0 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(yīng)用,近年來,用于石材加工業(yè)需求的人造金剛石的數(shù)量不斷上升,其耗用量約占全國人造金剛石總產(chǎn)量的 90%左右.據(jù)國內(nèi)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(dāng)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(jié)合力是避免金剛石早期脫落zui有效的技術(shù)措施.
采用預(yù)合金粉末法實現(xiàn)對金剛石的擴(kuò)散釬焊連接是提高金剛石與胎體的結(jié)合力的有效途徑.在預(yù)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(yù)合金粉末的化學(xué)成分穩(wěn)定,克服了機(jī)械混合粉末的比重偏析,低熔點金屬先熔與富集,易氧化及易揮發(fā)的金屬在燒結(jié)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 預(yù)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(jié)劑兩組分構(gòu)成,一般采用一組低熔點金屬用作粘結(jié)劑,如果將多種金屬預(yù)先熔煉成低熔點合金后再噴制成預(yù)合金粉末,預(yù)合金粉末是性能優(yōu)良的粘結(jié)劑. 使用預(yù)合金粉末做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象,同時由于預(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.在燒結(jié)成金剛石刀頭過程中,只要溫度升到預(yù)合金粉末的熔化溫度,整個粘結(jié)成分的粉末就熔化,而不會出現(xiàn)無法兼顧粘結(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)合金粉末作為金剛石工具胎體的粘結(jié)劑的主要優(yōu)點有以下幾條.
采用預(yù)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(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)工作對象性能的差異有針對性的選用不同性質(zhì)的預(yù)合金粉末,簡化了胎體配料工作. 刀頭燒結(jié)溫度的高低主要取決于粘結(jié)金屬中高熔點金屬熔點的高低,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)溫度下應(yīng)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(yù)合金粉末與骨架成分反應(yīng),有利于增強(qiáng)胎體機(jī)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(yù)合金粉末不會重熔或形變,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.
2 預(yù)合金粉末與金剛石的擴(kuò)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(yù)合金粉末,預(yù)合金粉末對金剛石的潤濕擴(kuò)散主要取決于形成碳化物的傾向和合金液態(tài)狀態(tài)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(nèi)界面張力急劇下降.合金元素在內(nèi)界面上的吸附,可以降低液態(tài)合金的內(nèi)界面張力,內(nèi)界面碳化物生成反應(yīng)可以更大的降低內(nèi)界面張力. 在燒結(jié)成金剛石工具胎體過程中,只要溫度升到預(yù)合金粉末的熔化溫度,整個粘結(jié)成分的粉末就開始浸潤金剛石,并向金剛石擴(kuò)散,從而實現(xiàn)釬焊連接.
分析釬焊潤濕角計算公式可知,內(nèi)界面張力降低導(dǎo)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. mn,pb,ni這類元素,當(dāng)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(xù)固溶體存在,使液態(tài)合金的表面張力提高.當(dāng)合金元素的濃度高時,會向好的方向轉(zhuǎn)化.如cu-ni合金中ni增加到一定濃度,試驗中發(fā)現(xiàn)在金剛石表面有cu-ni合金膜生成并擴(kuò)展. sn,si等元素的銅合金,尚未發(fā)現(xiàn)在碳材料表面形成附著膜,盡管一些元素可以降低液態(tài)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(nèi)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(tài)合金內(nèi)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(nèi)界面上的原子百分?jǐn)?shù)zui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t.%以上時,作用才比較明顯,達(dá)到10at.%時效果,可使?jié)櫇窠?theta;降低至20℃以下.
3 預(yù)合金粉末的制備
預(yù)合金粉末的獲取是通過熔煉和氣水聯(lián)合霧化實現(xiàn)的.預(yù)合金粉末的熔煉要求較高,熔煉時即有強(qiáng)烈的吸氣現(xiàn)象,又有嚴(yán)重的氧化,蒸發(fā)傾向.熔煉時只能采用氮氣保護(hù),而不能用真空冶煉. 有害雜質(zhì)鋁,鉛,鉍,氧,硫,磷等如果單獨分布在晶界上,可引起強(qiáng)度下降現(xiàn)象,熔煉時必須嚴(yán)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(zhì)鉛和鉍. 為了保證熔體的化學(xué)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(zhǔn)確性,必需采用合理的裝料及熔化順序,首先將爐料中數(shù)量zui多的銅裝入熔化,同時將熔點較高的元素預(yù)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(fù)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(tài)性能要好,其優(yōu)點主要有含氧量低,松散密度大等等. 預(yù)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(guān)度.主要工藝關(guān)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(jù)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(fù)壓抽吸力大小等有關(guān),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(tài)下的合金液體,噴成很細(xì)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(xì)粉末,但是耗氣量也大.經(jīng)驗表明,根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu),可用0.8～1.5mpa的壓力.
急冷速度:該速度愈低,則粉末在液態(tài)的時間愈長,也愈容易被氧化或污染,所以根據(jù)粉末性能的要求,要適當(dāng)提高此速度.
4 擴(kuò)散連接的條件
預(yù)合金粉末對金剛石的擴(kuò)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(xiàn)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(xiàn)這種擴(kuò)散,金剛石刀頭制造中一般采用真空或氣體保護(hù)熱壓燒結(jié)工藝.金剛石刀頭熱壓時,預(yù)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(xiàn)金剛石與金屬胎體的擴(kuò)散連接.
由于鉻,鈦,釩在空氣中容易氧化燒損失去作用,結(jié)合劑中的鐵,鈷,鎳元素容易引發(fā)金剛石石墨化,所以必須采用真空熱壓或氣保護(hù)熱壓. 金剛石刀頭熱壓燒結(jié)的氣氛,溫度和時間是關(guān)鍵的技術(shù)工藝參數(shù).分析可以看出: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(yù)合金粉末對金剛石的潤濕性較好;熱壓燒結(jié)溫度較高時損傷金剛石導(dǎo)致金剛石性能弱化.
5 結(jié) 論
（1）粉末中添加少量強(qiáng)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(jié)時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物,實現(xiàn)對金剛石的擴(kuò)散連接,有利于把持力的加強(qiáng)與提高.
（2）用預(yù)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(jié)制品的彈性極限和屈服強(qiáng)度,增加對金剛石的把持力,還可降低燒結(jié)溫度與保溫時間.
（3）預(yù)合金粉末的成分,熔煉工藝,制取方式?jīng)Q定了粉末性能,離心式氣水聯(lián)合霧化制取的粉末更符合金剛石刀頭熱壓燒結(jié)的要求.
（4）真空熱壓燒結(jié)更能充分發(fā)揮預(yù)合金粉末的作用,實現(xiàn)金剛石與胎體的擴(kuò)散連接.