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采用預(yù)合金技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金剛石的釬焊連接
[2008-10-12]
前言
從1954年人造金剛石誕生起始，金剛石工具的應(yīng)用日益廣泛，其中，石材加工行業(yè)的金剛石鋸片是耗用金剛石的****領(lǐng)域，其耗用量約占全國(guó)人造金剛石總產(chǎn)量的90％。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料估計(jì)，目前世界上工業(yè)金剛石70％左右用于制造石材加工工具，其中占絕大多數(shù)的是金剛石圓鋸片。
在金剛石圓鋸片的使用過(guò)程中，金剛石的利用率比較低，這是因?yàn)榈额^中的金剛石并非磨損失效，而是以脫落形式大量流失。傳統(tǒng)的金剛石刀頭制造是靠胎體對(duì)金剛石的把持作用固定金剛石，當(dāng)胎體磨損到金剛石被過(guò)多暴露時(shí)，金剛石會(huì)自行脫落。
提高胎體與金剛石的結(jié)合力是避免金剛石早期脫落最有效的技術(shù)措施。遺憾的是金剛石與胎體是很難連接的，目前比較有效的技術(shù)措施是在金剛石表面鍍上鈦、鎳等金屬，以便實(shí)現(xiàn)金剛石與胎體的有效結(jié)合。
傳統(tǒng)的胎體粉是由純金屬或者簡(jiǎn)單合金構(gòu)成，這些金屬要么對(duì)金剛石不潤(rùn)濕、要么在燒結(jié)溫度下對(duì)金剛石沒有潤(rùn)濕性。研究中，在傳統(tǒng)的銅合金中添加鉻、鈦、釩、鋯、鎳、錳等金屬形成預(yù)合金，制成粉末的預(yù)合金含有對(duì)金剛石潤(rùn)濕的活性元素，在金剛石到頭燒結(jié)過(guò)程中，活性元素與金剛石相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了胎體與金剛石的釬焊連接。
預(yù)合金粉末一方面可以提高合金對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性，增加金剛石的出刃高度，提高金剛石的利用率；另一方面，粉狀釬料比機(jī)械混合粉末的化學(xué)成分穩(wěn)定，克服了機(jī)械混合粉末的比重偏析、低熔點(diǎn)金屬先熔與富集、易氧化及易揮發(fā)，低熔點(diǎn)易揮發(fā)金屬在燒結(jié)過(guò)程中被燒損等影響胎體性能的因素，保證了金剛石刀頭的穩(wěn)定性和一致性。
骨架和粘結(jié)劑對(duì)金剛石的把持作用
人造金剛石刀頭的胎體一般由骨架成分和粘結(jié)劑兩組分構(gòu)成，一般選取高熔點(diǎn)、高耐磨、高強(qiáng)度的金屬做骨架材料，選用一組低熔點(diǎn)金屬用作粘結(jié)劑。
在結(jié)合劑的選用上，由于常用的低熔點(diǎn)金屬（錫、鋅等）強(qiáng)度低、易氧化、易富集，它的性能不夠理想，銀、銅等金屬可以克服上述缺點(diǎn)，但是較高的熔點(diǎn)或價(jià)格限制了它們的使用。
在機(jī)械混合粉末燒結(jié)的胎體中，存在于刀頭中的金剛石是靠機(jī)械包鑲和把持作用與胎體連接在一起的，金剛石與胎體的連接主要是機(jī)械連接。
燒結(jié)后的金屬結(jié)合劑胎體已具有一定的致密度和相當(dāng)高的強(qiáng)度、硬度、韌性，對(duì)包裹在其中的金剛石也具有較牢固的機(jī)械鑲嵌作用。
結(jié)合劑應(yīng)具備兩個(gè)基本功能：一是將耐磨材料連接成網(wǎng)格骨架把持金剛石；二是能隨著金剛石的磨耗而磨耗，使金剛石正常出刃。另外，結(jié)合劑除了具備一定的硬度、韌性和耐磨性之外，如果對(duì)金剛石有一定的浸潤(rùn)性將極大的提高金剛石的出刃高度，從而改善金剛石工具的使用性能。
性能良好的結(jié)合劑，就是在金剛石、胎體材料、氣孔率、制造、使用諸條件確定的情況下，能形成足夠穩(wěn)定的胎體；使用時(shí)胎體能與金剛石較好地保持同步磨損或略超前磨損，讓金剛石充分發(fā)揮作用的同時(shí)合理地磨損、脫落。
活性元素對(duì)金剛石的擴(kuò)散釬焊
由于胎體的軟化、弱化作用，單純的機(jī)械把持作用不能避免金剛石的早期脫落，尋求金剛石與胎體材料的冶金結(jié)合途徑一直是金剛石工具行業(yè)追求的目標(biāo)。
采用金剛石表面鍍覆活性元素是一種可行的技術(shù)方案�；钚栽刂傅氖菑�(qiáng)碳化物形成元素和過(guò)渡族元素，這些元素能與金剛石發(fā)生界面反應(yīng)生成化合物，使得金剛石表面覆蓋一層易于與胎體金屬結(jié)合的金屬，這層金屬可以很好的與胎體金屬釬焊在一起。
常用的活性元素有鈦（Ti）、鉻(Cr)、鎢(W)等元素；鉬（Mo）、釩(V)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)等雖然也可以發(fā)生碳化作用，但因價(jià)格高而不被應(yīng)用；另外一些元素鈷（Co）、鎳（Ni）、錳（Mn）、硅（Si）、鋁(Al)在特定條件也可以形成碳化物，能形成的碳化物分別為：Co2C、Ni3C、Mn3C、SiC、Al4C3等。
目前，行業(yè)應(yīng)用中以鍍鈦、鍍鎳最為普遍。
表面鍍覆活性元素可以部分解決冶金結(jié)合問(wèn)題，但不能解決胎體本身燒結(jié)中的低熔點(diǎn)金屬揮發(fā)、富集，高熔點(diǎn)金屬分離問(wèn)題，根據(jù)釬焊原理提出的粉狀形式的預(yù)合金粉末結(jié)合劑從兩個(gè)方面解決這一難題。
粉狀釬料形式的預(yù)合金粉末
對(duì)于不同基的結(jié)合劑，其添加成分也不相同。在胎體成分中常選用高熔點(diǎn)的金屬如鎢、碳化鎢等以調(diào)節(jié)胎體的硬度和耐磨性，同時(shí)選用對(duì)金剛石有很好化學(xué)浸潤(rùn)性的金屬如鈷、鎳、錳、鈦、鉻、釩等金屬作為金剛石的粘結(jié)材料，但是對(duì)金剛石有潤(rùn)濕性的金屬的潤(rùn)濕溫度太高，不符合金剛石工具熱壓燒結(jié)的工藝條件，將這類金屬與銅熔合形成低熔點(diǎn)銅基合金是理想的技術(shù)途徑。預(yù)合金粉末技術(shù)就是基于這種原理。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到以下結(jié)論：Cr、Ti、V的二元銅合金對(duì)金剛石的潤(rùn)濕和擴(kuò)散連接性與合金含量、擴(kuò)散氣氛、擴(kuò)散時(shí)間和作用溫度密切相關(guān)。當(dāng)銅鉻合金中的鉻含量大于0.01at.%時(shí)，開始對(duì)金剛石有浸潤(rùn)現(xiàn)象。當(dāng)合金中Cr含量為0.5at.%時(shí)潤(rùn)濕角接近450。當(dāng)Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1at.%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最高。當(dāng)銅鈦合金中的鈦含量在5at.%以下幾乎對(duì)金剛石沒有任何作用，只有當(dāng)Ti含量大于5at.%時(shí)，潤(rùn)濕角才有明顯下降，當(dāng)Ti含量達(dá)10at.%時(shí)，接觸角可降低到200以下。當(dāng)銅釩合金中V含量達(dá)到0.01at.%時(shí)，合金對(duì)金剛石的粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值高達(dá)65kg/mm2，再提高V含量，粘結(jié)強(qiáng)度下降，當(dāng)V含量增加到10at.%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度下降至15kg/mm2。
綜上所述，Cr、Ti、V元素在銅合金中的濃度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響有共同之處，即在某一濃度，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。
預(yù)合金粉末的應(yīng)用特點(diǎn)
采用預(yù)合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
使用預(yù)合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑，易于調(diào)整胎體性能，使之更適宜于加工對(duì)象，同時(shí)由于預(yù)合金是預(yù)先熔煉成合金，然后才制成粉末的，所以每顆粉末中都包含了組成合金的各種金屬元素，這就比機(jī)械混合多種單一金屬粉末要均勻得多。
預(yù)合金粉的熔化溫度可以調(diào)整到燒結(jié)需要的溫度，在燒結(jié)成金剛石刀頭過(guò)程中，只要溫度升到預(yù)合金粉末的熔化溫度，整個(gè)粘結(jié)成分的粉末就熔化，而不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法兼顧粘結(jié)劑中不同組分熔化溫度差距大難以制訂合理燒結(jié)溫度的難題。
采用預(yù)合金粉末制造的金剛石工具，可以提高胎體對(duì)金剛石的包鑲把持力，從而提高出刃高度；由于合金對(duì)金剛石的擴(kuò)散作用使得金剛石的抗沖擊性能增加。從以上兩方面提高了金剛石的利用率。
預(yù)合金粉末中不含易揮發(fā)易氧化單質(zhì)元素，采用預(yù)合金粉末制造的金剛石工具，提高了胎體的致密性和均勻性，從而改善了胎體的磨損狀態(tài)。
能根據(jù)工作對(duì)象性能的差異有針對(duì)性的選用不同性質(zhì)的預(yù)合金粉末，簡(jiǎn)化了胎體配料工作。
刀頭燒結(jié)溫度的高低主要取決于粘結(jié)金屬中高熔點(diǎn)金屬（銅等）熔點(diǎn)的高低，預(yù)合金粉末的熔化溫度較低，熱壓溫度低，能避免燒結(jié)高溫對(duì)金剛石造成的熱損傷。
預(yù)合金粉末熔化區(qū)間窄，在一定燒結(jié)溫度下既可以潤(rùn)濕金剛石，而在壓力作用下又具有觸變流動(dòng)行為。
在熱壓過(guò)程中，預(yù)合金粉末與骨架成分反應(yīng)，能夠擴(kuò)散釬焊胎體，有利于增強(qiáng)胎體機(jī)械性能，并且不會(huì)形成低熔脆性相。
在金剛石工具正常的工作溫度下，預(yù)合金粉末不會(huì)重熔或形變，保證了粘結(jié)層能承受胎體中硬質(zhì)顆粒（骨架成分和金剛石）傳給它的應(yīng)力而不產(chǎn)生變形或松動(dòng)。
結(jié)論
�。�1）在預(yù)合金粉末中添加少量強(qiáng)碳化物形成元素，如Cr、Ti、W、Mo等，金剛石與胎體在燒結(jié)過(guò)程中可以在金屬界面上形成碳化物，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石與胎體的擴(kuò)散連接。
�。�2）在預(yù)合金的作用下，胎體骨架材料的機(jī)械性能得到提高，有利于胎體對(duì)金剛石把持力的加強(qiáng)與提高。
�。�3）用預(yù)合金化粉末，可防止低熔點(diǎn)金屬過(guò)早流失與偏析，有利于提高燒結(jié)制品的彈性極限和屈服強(qiáng)度，增加對(duì)金剛石的把持力，還可降低燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間。
�。�4）采用粉狀釬料作為預(yù)合金粉末實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的擴(kuò)散釬焊連接是提高金剛石與胎體結(jié)合力的有效途徑。
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