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【浅析】钎焊金刚石工具的技术现状

发布时间:2019/7/19 9:03:21

  

  目前,用钎焊法制作金刚石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”尚不成熟。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,因而进展十分缓慢,文中就金属结合剂金刚石工具固结金刚石磨粒的技术特点以及在运行过程中金刚石磨粒容屑空间的特点进行了阐述,分析了钎焊法制作金刚石工具的现状,指出了钎焊金刚石工具的技术问题和解决出路。

  1 金属结合剂金刚石工具

  按照制作方法不同,金属结合剂金刚石工具可分为以下三类:粉末冶金热压烧结金刚石工具、电镀金刚石工具和钎焊金刚石工具。

  1.1 粉末冶金热压烧结金刚石工具

  粉末冶金热压烧结金刚石工具是以金刚石为切磨材料,以金属粉末为结合剂,利用粉末冶金的方法,经过混料、造粒、压制成型、烧结以及必要的后期修整加工而成的一类金刚石工具制品。

  产品已形成系列化、标准化,品种规格齐全,产品质量稳定,部分产品在国际市场上具有一定的竞争力。粉末冶金热压烧结金刚石工具是各类金刚石制品中出现最早的一类,也是目前品种最多、用量最大、用途最广的一类,其产品销量占据整个金属结合剂金刚石工具的80%以上。

  尽管利用该方法生产的金刚石工具在各行业得到了广泛应用,并取得显著的经济效益,但其固结金刚石磨粒技术本身始终存在着严重的不足,金刚石的有效使用率大约在10%左右,造成了金刚石磨粒资源的极大浪费。主要表现在金刚石磨粒基本上是以机械包镶的形式存在于金属胎体中,金属结合剂对金刚石磨粒的把持能力不强,金刚石工具在使用过程中非正常磨损、脱落、残出的金刚石较多,金刚石实际利用率较低,金刚石原料浪费较大。

  多年来业内专家为了提高金属结合剂对金刚石的把持能力做了大量的工作,除了通过对金刚石进行表面改性(表面金属化、表面形貌改变等)来增强金属结合剂对金刚石磨粒的把持力有一定的效果外,通过直接在金属结合剂中加入适量的Ti(钛)、Cr(铬)、In(铟)、Zr(锆)等活性元素来强化金属结合剂均没有大的技术突破。在学术界普遍认为金属结合剂的增强机理就是通过在金刚石表面与结合剂之间形成一层金属碳化物,通过碳化物作为过渡层,提高结合剂对金刚石表面的润湿能力与毛细作用能力,达到化学冶金结合的效果。

  而实际上在热压烧结过程中,为了保护金刚石磨粒不被石墨化,影响金刚石的使用质量,其烧结温度达不到这些活性元素的熔化温度,碳化物无法形成,导致活性元素起不到理论上的理想作用。金刚石磨粒只好被机械的夹持在金属结合剂中,并没有发生所谓的化学冶金反应。所以,此类工具仅靠机械包镶形式来固定金刚石磨料,在使用过程中对金刚石的把持力是有限的。

  观察大量的粉末冶金热压烧结金刚石工具使用情况发现,金刚石磨粒的容屑空间是在运行过程中形成的,是靠加工材料废屑的反磨削而得到的,金刚石磨粒的容屑空间是一个从无到有的过程,所以在金刚石磨粒有效使用时间内,其容屑空间的平均值是非常小的,因而在使用过程中使得加工材料废屑堵塞并烧伤划伤工件的现象是经常发生的。

  1.2 电镀金刚石工具

  电镀金刚石工具是通过电镀的方法,经过金属电沉积过程,将一层金刚石牢固地镶在金属基体上的一种制品。该类制品具有效率高、磨削精度高的特点,主要产品以成形研磨和精密加工工具为主,产品也广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域。

  尽管该方法生产的各种金刚石工具在一定的行业中得到广泛应用,并取得一定的经济效益,但固结金刚石磨粒技术本身也存在着严重的不足,金刚石的有效使用率大约在20%左右。主要表现在金属结合剂对金刚石磨粒的把持能力也不强,金刚石磨粒只是以机械的包埋镶嵌在镀层金属中。

  电镀的方法是,Ni或Ni-Co或Ni-Co-Mn等金属离子不断在阴极金刚石及基体表面析出、进入、埋入,下一电镀层依次沉积,如此反复沉积到一定厚度后,半成品从电镀液中取出进行上砂、增厚等后续工艺处理,最终得到电镀金刚石工具。在整个制作过程中,金刚石没有发生化学冶金反应。所以,此类工具也是仅靠机械包镶形式来固定金刚石磨料,在使用过程中对金刚石的把持力也是有限的,电镀层一旦被磨损到磨粒一半高度时,金刚石磨粒就会自然脱落。

  观察大量的电镀金刚石工具使用情况发现,未剥落的金刚石磨粒大约有2/3高度被沉积在电镀金属层中,所以金刚石磨粒的容屑空间基本上是固定的,并且也是比较小的,这样在使用过程中也仍然会出现加工材料废屑堵塞并烧伤划伤工件现象。

  1.3 钎焊金刚石工具

  钎焊金刚石工具是通过钎焊的方法,经过金属焊料熔化过程,将一层金刚石牢固地焊接在金属基体上的一种工具制品。该类制品具有效率更高、单颗粒金刚石使用寿命长、磨削精度高的特点,主要产品涵盖所有粗及中粗粒度电镀金刚石工具和部分热压金刚石工具。

  为了避免传统制造方法带来的把持力低、容屑空间小、出露高度低和易脱落等问题,同时能更大的利用单层金刚石工具的优点,2000年开始至今,钎焊技术被应用到金刚石工具的制造领域并且得到快速的发展。钎焊技术作为一种新型的金刚石工具制造方法,在国内外受到广泛关注。钎焊方法与其他熔焊方法不同,钎焊过程中钎料合金熔化温度要比母材熔化温度低,钎焊温度要小于母材固相线而高于钎料液相线。针对金刚石而言,这就需要钎焊温度小于金刚石的石墨化转变温度。钎焊时,钎料在金刚石表面润湿、毛细作用、填充、铺展、紧密包裹金刚石磨粒,同时在金刚石与钎料合金之间以碳化物的形式形成化学冶金结合。以钎焊法制作的金刚石工具,其金刚石磨粒结合强度和出刃高度都较高,锋锐性和切削性能得到了提高,容屑空间固定并且比较大,特别适合高速高效磨削加工、难加工材料的加工和精密加工。近年来,高温钎焊单层金刚石工具成为国内外高校研究机构和生产厂商的研究开发热点。

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