钎焊技术在金刚石工具中的应用涿州

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 2011： 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

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