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預合金技術如何實現(xiàn)金剛石的釬焊連接

查看：2682 　發(fā)稿日期：2016-01-13 20:01:00

從1954年人造金剛石誕生起始，金剛石工具的應用日益廣泛，其中，石材加工行業(yè)的金剛石鋸片是耗用金剛石的最大領域，其耗用量約占全國人造金剛石總產(chǎn)量的90％。據(jù)國內外統(tǒng)計資料估計，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程中，金剛石的利用率比較低，這是因為刀頭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金剛石的把持作用固定金剛石，當胎體磨損到金剛石被過多暴露時，金剛石會自行脫落。

提高胎體與金剛石的結合力是避免金剛石早期脫落最有效的技術措施。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措施是在金剛石表面鍍上鈦、鎳等金屬，以便實現(xiàn)金剛石與胎體的有效結合。

傳統(tǒng)的胎體粉是由純金屬或者簡單合金構成，這些金屬要么對金剛石不潤濕、要么在燒結溫度下對金剛石沒有潤濕性。研究中，在傳統(tǒng)的銅合金中添加鉻、鈦、釩、鋯、鎳、錳等金屬形成預合金，制成粉末的預合金含有對金剛石潤濕的活性元素，在金剛石到頭燒結過程中，活性元素與金剛石相互擴散，實現(xiàn)了胎體與金剛石的釬焊連接。

預合金粉末一方面可以提高合金對金剛石的浸潤性，增加金剛石的出刃高度，提高金剛石的利用率；另一方面，粉狀釬料比機械混合粉末的化學成分穩(wěn)定，克服了機械混合粉末的比重偏析、低熔點金屬先熔與富集、易氧化及易揮發(fā)，低熔點易揮發(fā)金屬在燒結過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。

1 骨架和粘結劑對金剛石的把持作用

人造金剛石刀頭的胎體一般由骨架成分和粘結劑兩組分構成，一般選取高熔點、高耐磨、高強度的金屬做骨架材料，選用一組低熔點金屬用作粘結劑。

在結合劑的選用上，由于常用的低熔點金屬（錫、鋅等）強度低、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，但是較高的熔點或價格限制了它們的使用。

在機械混合粉末燒結的胎體中，存在于刀頭中的金剛石是靠機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械連接。

燒結后的金屬結合劑胎體已具有一定的致密度和相當高的強度、硬度、韌性，對包裹在其中的金剛石也具有較牢固的機械鑲嵌作用。

結合劑應具備兩個基本功能：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，結合劑除了具備一定的硬度、韌性和耐磨性之外，如果對金剛石有一定的浸潤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)揮作用的同時合理地磨損、脫落。

2 活性元素對金剛石的擴散釬焊

由于胎體的軟化、弱化作用，單純的機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合途徑一直是金剛石工具行業(yè)追求的目標。

采用金剛石表面鍍覆活性元素是一種可行的技術方案�；钚栽刂傅氖菑娞蓟镄纬稍睾瓦^渡族元素，這些元素能與金剛石發(fā)生界面反應生成化合物，使得金剛石表面覆蓋一層易于與胎體金屬結合的金屬，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，但因價格高而不被應用；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合問題，但不能解決胎體本身燒結中的低熔點金屬揮發(fā)、富集，高熔點金屬分離問題，根據(jù)釬焊原理提出的粉狀形式的預合金粉末結合劑從兩個方面解決這一難題。

3 粉狀釬料形式的預合金粉末

對于不同基的結合劑，其添加成分也不相同。在胎體成分中常選用高熔點的金屬如鎢、碳化鎢等以調節(jié)胎體的硬度和耐磨性，同時選用對金剛石有很好化學浸潤性的金屬如鈷、鎳、錳、鈦、鉻、釩等金屬作為金剛石的粘結材料，但是對金剛石有潤濕性的金屬的潤濕溫度太高，不符合金剛石工具熱壓燒結的工藝條件，將這類金屬與銅熔合形成低熔點銅基合金是理想的技術途徑。預合金粉末技術就是基于這種原理。

根據(jù)實驗結果分析得到以下結論：Cr、Ti、V的二元銅合金對金剛石的潤濕和擴散連接性與合金含量、擴散氣氛、擴散時間和作用溫度密切相關。

當銅鉻合金中的鉻含量大于0.01at.%時，開始對金剛石有浸潤現(xiàn)象。當合金中Cr含量為0.5at.%時潤濕角接近450。當Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1at.%時，粘結強度最高。

當銅鈦合金中的鈦含量在5at.%以下幾乎對金剛石沒有任何作用，只有當Ti含量大于5at.%時，潤濕角才有明顯下降，當Ti含量達10at.%時，接觸角可降低到200以下。

當銅釩合金中V含量達到0.01at.%時，合金對金剛石的粘結強度出現(xiàn)峰值高達65kg/mm2，再提高V含量，粘結強度下降，當V含量增加到10at.%時，粘結強度下降至15kg/mm2。

綜上所述，Cr、Ti、V元素在銅合金中的濃度對粘結強度影響有共同之處，即在某一濃度，粘結強度出現(xiàn)峰值。

4 預合金粉末的應用特點

采用預合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結劑主要有以下優(yōu)點。

使用預合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結劑，易于調整胎體性能，使之更適宜于加工對象，同時由于預合金是預先熔煉成合金，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，這就比機械混合多種單一金屬粉末要均勻得多。

預合金粉的熔化溫度可以調整到燒結需要的溫度，在燒結成金剛石刀頭過程中，只要溫度升到預合金粉末的熔化溫度，整個粘結成分的粉末就熔化，而不會出現(xiàn)無法兼顧粘結劑中不同組分熔化溫度差距大難以制訂合理燒結溫度的難題。

采用預合金粉末制造的金剛石工具，可以提高胎體對金剛石的包鑲把持力，從而提高出刃高度；由于合金對金剛石的擴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。

預合金粉末中不含易揮發(fā)易氧化單質元素，采用預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)工作對象性能的差異有針對性的選用不同性質的預合金粉末，簡化了胎體配料工作。

刀頭燒結溫度的高低主要取決于粘結金屬中高熔點金屬（銅等）熔點的高低，預合金粉末的熔化溫度較低，熱壓溫度低，能避免燒結高溫對金剛石造成的熱損傷。

預合金粉末熔化區(qū)間窄，在一定燒結溫度下既可以潤濕金剛石，而在壓力作用下又具有觸變流動行為。

在熱壓過程中，預合金粉末與骨架成分反應，能夠擴散釬焊胎體，有利于增強胎體機械性能，并且不會形成低熔脆性相。

在金剛石工具正常的工作溫度下，預合金粉末不會重熔或形變，保證了粘結層能承受胎體中硬質顆粒（骨架成分和金剛石）傳給它的應力而不產(chǎn)生變形或松動。

5 結論

（1）在預合金粉末中添加少量強碳化物形成元素，如Cr、Ti、W、Mo等，金剛石與胎體在燒結過程中可以在金屬界面上形成碳化物，實現(xiàn)對金剛石與胎體的擴散連接。

（2）在預合金的作用下，胎體骨架材料的機械性能得到提高，有利于胎體對金剛石把持力的加強與提高。

（3）用預合金化粉末，可防止低熔點金屬過早流失與偏析，有利于提高燒結制品的彈性極限和屈服強度，增加對金剛石的把持力，還可降低燒結溫度與保溫時間。

（4）采用粉狀釬料作為預合金粉末實現(xiàn)對金剛石的擴散釬焊連接是提高金剛石與胎體結合力的有效途徑。

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