30分鐘。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于銅阻擋層的厚度至少約25微米。
全文摘要
公開了一種金屬單層磨具,它包括:(a)主要是鐵的內(nèi)芯;(b)在磨具的切削表面上的10－200微米厚的銅阻擋層;和(c)由粘結(jié)劑釬接的銅阻擋層上的單層磨粒,其中所述粘結(jié)劑的組分包括銅、錫和鈦。還公開了其制造方法。
文檔編號B24D3/06GK1326841SQ0111695
公開日2001年12月19日 申請日期1997年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月28日
發(fā)明者薛人愷, T·W·伊格, B·J·米勒, S·T·布爾儉 申請人:諾頓公司