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預合金粉末與金剛石的擴散連接

發布時間:
2019/03/27
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  前 言

  從1954年人造金剛石誕生起始,金剛石鋸片在石材加工方面得到了大量應用,近年來,用于石材加工業需求的人造金剛石的數量不斷上升,其耗用量約占全國人造金剛石總產量的90%左右。據國內外統計資料估計,目前世界上工業金剛石70%左右用于制造石材加工工具,其中占絕大多數的是金剛石圓鋸片。

  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,當胎體被磨損到金剛石露出高度較高時,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。

  采用預合金粉末法實現對金剛石的擴散釬焊連接是提高金剛石與胎體的結合力的有效途徑。在預合金粉末中添加鉻、鈦、釩、鋯、鎳、錳等金屬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;另一方面工作,預合金粉末的化學成分穩定,克服了機械混合粉末的比重偏析、低熔點金屬先熔與富集、易氧化及易揮發的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定性和一致性。

  1 預合金粉末的主要特性

  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,一般采用一組低熔點金屬用作粘結劑,如果將多種金屬預先熔煉成低熔點合金后再噴制成預合金粉末,預合金粉末是性能優良的粘結劑。

  使用預合金粉末做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。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。

  采用預合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結劑的主要優點有以下幾條。

  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能力,并且抗沖擊等性能較好,提高金剛石的利用率。

  預合金粉末中不含易揮發易氧化單質元素,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。

  能根據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。

  預合金粉末熔化區間窄,在一定燒結溫度下應能剛好潤濕金剛石,而在壓力作用下又能流動。

  在熱壓過程中,預合金粉末與骨架成分反應,有利于增強胎體機械性能,又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生變形或松動。

  2 預合金粉末與金剛石的擴散連接

  試驗中選用多種金屬熔煉成低熔點合金后再霧化成粉形成預合金粉末,預合金粉末對金剛石的潤濕擴散主要取決于形成碳化物的傾向和合金液態狀態下的界面張力。

  銅合金對金剛石等潤濕性能的改善,主要取決于加入的合金元素能夠使內界面張力急劇下降。合金元素在內界面上的吸附,可以降低液態合金的內界面張力,內界面碳化物生成反應可以更大的降低內界面張力。

  在燒結成金剛石工具胎體過程中,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開始浸潤金剛石,并向金剛石擴散,從而實現釬焊連接。

  分析釬焊潤濕角計算公式

  預合金粉末與金剛石的擴散連接

  可知,內界面張力降低導致潤濕角θ減小。在Cu基合金中加入碳化物形成元素是改善Cu基合金潤濕性的有效措施。

  表1給出部分合金元素對表面張力和內界面張力的影響排序。

  表1 部分元素對界面張力和表面張力的影響

  預合金粉末與金剛石的擴散連接

  Mn、Pb、Ni這類元素,當含量低時,銅合金不能很好地潤濕碳材料,分析原因是由于Cu-Mn、Cu-Pb、Cu-Ni合金中有連續固溶體存在,使液態合金的表面張力提高。當合金元素的濃度高時,會向好的方向轉化。如Cu-Ni合金中Ni增加到一定濃度,試驗中發現在金剛石表面有Cu-Ni合金膜生成并擴展。

  Sn、Si等元素的銅合金,尚未發現在碳材料表面形成附著膜,盡管一些元素可以降低液態合金的表面張力,但是表面張力的降低對接觸角的影響與內界面張力降低的影響比較起來作用較小。

  TiC的生成自由能比Cr、Mo、V、Mn、Fe等碳化物的生成自由能要低,1000℃時TiC的生成自由能約為4000卡/克.摩爾。從降低液態合金內界面張力的能力上看,Ti只能排在M、Cr、Fe、V、Ta、Nb、Mn、Co、Ni之后,降低表面張力作用也不如上面提到的任何一種金屬,Ti在合金內界面上的原子百分數最小。所以在合金中加入1at.%左右的Ti,對降低接觸角看不出有什么作用,只有加入5at.%以上時,作用才比較明顯,達到 10at.%時效果最好,可使潤濕角θ降低至20℃以下。

  3 預合金粉末的制備

  預合金粉末的獲取是通過熔煉和氣水聯合霧化實現的。預合金粉末的熔煉要求較高,熔煉時即有強烈的吸氣現象,又有嚴重的氧化、蒸發傾向。熔煉時只能采用氮氣保護,而不能用真空冶煉。

  有害雜質鋁、鉛、鉍、氧、硫、磷等如果單獨分布在晶界上,可引起強度下降現象,熔煉時必須嚴格控制和去除。一般加入硅鈣合金來提高流動性,并靠鈣形成高熔點化合物CaP、Ca2Pb、BiCa來消除有害雜質鉛和鉍。

  為了保證熔體的化學成分及含氣量少,減少金屬的熔煉損失,提高合金粉成分的準確性,必需采用合理的裝料及熔化順序,首先將爐料中數量最多的銅裝入熔化,同時將熔點較高的元素預先制成中間合金裝于在銅料中間,靠銅液熔解的辦法加速在微氧化性情況下的熔化,加速熔化速度。

  高溫的熔融合金液體,倒入漏缽之后,在噴射氣體的負壓抽吸下,不斷地從底孔中漏出。隨著噴射氣體的方向飛濺到急冷體上,同時在噴射水流的作用下,保證粉末不會自重熔。

  粉末受到急冷體沖擊及淬火,其性能要比同種氣霧化或水霧化合金狀態性能要好,其優點主要有含氧量低、松散密度大等等。

  預合金粉末的性能,除合金成分外,與制粉過程及制粉工藝有很大的相關度。主要工藝關鍵有以下幾點。

  中間包材料:主要有石墨和硅砂兩類,若采用石墨漏包,則熔體易吸收碳而使粉末的含碳量增高,損害合金成分;若采用硅砂則熔體易氧化。

  漏包底孔直徑:根據合金熔體成分的不同,熔體的流動性也有所不同,流動性差的要求漏缽底孔直徑大,流動性好的要求漏缽底孔直徑可小些。同時,漏包底孔直徑與噴射的壓力、流動性、噴嘴前的負壓抽吸力大小等有關,若氣體的壓力、流量、抽吸力大,則漏缽底孔直徑可小些,反之,則漏缽底孔直徑要求大些。

  噴射氣體:高溫熔融狀態下的合金液體,噴成很細的粉末時,比表面積非常大,極容易被氧化或污染,若用氬氣成本較高,故可采用氮氣作為噴射氣體。

  噴射氣體壓力:壓力大可噴制細粉末,但是耗氣量也大。經驗表明,根據噴嘴的結構,可用0.8~1.5Mpa的壓力。

  急冷速度:該速度愈低,則粉末在液態的時間愈長,也愈容易被氧化或污染,所以根據粉末性能的要求,要適當提高此速度。

  4 擴散連接的條件

  預合金粉末對金剛石的擴散連接是靠在金剛石表面形成碳化物或釬焊金剛石的鍍覆層實現的,但是碳化物的形成需要一定的氣氛、溫度、壓力和時間,為了實現這種擴散,金剛石刀頭制造中一般采用真空或氣體保護熱壓燒結工藝。金剛石刀頭熱壓時,預合金粉末中的碳化物形成元素(鉻、鈦、釩、鉬等)與金剛石界面形成極薄的碳化物,實現金剛石與金屬胎體的擴散連接。

  表2 預合金粉末對金剛石的作用比較

  預合金粉末與金剛石的擴散連接

  由于鉻、鈦、釩在空氣中容易氧化燒損失去作用,結合劑中的鐵、鈷、鎳元素容易引發金剛石石墨化,所以必須采用真空熱壓或氣保護熱壓。

  金剛石刀頭熱壓燒結的氣氛、溫度和時間是關鍵的技術工藝參數。表2是幾種預合金粉末熱壓金剛石刀頭的應用效果,數字5表示效果最佳,數字1表示效果最差。

  分析表2可以看出:低溫長時間熱壓的刀頭的使用壽命長于高溫快速熱壓;含鉻、鈦、釩和含鉻、鋯的預合金粉末對金剛石的潤濕性較好;熱壓燒結溫度較高時損傷金剛石導致金剛石性能弱化。

  5 結 論

  (1)粉末中添加少量強碳化物形成元素如Cr、W、Mo等,由于其對金剛石的潤濕性與親和力較好,燒結時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物,實現對金剛石的擴散連接,有利于把持力的加強與提高。

  (2)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。

  (3)預合金粉末的成分、熔煉工藝、制取方式決定了粉末性能,離心式氣水聯合霧化制取的粉末更符合金剛石刀頭熱壓燒結的要求。

  (4)真空熱壓燒結更能充分發揮預合金粉末的作用,實現金剛石與胎體的擴散連接。

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