钎焊技术在金刚石工具中的应用_周玉梅
对目前金刚石磨具钎焊工艺分析
对目前金刚石磨具钎焊工艺分析金刚石磨具是一种高硬度、高强度的耐磨材料，具有优异的耐磨性、高热稳定性和化学稳定性，并且可以耐受极高的压力。
这使得金刚石磨具的应用范围非常广泛，如在磨削、修整、切割、打磨等领域都得到了广泛的应用。
金刚石磨具作为一种高精密度机械零部件，制作工艺对其品质和性能影响非常显著。
本文将对目前金刚石磨具钎焊工艺进行分析。
一、金刚石磨具钎焊概述金刚石磨具的加工采用的主要是钻头钻孔加工以及钎焊技术的应用。
传统的金刚石磨具的制作方法即是采用焊接技术，将金刚石和金属基体通过焊接的方法连接在一起。
在目前的金刚石磨具钎焊过程中，常用的金属基体包括钨、钼、钛、铜、铝等。
而金刚石多采用人造金刚石和天然金刚石。
钎焊工艺流程如下：1. 材料准备：金刚石、金属基体、钎料、流动剂。
2. 加热：将金属基体加热到钎料的熔点，使其熔化。
3. 布料：在金属基体上涂布流动剂，并将金刚石放置在其上。
4. 钎接：将熔化的钎料浸入流动剂中，形成钎接液，液体通过表面张力作用将金属基体和金刚石牢牢钎接在一起。
5. 冷却：冷却工件，使其形成坚固的结合。
二、不同金属基体对钎焊影响分析钎焊金刚石磨具时，不同金属基体的选择对钎接质量和加工性能都有很大的影响。
常见的金属基体有铜、铁、钨和钼。
1. 铜基体：铜基体钎焊早期应用非常广泛，其密度小，导热性好，热膨胀系数小，因此容易焊接，并且金刚石与铜的密合性很好，但其软度较高，难以满足高精度和高要求的应用。
2. 铁基体：铁基体钎焊容易，但其承受高负荷时容易发生变形，且铁基体可能难以与金刚石粘合，需要采用表面处理技术。
3. 钨基体：钨基体的加工精度和硬度非常高，其粘合能力较好，但密度大、抗腐蚀能力较差。
4. 钼基体：钼基体钎接效果最好，其具有高硬度、高强度、稳定性好、高耐腐蚀性和高温特性优点。
钼基体的金刚石磨具在应用中得到了广泛认可。
三、钎焊工艺常见问题及解决思路1. 粘接层脱落问题：在钎接过程中，粘接层的质量对工作效果有着决定性影响。
钎焊单层金刚石工具研究现状
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ４ Ｇ ５
文献 标 志 码 ：Ａ
０ 引 言
１ 钎 焊 工 艺
硬 脆 材 料 ，如 石材 、玻 璃 、陶 瓷 等 普 通 建 筑 材 料 ，以及 宝石 、半导 体 、工程 陶瓷 、光 学 晶体 、磁性
材 料 、生 物 陶瓷等 高 档先 进 工程 和 功 能 材料 的加 工 ，
首 先要 对金 刚石 具有 足够 的活性 ，要 包含 强碳 化物形
其他 磨料相 比 ，具有 极 高的硬 度 、高相 对耐磨 性 、热
导 率 和抗 压 强 度 ｎ。 因此 ，金 刚 石 工 具 是 硬 脆 材 料 ］
切 割 、磨 削 等 加 工 的最 常用 工 具 。在 金 属 结 合 剂 金
周 玉梅 张凤 林 ．
（ ． 恺农 业 工 程 学 院 机 电 工程 学 院 ，广 东 广 州 ５ ０ ２ ；２广 东 工 业 大 学 机 电工 程 学 院 ，广 东 广 州 ５ ０ ０ ） １ 仲 １２ ５ ． １０ ６
摘 要 ：与 单 层 电 镀 金 刚 石 工 具 相 比 ，钎 焊 单 层 金 刚 石 工 具 由 于金 刚 石 出刃 高 ，容 屑 空 间 大 ，金 刚 石 与 基 体 之 间 的 结合 强 度 高 而成 为 近 年 来 超硬 材 料 工 具 的 热 门研 究 领 域 。 本 文 分 别 从 钎 料 及 钎 焊 方 式 、 金 刚 石 有 序 排 布 、界 面微 观 结 构 及 界 面 热 力 学 与动 力 学 以 及 钎 焊 工
刚 石 工 具 的 制 造 工 艺 中 ．烧 结 和 电 镀 是 ２种 最 主 要 的
制 造 方 法 。 由 于金 刚 石 与 结 合 剂 之 间 的 结 合 强 度 较
钎焊法制造多层均布金刚石薄壁钻及其性能研究 (1)
第22卷第1期 超 硬 材 料 工 程V o l.22 2010年2月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G Feb.2010钎焊法制造多层均布金刚石薄壁钻及其性能研究①周玉梅1,刘燕2,吕智2(1.仲恺农业工程学院机电工程学院,广州 510225;2.桂林矿产地质研究院,桂林 541004)摘 要:采用钎焊法制造多层均布金刚石薄壁钻,观察了金刚石的出刃高度以及胎体与金刚石的微观形貌,并对多层均布钻头进行钻进实验。
结果表明:钎焊金刚石的出刃高度可达70%。
在钎焊过程中,N i-C r合金钎料中的活性元素C r向金刚石表面富集,N i-C r合金钎料中的N i、C r原子和胎体中的Co原子相互扩散使得胎体与金刚石结合牢固。
钎焊多层均布钻头在工作中能够实现金刚石的自锐,具备连续加工能力。
关键词:钎焊;多层均布;金刚石薄壁钻头;性能中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2010)01-0040-05Study on fabr ica tion of brazed m ultilayer arrayth i n-wa lled d i am ond dr ill b it and its performanceZHOU Yu2m ei1,L I U Yan2,LV Zh i2(1.Colleg e of M echanical and E lectronic E ng ineering,Z hong kai U niversity of A g ricu ltu re andE ng ineering,Guang z hou510225;2.Gu ilin R esearch Institu te of Geology f or M ineral R esou rces,Gu ilin541004)Abstract:T he m u ltilayer array th in2w alled diam ond drill b it w as fab ricated by b razing inth is p ap er.T he p ro tru si on of diam ond grits and m o rpho logy of diam ond and m atrix w ereob served and the drilling experi m en t w as carried ou t.T he resu lts show ed that thep ro tru si on of b razed diam ond grits w as m o re than70%.T he diam ond and m atrix haveh igh bonding strength due to the m igrati on of C r to diam ond su rface and the co2diffu si onof N i,C r and Co in the b razing.T he m u ltilayer array drill b it cou ld ach ieve the self2sharp en ing of diam ond grits to ob tain con tinuou s drilling ab ility.Keywords:b razing;m u ltilayer array;th in2w alled diam ond drill b it;perfo r m ance1 引言近年来,钎焊法制造的金刚石工具由于金刚石出刃高,容屑空间大,金刚石和基体之间的结合强度高而成为国内外超硬材料工具的热门研究领域[1,2]。
钎焊技术在金刚石工具中的应用
钎焊技术在金刚石工具中的应用? 钎焊技术在金刚石工具中的应用钎焊技术在金刚石工具中的应用摘要：简要介绍了金刚石工具、工具分类及其制造过程中用到的钎焊技术，分析了金刚石颗粒与基体的连接原理与形式，就金刚石工具行业国内外发展状况评述了钎焊技术的相应发展，阐述了预合金粉末的扩散钎焊现象及有益作用，探讨了钎焊材料、钎焊工艺和钎焊设备的协同规律，提出了金刚石工具行业钎焊技术的发展方向，为国内金刚石工具和焊接行业发展研究提供参考。
关键词：金刚石金刚石工具钎焊材料钎焊技术 1 金刚石工具及其分类金刚石是集多种优异性能于一身的功能材料，它是迄今为止所发现的硬度最高的天然材料，它独特的光学、热学、力学特性又强化了它在功能材料中的地位。
金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两大类，其中人造金刚石又有单晶和聚晶之分，这三类金刚石均可用于制造金刚石工具。
近几年，全球人造金刚石产量已达到150亿克拉，中国的人造金刚石产量稳居世界第一。
中国的金刚石工具后发先至，近二十年得到了飞速发展，不仅产量居世界第一，而且发展了品种齐全的新型工具。
金刚石工具的应用领域非常广泛，主要用于石材加工、陶瓷改型、地质钻探、石油钻井和矿业开采行业，在建筑、建材、机械加工、光学玻璃和珠宝加工及电子电器行业也有重要地位[1]。
现代制造业对金刚石工具的需求越来越多，高端装备制造更是越来越依赖金刚石刀具的发展，高速、超速、高精、超精切磨，尤其是硬脆和高硬材料的加工已经离不开金刚石工具[2]。
根据用途，可将金刚石工具分为锯切工具、磨抛工具、刀具、钻探工具、拉丝模等。
金刚石锯切工具按照形状分为金刚石圆锯片、金刚石排锯、金刚石绳锯、金刚石线锯、金刚石内孔锯等[3]。
金刚石圆锯片是目前石材、建筑行业使用最普遍的锯切工具，广泛应用于花岗岩、大理石、陶瓷、混凝土等制品的切割。
在绿色制造大潮中，金刚石圆锯片向多片组合锯方向发展，组合锯与排锯是典型；排锯是将几十根金刚石锯条并排安装在锯机的框架上，切割效率比通常使用的加砂大锯高数倍，切出的板料截面光滑平整，可显著减少磨抛工作量。
焊接方法是提高金刚石工具质量的有效途径金刚石工具
与质量。最近我们对金刚石锯片整体烧结炉进行了调研，用几种有代表性的炉型同时采用同一配方粉末进行对比烧结试验，其结果表明：
(1)氢气保护、无压烧结并式炉与钟罩炉适
于生产低档小尺寸锯片，它单次产量大，但锯片
(2)CSF500 热压烧结炉，炉温分布均匀，氮气保护加压烧结锯片硬度高，密度大。锯切时锋
(2)绳锯直径由 10～12mm 减小到 6～8mm，提
高了加割效率，降低了材料消耗。
(3)CNC 控制的绳锯机的发展，使多绳锯成为可能，从而使绳锯机进入板材厂，可有效切割板
材与异形制品，可取代框架锯与桥式板材锯机。
(4)将热等静压工艺用于串珠生产，提高串
热等静压(HIP)是将烧结好的制品，置于热
根据国内外的实验研究与使用表明，金刚石
镀覆技术最
在纯钻胎体中对把持力的提高次序是：镀 Cr
＞镀 Ti＞未镀覆金刚石。
MBS-960Cr2 镀铬金刚石适用于 Co 基胎体、
低铁低青铜胎体和 WC 胎体。
MBS-960Ti2 镀钛金刚石适用于钻青铜基胎
在切割沥青、养护混凝土(GreenConcrete)和加强(钢筋)混凝土锯片中采用镀钨金刚石。
(7)选择合理的焊接工艺参数，控制好焊接
功率、角度、速度、偏移量、深宽比，保证焊接质量与强度。
镀镍金刚石适用于树脂结合剂砂轮，其使用效果依次为：针刺形镀镍金刚石＞镀镍金刚石＞
镀银金刚石适用于磨削碳化钨硬质合金工
具用精密树脂结合剂砂轮。因为银的不算十分昂贵，适于高精密磨削，其导热性能好，适用于油冷磨削硬质合金。同时银是一种很好的润滑剂，
镀覆强碳化物形成元素 Ti、Ni、W、Cr 等提
镀覆金属可防止金刚石在一定温度、压力与烧结时间条件下的氧化、石墨化以及铁元素的热
钎焊金刚石工具技术
钎焊金刚石工具技术摘要：钎焊金刚石工具,金刚石出刃可以是金刚石高度的2/3 ,所以钎焊金刚石工具磨削效率高,且有利于冲刷磨屑,表面磨粒不易因堵塞而失去磨削能力。
与单层电镀金刚石工具相比，钎焊单层金刚石工具由于金刚石出刃高，容屑空间大，金刚石与基体之间的结合强度高而成为近年来超硬材料工具的热门研究领域。
本文分别从钎料选择、钎焊设备、钎焊工艺和金刚石有序排布四个方面来论述钎焊金刚石工具技术，并对该技术的前景进行了展望。
关键词：金刚石钎焊技术；钎料；钎焊专用设备；钎焊工艺；金刚石有序排布1.概述电镀金刚石工具中, 金刚石仅能用镍金属作机械包镶, 故易于脱落, 且金刚石无序排列, 凸出低、容屑空间小; 在孕镶烧结金刚石工具中, 金刚石无序排列, 出刃自锐问题难于解决, 金刚石与粉料也很难实现冶金结合。
这两种工艺都不能充分有效地利用金刚石的锯切性能。
而钎焊金刚石工具有上述两种金刚石工具无可比拟的优越性,所以近10年来金刚石钎焊工艺引起了人们的重视(见图1)。
图1.钎焊金刚石工具与电镀金刚石工具界面结合情况对比钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术,以活性钎料或镍基钎料焊接金刚石, 通过强碳化物形成元素或合金, 使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合, 这大大提高了金刚石的把持力，另外,金刚石可凸出2ö3,且不易脱落,又创造了切割锋利, 排屑好的有利条件,再加上金刚石在工具表面合理规则均布, 充分利用了金刚石的切割作用, 既能节省金刚石用量, 降低工具成本, 又提高切割效率。
可以说, 这一技术正好适应了我国国民经济发展的大力节约能源资源, 加快建设资源节约型、环境友好型社会的要求。
鉴于金刚石钎焊工具的极大优越性与良好的发展前景, 引起了国内高校、科研院所及企业的极大关注与参与, 并且正积极地开展研发工作, 根据钎料种类、钎料中活性元素加入方式、钎焊方式的不同，国内外对钎焊金刚石工具的研究成果见见表1。
钎焊金刚石耐磨涂层制备及其磨损性能
钎焊金刚石耐磨涂层制备及其磨损性能CAO Zhongxi;ZHOU Yumei;ZHANG Fenglin;ZHANG Guixia;LUO Shaoming 【摘要】为提高农机刃具类零件的抗磨粒磨损性能,提出一种钎焊金刚石耐磨涂层制备方法,在Q235钢基体上制备了不同粒径及镀覆状态的金刚石耐磨涂层,并与65Mn钢的摩擦磨损和抗磨粒磨损性能进行对比.采用扫描电镜(SEM)对涂层表面、涂层与钢基体界面、涂层磨损后的表面微观形貌进行表征,并分析涂层的磨损规律及机理.结果表明:钎焊金刚石涂层与钢基体结合良好,金刚石在涂层中均匀分布,涂层厚度约370μm.钎焊金刚石涂层的耐磨性优于65Mn钢的,且随着金刚石粒径减小钎焊金刚石涂层的摩擦系数降低,涂层的耐磨性增大;钎焊镀钨金刚石涂层的抗摩擦磨损和磨粒磨损性能均高于钎焊未镀覆金刚石涂层的.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2019(039)003【总页数】9页(P93-101)【关键词】钎焊;金刚石;耐磨涂层;摩擦磨损;磨粒磨损【作者】CAO Zhongxi;ZHOU Yumei;ZHANG Fenglin;ZHANG Guixia;LUO Shaoming【作者单位】;;;;【正文语种】中文【中图分类】TQ164;TG74;TG58在农业机械领域中，一些触土工具如犁铧、旋耕刀、耙片、收割机刀片等刃具，由于直接接触沙石、土壤、水分、盐分等坚硬及腐蚀性物质，存在严重的磨粒磨损、物质腐蚀以及黏附等，从而导致其使用寿命较短。
随着农机装备的高速发展及土壤环境的变化，对农机刃具的使用性能和寿命提出了更高的要求[1- 3]。
磨损是农机触土部件失效的主要原因，每年都造成巨大的经济损失，而磨粒磨损是最严重的磨损形式[4-7]。
目前，国内外提高农机触土部件耐磨性的方法主要有3种[8-9]:(1)采用高硬度、高耐磨性的新材料提高工作部件性能;(2)易磨损件储备材料备份，如犁铧背部的“钢材储备”结构，用锻造延伸法来延长其使用寿命;(3)表面工程技术，包括表面改性、表面仿生结构、表面涂层等。
钎焊技术在金刚石工具方面的应用：金刚石工具
忙碌的人们，我应该先说感谢，再说对不起。有一
金刚石表面度重视。不少人
致力于烧结过程实现金刚石表面金属化研究，胎 体材料添加或金刚石表面预粘上强碳化物金属
粉末(这种金刚石未加热前，并未与镀层发生化
忙碌的人们，我应该先说感谢，再说对不起。有一
金属基，而没有形成牢固化学键结或冶金结合，
导致金刚石颗粒工作易与胎体金属基分离，大大
降低了金刚石工具寿命及性能水平。大部分孕镶 式工具金刚石利用率较低，大量昂贵金刚石工作
脱落流失于废屑之。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特性，如
学反应，只能属于金刚石包衣)，以期望它们烧
结过程实现对金刚石化学键结合。尽管文献已论 证了一些金属例如钨(未被氧化)较低温度下
忙碌的人们，我应该先说感谢，再说对不起。有一
(800℃左右)就能金刚石表面形成 WC 层。
2dp0f6c7a 金刚石工具金刚石锯片
金刚石高硬度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有效工
具。胎体金属基对金刚石粘结性(胎体包镶能力) 影响金刚石工具使用寿命性能主要因素之一。
由于金刚石与一般金属合金之间具有很高
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，传统制造技术，金刚石颗 粒仅靠胎体冷缩后产生机械夹持力镶嵌于胎体
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收稿日期:2003年6月钎焊技术在金刚石工具中的应用周玉梅1 吕 智2 章兼植2 陈敢新1 1桂林工学院 2桂林矿产地质研究院摘 要:介绍了钎焊技术在金刚石应用工具中的提出背景以及目前国内外钎焊金刚石工具的研究状况。
在总结国内外研究的基础上,初步探索了如何将钎焊技术用于孕镶工具中,提出钎焊工具研究过程中存在的问题及解决建议,并展望了钎焊金刚石工具的发展前景。
关键词:钎焊, 金刚石工具, 金属化, 镀覆, 化学冶金结合, 活性钎料Application of Brazing Technology in Diamond Tool EngineeringZhou Yumei Lu Zhi Zhang Jianzhi et alA bstract:The development of brazing technology applying to diamond tools at home and abroad is reviewed.Based on the present research,the brazing technology to appl y the i mpregnated tool is explored,the problem and the way to solve of brazing technology are presented,and the prospect of the brazin g d iamond tool is looked forward.Keywords:brazing, diamond tool, metallization, coating, chemical and metallurgical bond, active brazing metal 1 钎焊技术在金刚石工具应用中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[1]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。
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,依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[2～4]。
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(如图1、图2所示),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。
图1 钻齿断口单颗金刚石表面形貌图2 钻齿断口的表面形貌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(图3[5]为De Beers 资料),允许出刃值可用开刃作业达稳定出刃值时来获取,见图4[6]。
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。
图3 金刚石的出刃高度图4 金刚石的出刃比例 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。
2.1 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%O 2)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[7]。
Wiand 等美国专利[8]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[9～13]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。
其与电镀工具的对比见图5、图6[17]。
由图可以看出,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。
图5 电镀磨头和钎焊磨头的磨削性能比较图6 电镀和钎焊金刚石工具磨削空间对比2.2 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[18]。
南京航空航天大学的肖冰[19]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[20]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,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Cr 3C 2和Cr 7C 3,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Ni 82CrBSi 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,金刚石在胎体中的排布图如7所示。
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(见表1),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( 63mm )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。
图7 金刚石在胎体中的排布图模型表1 开刃次数与出刃值和出刃率的关系开刃次数12345出刃值0.0720.130.180.230.26出刃率20.1%36.4%50%63.88%72.2% 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。