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钎焊技术在金刚石工具生产中的应用

作者: 来源: 发布时间:2009-11-13 17:11:17  点击数:3525

 

1.钎焊技术在金刚石工具应用问题的提出

金刚石的高硬度和优良物理机械性能使得金刚石工具成为加工各种坚硬材料不可缺少的有效工具。胎体金属基对金刚石的粘结性(胎体的包镶能力)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之间具有很高的界面能,致使金刚石颗粒不能为一般低熔点合金所浸润,粘结性极差,在传统的制造技术中,金刚石颗粒仅靠胎体冷缩后产生的机械夹持力镶嵌于胎体金属基中,而没有形成牢固的化学键结或冶金结合,导致金刚石颗粒在工作中易与胎体金属基分离,大大降低了金刚石工具的寿命及性能水平。大部分孕镶式工具中金刚石的利用率较低,大量昂贵的金刚石在工作中脱落流失于废屑之中。林增栋等率先利用金刚石表面金属化技术来赋予金刚石表面许多新的特性,如优良的导热导电性、热稳性好,改善其原有的理化性能,提高其对金属或合金溶液的浸润性等。

金刚石表面金属化问题在上世纪70年代就引起了国内外金刚石工具制造界的高度重视。不少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在金刚石表面预粘上强碳化物金属粉末(这种金刚石在未加热前,并未与镀层发生化学反应,只能属于金刚石包衣),以期望它们在烧结过程中实现对金刚石的化学键结合。尽管文献已论证了一些金属例如钨(未被氧化)在较低温度下(800℃左右)就能在金刚石表面形成WC层,但从实现金刚石表面预金属化所用的工艺来看,需在真空条件下、600℃以上加热1小时才能得到理想的结合力。以目前常用的孕镶金刚石切削工具的烧结条件来看,在非真空或低真空中不超过900℃加热5分钟左右,是不大可能使金刚石表面生成金属化层的。因为无论活性金属原子(Ti、V、Cr等)向金刚石表面富集还是界面反应达到结合剂与金刚石冶金结合都是原子扩散过程,根据热压所用温度及这样短的时间内,这个过程是极不充分的。在固相烧结条件下(有时有少量低强度低熔点的金属或合金液相),胎体对金刚石的化学键结或冶金结合力是十分弱的或根本不会形成。

金刚石表面预金属化并非最终目的,而仅是期望与胎体金属实现化学冶金结合的措施之一。镀覆后的金刚石在烧结成锯(钻)齿后,其折断面上暴露出的金刚石均失去了镀层,而脱落了金刚石的残留坑表面十分光滑,这种现象似乎说明了金刚石与胎体还未能达到化学包镶的水平。因而即使实现了金刚石的表面预金属化,传统的固相
粉末冶金烧结法也不可能实现金刚石与胎体材料间的牢固结合。

上个世纪八十年代末,人们开始探索钎焊技术用于金刚石工具制作。采用在金刚石表面镀覆某些过渡族元素(如Ti、Cr、W等),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、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合,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。从已发表的专利和文章中可以看出,该技术可使金刚石最大出刃值达到粒径的2/3,工具寿命提高3倍以上,而常规下该值不足1/3,允许出刃值可用开刃作业达稳定出刃值时来获取。所以,采用钎焊技术可望实现胎体金属(钎料)与母体材料—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,用钎焊法制作金刚石(或立方氮化硼)工具已开始成为热点技术,但仅局限于单层工具,对于多层实现“孕镶”尚未见有成果发表。国外的钎焊技术研究始于20世纪80年代后期,但由于工作复杂至今仍停留在实验阶段,其应用也仅局限于单层工具;国内的高温钎焊技术研究起步较晚,与发达国家相比,研究的广度和深度远远不够,因而目前进展十分缓慢,但随着我国加入WTO,研究的步伐必然逐渐加速。

(1)国外高温钎焊金刚石工具的研究状况

瑞士A K Chattopadhyay等用火焰喷镀法(氧—乙炔焊枪)把钎料合金(72%Ni,14.4%Cr,3.5%Fe,3.5%Si,3.35%B,0.5%O2)镀于工具钢基体上,并将金刚石(不包衣)布排于焊料层面上,然后在1080℃、氩气保护下感应钎焊30秒来实现金刚石与钢基体结合。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素,在钎焊过程中向金刚石表面富集而实现金刚石的表面金属化。

Wiand等在美国专利上介绍的方法是:焊料(Ni-Cr)金属粉加有机粘结剂制成钎焊漆,把包衣金刚石粘在工具钢基体上,然后涂附钎焊漆,再加热到一个适中的温度并保温一定时间以排除挥发物质。在真空炉(真空度1.333×10-2Pa)或干式氢气炉中加热到1100℃左右,保温1小时,钎焊的同时完成金刚石的表面金属化。

一些专利中也同样采用Ni-Cr合金钎料实现了钎焊,钎料中还包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如,在文献[14]中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金钎料在真空炉中实现钎焊,钎焊温度为1126~1176℃;文献[15]采用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等钎料钎焊金刚石
砂轮;文献[16]用Ag-Mn-Zr银基钎料来钎焊金刚石工具,从而替代电镀工具。

德国的A Trenker等在钎焊过程中分别采用了镍基活性钎料和镍基钎料来实现金刚石与基体的结合。由与电镀工具的对比图可以看出,高温钎焊金刚石工具的性能比电镀金刚石工具优异得多,钎焊工具(使用活性钎料和PDA989、PDA665金刚石)起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,寿命是电镀工具的3倍以上;由于钎焊工具有较大的容屑空间,金刚石磨粒有较大的自由切削面且磨粒间空间较多,使切屑很容易被排除,所以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状况

第四军医大学和西安交通大学在国内外钎焊金刚石研究的基础上,采用真空炉(真空度为0.2Pa)内高温钎焊的方法,以NiCr13P9合金为钎料,配以少量Cr粉,在高温(950℃)加压(4.9MPa)的条件下进行钎焊,从而实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。钎料均匀分布于砂轮表面,金刚石已被牢固钎焊,触摸砂轮表面感觉相当锐利粗糙。钎料在金刚石磨粒间分布均匀,金刚石出刃高度高。其耐用度较电镀砂轮有了明显提高,工作后仅有少量金刚石脱落。

南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊的方法,用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中间层材料,在空气中感应钎焊35秒,钎焊温度780℃,实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。姚正军等利用在Ar气保护炉中感应钎焊的方法,用Ni-Cr合金粉末做钎料,真空感应钎焊30秒,钎焊温度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,发现在钎焊过程中Cr元素金刚石界面形成富Cr层并与金刚石表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3,这是实现合金层与金刚石有较高结合强度的主要因素。磨削实验采用大切深、缓进给、重负荷进行,从砂轮磨削后的表面形貌来看,没有金刚石整颗脱落,金刚石磨粒属正常磨损,说明金刚石有较高的把持强度,适合于高效磨削加工。

台湾中国砂轮公司(KNIK.Inc)推出单层均布金刚石高温钎焊串珠,在不降低其寿命的条件下,金刚石用量减少50%,切割速度提高2倍。

作者所在课题组在国内外研究的基础上,采用Ni82CrBSi合金片状钎料,金刚石均匀排布在钎料片上,在低真空热压烧结炉中实现钎焊,对钎焊金刚石工具进行了初步研究,并且探索如何将钎焊这一技术用于孕镶工具中。从优化金刚石在胎体中的排布方式、金刚石粒度、浓度等静态结构参数及有效金刚石数量、金刚石间距等动态参数出发,实现单层金刚石在横向平面的有序排布,再通过叠层法在纵向呈错落排布,实现工作层中金刚石具备连续工作能力。为检验胎体对金刚石的包镶能力,特制作一只表镶金刚石
钻头,进行5次开刃实验,并测得其最大平均出刃值。通过对钎焊单层工具金刚石出刃高度的测试(金刚石为45/50目),发现了其最大出刃值可达到70%以上,可以看出,钎焊技术可使金刚石与胎体的结合强度大大提高。对金刚石钻头(φ63mm)进行钢筋混凝土钻进模拟实验的结果表明,钻头在钻齿磨损近2mm时仍能继续工作,从理论上讲已经有两层金刚石参与了工作,这似乎说明了可以实现“孕镶”,具体的应用工艺仍在进一步研究之中。

3.钎焊技术在金刚石工具应用中存在的问题

金刚石钎焊时存在着许多急需解决的难点:①要求钎料对金刚石和胎体有良好浸润性和结合强度;②钎焊材料及钎焊工艺的选择要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由于金刚石和金属基体的热膨胀系数差异较大,因而焊接残余应力也较大,降低接头的强度;④钎料的熔点要高于金刚石工具的工作温度,所以应寻找熔点较低并与金刚石膨胀系数接近的金属(合金)材料作为钎料,再考虑加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和亲和性,达到既能粘结金刚石又能满足胎体机械性能的目的。此外,金刚石表面金属化的实现方式、表面金属与钎料的匹配和选择、钎剂和气体介质的选择等关键技术还需进一步成熟和优化。

金刚石工具的使用效率与寿命除取决于金刚石磨粒被镶嵌的牢固程度外,还与胎体的耐磨性有关。胎体本身强度的高低、金刚石在胎体中的分布状态、金刚石的浓度等都会对胎体的耐磨性产生影响,所以,如何使胎体达到理想的状态也是今后工作中值得注意的问题。

4.结语

钎焊技术可实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面化学冶金结合,具有较高的结合强度。由于界面上的结合强度高,所以仅需很薄的结合剂厚度就足以牢固地把持住磨粒,其裸露高度可达70%~80%,使
磨料的利用更加充分,大大提高了工具的寿命和加工效率。与传统技术相比,金刚石工具的允许最大出刃值可增加50%以上,在工具的功耗不增或有所降低的条件下,单位体积上工件材料的金刚石耗量减少一半以上。与电镀工具相比,也显示了无可比拟的优势。总之,钎焊技术在金刚石工具制造过程中有着很好的发展前景,应尽快使这一技术实现产业化。

 


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