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    金剛石釬焊

    金剛石的高硬度和優良物理機械性能使得金剛石工具成為加工各種堅硬材料不可缺少的有效工具。胎體金屬基對金剛石的粘結性(胎體的包鑲能力)是影響金剛石工具使用壽命和性能的主要因素之一。
    由于金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能,致使金剛石顆粒不能為一般低熔點合金所浸潤,粘結性極差,在傳統的制造技術中,金剛石顆粒僅靠胎體冷縮后產生的機械夾持力鑲嵌于胎體金屬基中,而沒有形成牢固的化學鍵結或冶金結合,導致金剛石顆粒在工作中易與胎體金屬基分離,大大降低了金剛石工具的壽命及性能水平。大部分孕鑲式工具中金剛石的利用率較低,大量昂貴的金剛石在工作中脫落流失于廢屑之中。林增棟等率先利用金剛石表面金屬化技術來賦予金剛石表面許多新的特性,如優良的導熱導電性、熱穩性好,改善其原有的理化性能,提高其對金屬或合金溶液的浸潤性等。

    金剛石表面金屬化問題在上世紀70年代就引起了國內外金剛石工具制造界的高度重視。不少人致力于在燒結過程中實現金剛石表面金屬化的研究,在胎體材料中添加或在金剛石表面預粘上強碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前,并未與鍍層發生化學反應,只能屬于金剛石包衣),以期望它們在燒結過程中實現對金剛石的化學鍵結合。盡管文獻已論證了一些金屬例如鎢(未被氧化)在較低溫度下(800℃左右)就能在金剛石表面形成WC層,但從實現金剛石表面預金屬化所用的工藝來看,需在真空條件下、600℃以上加熱1小時才能得到理想的結合力。以目前常用的孕鑲金剛石切削工具的燒結條件來看,在非真空或低真空中不超過900℃加熱5分鐘左右,是不大可能使金剛石表面生成金屬化層的。因為無論活性金屬原子(Ti、V、Cr等)向金剛石表面富集還是界面反應達到結合劑與金剛石冶金結合都是原子擴散過程,根據熱壓所用溫度及這樣短的時間內,這個過程是極不充分的。在固相燒結條件下(有時有少量低強度低熔點的金屬或合金液相),胎體對金剛石的化學鍵結或冶金結合力是十分弱的或根本不會形成。
    金剛石表面預金屬化并非最終目的,而僅是期望與胎體金屬實現化學冶金結合的措施之一。鍍覆后的金剛石在燒結成鋸(鉆)齒后,其折斷面上暴露出的金剛石均失去了鍍層,而脫落了金剛石的殘留坑表面十分光滑,這種現象似乎說明了金剛石與胎體還未能達到化學包鑲的水平。因而即使實現了金剛石的表面預金屬化,傳統的固相粉末冶金燒結法也不可能實現金剛石與胎體材料間的牢固結合。
    上個世紀八十年代末,人們開始探索釬焊技術用于金剛石工具制作。采用在金剛石表面鍍覆某些過渡族元素(如Ti、Cr、W等),并與其發生化學反應在表面形成碳化物。通過這層碳化物的作用,金剛石、結合劑、基體三者就能通過釬焊實現牢固的化學冶金結合,從而實現真正的金剛石表面金屬化,這就是金剛石釬焊的原理。從已發表的專利和文章中可以看出,該技術可使金剛石最大出刃值達到粒徑的2/3,工具壽命提高3倍以上,而常規下該值不足1/3,允許出刃值可用開刃作業達穩定出刃值時來獲取。所以,采用釬焊技術可望實現胎體金屬(釬料)與母體材料—金剛石和鋼基體之間的牢固結合。
    2現狀
    目前,用釬焊法制作金剛石(或立方氮化硼)工具已開始成為熱點技術,但僅局限于單層工具,對于多層實現“孕鑲”尚未見有成果發表。國外的釬焊技術研究始于20世紀80年代后期,但由于工作復雜至今仍停留在實驗階段,其應用也僅局限于單層工具;國內的高溫釬焊技術研究起步較晚,與發達國家相比,研究的廣度和深度遠遠不夠,因而目前進展十分緩慢,但隨著我國加入WTO,研究的步伐必然逐漸加速。
    (1)國外高溫釬焊金剛石工具的研究狀況
    瑞士AKChattopadhyay等用火焰噴鍍法(氧—乙炔焊槍)把釬料合金(72%Ni,14.4%Cr,3.5%Fe,3.5%Si,3.35%B,0.5%O2)鍍于工具鋼基體上,并將金剛石(不包衣)布排于焊料層面上,然后在1080℃、氬氣保護下感應釬焊30秒來實現金剛石與鋼基體結合。釬料合金中的Cr作為一種強碳化物元素,在釬焊過程中向金剛石表面富集而實現金剛石的表面金屬化。
    Wiand等在美國專利上介紹的方法是:焊料(Ni-Cr)金屬粉加有機粘結劑制成釬焊漆,把包衣金剛石粘在工具鋼基體上,然后涂附釬焊漆,再加熱到一個適中的溫度并保溫一定時間以排除揮發物質。在真空爐(真空度1.333×10-2Pa)或干式氫氣爐中加熱到1100℃左右,保溫1小時,釬焊的同時完成金剛石的表面金屬化。
    一些專利中也同樣采用Ni-Cr合金釬料實現了釬焊,釬料中還包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如,在文獻〔14〕中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金釬料在真空爐中實現釬焊,釬焊溫度為1126~1176℃;文獻〔15〕采用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等釬料釬焊金剛石砂輪;文獻〔16〕用Ag-Mn-Zr銀基釬料來釬焊金剛石工具,從而替代電鍍工具。
    德國的ATrenker等在釬焊過程中分別采用了鎳基活性釬料和鎳基釬料來實現金剛石與基體的結合。由與電鍍工具的對比圖可以看出,高溫釬焊金剛石工具的性能比電鍍金剛石工具優異得多,釬焊工具(使用活性釬料和PDA989、PDA665金剛石)起始磨削性能是電鍍工具(鎳基釬料和PDA665金剛石)的3.5倍以上,壽命是電鍍工具的3倍以上;由于釬焊工具有較大的容屑空間,金剛石磨粒有較大的自由切削面且磨粒間空間較多,使切屑很容易被排除,所以釬焊金剛石工具的磨削性能好。
    (2)國內高溫釬焊金剛石工具的研究狀況
    第四軍醫大學和西安交通大學在國內外釬焊金剛石研究的基礎上,采用真空爐(真空度為0.2Pa)內高溫釬焊的方法,以NiCr13P9合金為釬料,配以少量Cr粉,在高溫(950℃)加壓(4.9MPa)的條件下進行釬焊,從而實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。釬料均勻分布于砂輪表面,金剛石已被牢固釬焊,觸摸砂輪表面感覺相當銳利粗糙。釬料在金剛石磨粒間分布均勻,金剛石出刃高度高。其耐用度較電鍍砂輪有了明顯提高,工作后僅有少量金剛石脫落。
    南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釬焊的方法,用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料,在空氣中感應釬焊35秒,釬焊溫度780℃,實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。姚正軍等利用在Ar氣保護爐中感應釬焊的方法,用Ni-Cr合金粉末做釬料,真空感應釬焊30秒,釬焊溫度1050℃,實現了金剛石與鋼基體的牢固連接。利用掃描電鏡和X射線能譜儀,結合X射線衍射結構分析,發現在釬焊過程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應生成Cr3C2和Cr7C3,這是實現合金層與金剛石有較高結合強度的主要因素。磨削實驗采用大切深、緩進給、重負荷進行,從砂輪磨削后的表面形貌來看,沒有金剛石整顆脫落,金剛石磨粒屬正常磨損,說明金剛石有較高的把持強度,適合于高效磨削加工。
    臺灣中國砂輪公司(KNIK.Inc)推出單層均布金剛石高溫釬焊串珠,在不降低其壽命的條件下,金剛石用量減少50%,切割速度提高2倍。
    作者所在課題組在國內外研究的基礎上,采用Ni82CrBSi合金片狀釬料,金剛石均勻排布在釬料片上,在低真空熱壓燒結爐中實現釬焊,對釬焊金剛石工具進行了初步研究,并且探索如何將釬焊這一技術用于孕鑲工具中。從優化金剛石在胎體中的排布方式、金剛石粒度、濃度等靜態結構參數及有效金剛石數量、金剛石間距等動態參數出發,實現單層金剛石在橫向平面的有序排布,再通過疊層法在縱向呈錯落排布,實現工作層中金剛石具備連續工作能力。為檢驗胎體對金剛石的包鑲能力,特制作一只表鑲金剛石鉆頭,進行5次開刃實驗,并測得其最大平均出刃值。通過對釬焊單層工具金剛石出刃高度的測試(金剛石為45/50目),發現了其最大出刃值可達到70%以上,可以看出,釬焊技術可使金剛石與胎體的結合強度大大提高。對金剛石鉆頭(φ63mm)進行鋼筋混凝土鉆進模擬實驗的結果表明,鉆頭在鉆齒磨損近2mm時仍能繼續工作,從理論上講已經有兩層金剛石參與了工作,這似乎說明了可以實現“孕鑲”,具體的應用工藝仍在進一步研究之中。
    3存在的問題
    金剛石釬焊時存在著許多急需解決的難點:①要求釬料對金剛石和胎體有良好浸潤性和結合強度;②釬焊材料及釬焊工藝的選擇要保證金剛石的穩定性,以減少或避免釬料對金剛石的侵蝕;③由于金剛石和金屬基體的熱膨脹系數差異較大,因而焊接殘余應力也較大,降低接頭的強度;④釬料的熔點要高于金剛石工具的工作溫度,所以應尋找熔點較低并與金剛石膨脹系數接近的金屬(合金)材料作為釬料,再考慮加入某些活性元素以改善對金剛石的浸潤性和親和性,達到既能粘結金剛石又能滿足胎體機械性能的目的。此外,金剛石表面金屬化的實現方式、表面金屬與釬料的匹配和選擇、釬劑和氣體介質的選擇等關鍵技術還需進一步成熟和優化。
    金剛石工具的使用效率與壽命除取決于金剛石磨粒被鑲嵌的牢固程度外,還與胎體的耐磨性有關。胎體本身強度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態、金剛石的濃度等都會對胎體的耐磨性產生影響,所以,如何使胎體達到理想的狀態也是今后工作中值得注意的問題。
    4總結
    釬焊技術可實現金剛石、結合劑(釬焊合金材料)和金屬基體界面化學冶金結合,具有較高的結合強度。由于界面上的結合強度高,所以僅需很薄的結合劑厚度就足以牢固地把持住磨粒,其裸露高度可達70%~80%,使磨料的利用更加充分,大大提高了工具的壽命和加工效率。與傳統技術相比,金剛石工具的允許最大出刃值可增加50%以上,在工具的功耗不增或有所降低的條件下,單位體積上工件材料的金剛石耗量減少一半以上。與電鍍工具相比,也顯示了無可比擬的優勢?傊,釬焊技術在金剛石工具制造過程中有著很好的發展前景,應盡快使這一技術實現產業化。

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