钎焊技术在金刚石工具中的应用.doc
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1、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
2、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
3、,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。金刚石绳锯一般应用于花岗岩、大理石矿山的荒料开采、钢筋混凝土或金属结构
4、件的切割,并逐步过渡到异形石材和板材的加工。金刚石线锯能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割,广泛应用于半导体和光伏电池切片加工,并在陶瓷、石英、木材等加工中显示出独特优势。 金刚石磨抛工具是指用结合剂将金刚石粘结成具有一定几何形状的磨具的总称,金刚石磨具磨削光洁度高、工作效率高、加工成本低、产品的使用寿命长。常见的金刚石磨具有磨盘、磨块、磨头、磨碗、滚筒、滚轮、磨边轮、铣磨轮、正切轮、珩磨轮、珩磨条、珩磨块等等。 金刚石刀具的特点是硬度和耐磨性极高、弹性模量高、摩擦系数低、热膨胀系数低、传热好,以及与有色金属粘结性小等优点。既可用于非金属硬脆材料(如陶瓷、石墨、复合材料等)的加工,亦可用于韧性有
5、色金属材料(如铜合金、铝合金等)的精密加工。金刚石刀具类型繁多,各种刀具的使用性能差别较大,其结构、制备方法和应用领域有较大区别。常见的金刚石刀具有金刚石车刀、金刚石铣刀、金刚石镗刀、金刚石拉刀、金刚石钻头以及金刚石成形刀具。 金刚石钻头是先进的钻探工具,金刚石钻头的钻进效率高、钻孔质量好、施工劳动强度比较轻、钻探成本低。金刚石钻头按用途主要分为石油钻头、煤炭钻头、地质勘探钻头、工程勘探钻头、工程薄壁钻头、玻璃钻头、复合材料钻头等。 2 金刚石连接的形式 由于金刚石制造技术所限,单颗粒金刚石的尺度较小,金刚石常以细微颗粒甚至是微粉形态供应,这为金刚石的使用带来难题。由于金刚石只有依附于基体材料
6、才能充分发挥其优异性能,其与基体材料的连接成为应用的关键。 金刚石与大多数金属材料存在天然的“格格不入”之特性,物理性质方面金刚石与其它材料物性不匹配,化学性质方面冶金不相容,金刚石连接受到限制。 金刚石的工业应用初期,机械镶嵌是主要形式,比如金刚笔、玻璃刀等,这类工具要求使用大颗粒金刚石。 对于粒度不大的金刚石,机械镶嵌几乎不可能,电镀镀层固定镶嵌应运而生。电镀金刚石工具的一般流程如下:工具胎体加工 尺寸检查 机械处理 除油 酸洗 绝缘处理 除锈 冷热水洗 阳极腐蚀 冷热水洗 电镀 上金刚石 加厚镀层 出槽清洗 除氢 检验 成品工具。 电镀金刚石的把持强度不高、金刚石出露高度较低,影响金刚石
7、的切削力和锋利度,钎焊金刚石工具弥补了这类缺陷4。钎焊金刚石工具又分为表镶和孕镶两类,表镶工具是将金刚石直接钎焊于基体表面,孕镶工具是将金刚石与其他材料烧结成复合体。金刚石复合体的烧结过程实质是金刚石与基体材料之间的扩散钎焊过程。将金刚石与硬质合金热压成为复合片(PDC),金刚石连接即转为硬质合金的连接。 3 钎焊技术在金刚石工具中的呈现形式 金刚石胎体(俗称刀头)烧结过程中也是一个扩散钎焊过程5。金刚石工具的钎焊分为单层金刚石工具钎焊、金刚石刀头钎焊和PDC复合片钎焊三大类。 金刚石刀头热压或冷压烧结过程是典型的扩散钎焊过程。在金刚石刀头制作的初期,一般是采用低温金属粉的熔化扩散钎焊高温金属
8、粉,进一步镶嵌把持金刚石;随着技术发展,出现了含碳化物形成元素(铬、钛、钒、钼等)的活性预合金粉末,通过活性预合金粉末与金刚石反应形成碳化物实现扩散钎焊或钎焊连接,碳化物的形成缓慢,是预合金粉中的活性元素与金刚石中的碳元素相互扩散迁移的过程,需要在一定温度下保温较长时间以实现原子扩散和反应,因此热压烧结工艺更易实现这种扩散6。 单层金刚石工具的钎焊一般采用活性钎料或镍基钎料,通过强碳化物形成元素或合金,实现胎体材料与金刚石之间的化学冶金结合,提高了钎料层对金刚石的把持力7。单层钎焊法的工具中金刚石出露比例大又不易脱落,因此单层钎焊金刚石工具切割锋利、排屑好。通过金刚石有序排列,不仅实现了工具表
9、面金刚石层的合理排布,充分发挥金刚石的切割作用,而且使金刚石用量大大减少,降低工具成本,提高切削效率。 金刚石刀头的钎焊有其独特性,首先刀头是粉末冶金制品,刀头存在无数的毛细孔;其次刀头是烧结制品,刀头表面和内部都存在氧化物;再次刀头成分不尽相同,对钎焊材料和钎焊工艺的要求千差万别。 由于PCD允许的加热温度受限制(一般耐热温度不高于720780),钎焊材料主要选用银基钎料,而通用的银基钎料耐热温度较低、对金刚石和碳化物的润湿性差。目前已经有专用的PDC工具钎焊材料,通过提高钎料高温强度和疲劳性能并调控合理的钎焊工艺,可以满足PDC钎焊的要求8。 4 金刚石胎体烧结过程中的扩散钎焊 1930年
10、后,开始利用粉末冶金原理制作金刚石圆锯片,初期的工具主要由金刚石、高熔点骨架金属粉、低熔点单质金属粉和填充材料烧结形成,其中低熔点金属粉作为钎料使用。1960年后,金刚石工具迅速发展,越来越多的单位开始系统研究胎体粉末,尤其是预合金形式的粉状钎料在金刚石工具中的扩散钎焊作用得到越来越广泛的关注。 在金刚石工具的使用过程中,大量金刚石由于胎体磨损而脱落流失,而非金刚石本身磨损失效,金刚石的利用率比较低。这是因为传统的金刚石刀头制造是靠胎体对金刚石的机械包镶作用固定金刚石,由于金刚石与一般胎体金属材料不润湿,在使用过程中胎体被磨损到金刚石出露一定高度时,金刚石极易与金属胎体剥离,大大降低了金刚石工
11、具使用性能及寿命。提高胎体对金刚石包镶能力是避免金刚石过早脱落最有效的技术措施,前期主要通过胎体粉末相变产生的机械挤压包镶作用提高把持力;近二十年,活性预合金粉末与金刚石化学冶金结合的研究持续升温9。 在预合金粉末中添加镍、钛、锆、钒、铬、钼、钨等强碳化物形成元素,一方面可以提高合金对金刚石的浸润性,通过烧结过程的扩散钎焊作用提高胎体与金刚石之间的化学结合力,以增加金刚石在磨削过程中的出刃高度,提高切磨效率和金刚石的利用率;另一方面,预合金粉末作为粉状钎料提高了金刚石刀头的稳定性和一致性。新型钎焊材料与技术国家重点实验室根据粉末扩散钎焊机理,对粉状钎料进行系统研究,研发了FBAg625,FBA
12、g737,FBCu14,FBCu17,FBCu18,FBCu70,FBCu423等系列银基和铜基粉状钎料。 由于预合金粉末的熔化温度范围与金刚石刀头烧结温度相适应,热压烧结过程就是扩散钎焊过程,冷压烧结过程是瞬间液相扩散焊过程,无论热压还是冷压工艺均可实现高熔点元素在中温环境下与金刚石润湿反应。 活性预合金粉末取代单质金属粉末用于孕镶金刚石复合体的钎焊性烧结,破解了金刚石工具胎体金属粉混合不均匀、低熔点元素易流失、高熔点活性元素作用弱、高蒸汽压元素易挥发、组元结构性偏聚、结合强度不稳定等技术瓶颈。将基体对金刚石镶嵌的机械把持作用连接优化为镶嵌/钎焊复合连接,提高了金刚石出刃高度和锋利度,采用新
13、型钎焊材料与技术国家重点实验室研发的预合金粉末制备的刀头切割花岗岩时,切割速度可提高1.52倍,锯片寿命延长1.21.6倍。 5 单层金刚石工具的钎焊 单层金刚石工具的直接钎焊,主要应用于砂轮修整笔、测量量具、石材工具、宝石或玻璃雕刻工具和金刚石砂轮、金刚石磨轮、金刚石锉刀的制造10。钎焊工艺可实现金刚石、钎料和金属基体的冶金结合,具有较高的连接强度,金刚石的出刃高度远大于电镀工艺,因而钎焊单层金刚石工具锋利、容屑空间大,使用过程中不易堵塞,金刚石磨粒的利用率高。 大多数钎料合金难以润湿金刚石,且金刚石在高温下容易被石墨化和氧化,受金刚石石墨化转变温度所限,即便在真空环境中金刚石钎焊温度也不宜
14、超过1 05011。钎焊金刚石可供选择的钎料种类少,所选的钎料既要保证与金刚石有良好的润湿,能与金刚石产生化学冶金结合作用;同时又要保证金刚石的锋利度,钎料不能对金刚石有过度的侵蚀;此外,钎料的磨损性能还要与被加工材料相适应,以保证金刚石最佳的出露高度和较长的使用寿命。 钛、锆、铬、钒等碳化物形成元素,能很好地浸润金刚石,但是它们的熔化温度太高,在高温下金刚石将严重石墨化;钴、铁、铝在液态时能有效润湿金刚石,但在可润湿温度区间对金刚石有剧烈的侵蚀作用12。目前常采用两种工艺来提高钎料对金刚石的润湿性及减少金刚石的热损伤,一种是在常规合金钎料中添加某些活性元素以改善对金刚石的润湿性和亲和力;另一
15、种方法是在金刚石表面镀覆金属,在采用高熔点钎料钎焊时,表面金属可有效保护金刚石减少其热损伤,同时改善了钎料对金刚石表面的润湿性。 在常规合金钎料中加入活化元素形成新钎料有两大类,铜基和银基系列有Ag-Cu合金钎料13-14、Cu-Sn合金钎料15和Ni-Cr合金钎料16-17。采用Ag-Cu,Cu-Sn低熔点合金钎料,主要是考虑减少金刚石的热损伤,但是钎焊后的工具强度低,难以实现强力磨削。采用Ni-Cr合金钎焊的金刚石工具,具有良好的耐磨削性能和耐高温性能。 钎焊单晶或单层金刚石工具工艺方法有18-19:真空炉中钎焊、激光钎焊和气保护高频感应钎焊。真空炉中钎焊生产效率高,而且加热均匀,可以焊接
16、结构复杂、尺寸较大的工件;激光钎焊是利用激光束作为焊接热源,焊接时工件局部受热快,金刚石在高温状态下的停留时间短,可有效避免金刚石发生石墨化转变;气保护高频感应钎焊利用高频感应,同时对基体和钎料合金进行加热,加热温度高,加热速度快,温度容易控制,可以局部加热,容易实现自动控制。 6 金刚石刀头与基体的钎焊 金刚石刀头与基体常以钎焊方式连接制造成金刚石工具,日常见到的各类锯、切、磨、钻工具均以钎焊连接为主。这类工具形式多种多样,但连接接头有其共性,即粉末冶金制造的多孔复杂复合体与合金钢的钎焊20。 金刚石工具工作条件比较恶劣,其一般在高速、振动、高温环境下使用,因此金刚石刀头的钎焊难度较大。为提
17、高金刚石工具的工作效率,对其切削速度和进刀量的要求也不断提高,这就要求金刚石工具具有更高的钎缝强度。在提高钎缝强度的技术途径中,钎焊材料与钎焊工艺互为依托、互相促进;在提高钎焊效率的技术途径中,钎焊工艺与钎焊设备互为支撑、互相促进。 钎料的熔化温度与刀头的烧结密切相关,应根据烧结温度选择钎料熔化温度;钎料的强度选择应参照工具的使用条件。金刚石刀头与基体钎焊时钎焊材料应该满足下列条件:钎料熔化温度应在850以下,并且越低越好;钎料对金刚石刀头胎体材料和工具基体具有良好的润湿性和适中的流铺性;钎料还应具有良好的疲劳性能和稳定性,能承受300400的瞬时高温;钎焊工艺操作简便,可采用通用的感应钎焊或
18、火焰钎焊。 钎焊工艺对金刚石工具钎焊接头的力学性能影响因素主要有焊片厚度、焊前处理、加热时间、加热速度、保温时间、焊后处理等。这些因素决定了润湿状况、气孔率、夹杂率、钎缝厚度和钎焊热影响区的残余应力等。 焊片厚度影响接头钎缝厚度,从而影响钎焊接头的抗剪强度和疲劳强度。试验研究表明:采用相同钎料成分和钎焊工艺钎焊金刚石工具时,钎缝厚度在0.20 0.28 mm之间时,钎缝的综合性能较好(复焊时钎料厚度可以降到0.15 mm)。当钎缝厚度较小时,钎料对刀头和工具基体的结合面润湿不充分,导致钎着率不高,钎缝强度较低;同时,钎焊过程中刀头中的锡、铅、铝、铁、钨、钛等元素向焊缝扩散、溶解,促使钎缝组织脆
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- 钎焊 技术 金刚石工具 中的 应用
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