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钎焊在金刚石工具制备中的应用

日期:2019/1/25
来源:中国研磨网《中国研磨》杂志

   ■ 王光祖/文

  多少年来,从事金刚石工具(如磨具、锯片、钻头等)的科研工作者及生产者就注意到了这些传统工具在使用中存在磨料易脱落的问题,其关键原因在于结合剂对磨料只具有机械包埋作用,致使其结合力很弱。为此,西方国家在二十世纪九十年代初期开始,用高温钎焊来替代电镀或烧结开发新一代金刚石工具,因高温时,其在金刚石、钎料与母材界面上可能发生诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用,这样可以从根本上改善磨料、钎料在合金、基体之间的结合强度。本文拟引用应用事例加以佐证。

  1、提高金刚石薄壁钻头的效率

  金刚石薄壁钻头作为一种用途广泛的金刚石工具,在建筑装修、混凝土拆除、植筋加固、混凝土、浅层地表取样检验、设备安装等方面都有广泛的应用,市场需求较大。

  金刚石薄壁钻头的钻机绝大多数都是手工给进操作的,特别是遇到钢筋时,钻进明显困难,劳动强度较大。而且工程应用中一般都有严格工期要求,所以如何提高薄壁钻头的效率、降低工人劳动强度是金刚石薄壁钻头开发的重点之一。

  庞丰提出向钻头胎体中添加造孔剂,降低胎体的耐磨性,以增强金刚石的出刃,提高钻进时效,也就是说在某种状态下,通过适当添加一些“减弱”胎体本身强度的材料,可以达到提高钻进效率的效果。

  胎体强度和硬度检测的效果,随着添加剂N的加入量提高,抗弯强度逐渐降低,添加量为2%,强度由纯Co的93%,下降7%;添加量为4%,为原来的84%,下降16%;在添加量超过4%后下降速度加快,添加量为6%,强度下降到35%,硬度也呈同样的趋势。

  2、钎焊微粉金刚石磨盘磨块

  磨削、研磨和抛光技术是重要的平整加工技术,广泛应用于蓝宝石衬底基材、功能陶瓷、光学窗口和石材等硬脆性材料的加工,它是使被加工工件表面逐渐变光滑、超光滑的加工过程。其中研磨的作用是去除大量表面材料,并尽量对工件造成小的表面损伤和划痕。研磨包括游离磨料研磨和固结磨料研磨,游离磨料研磨由于游离磨料和研磨液的使用,使其存在着成本高、效率低和易污染环境等缺点,而固结磨料研磨由于把磨料固结在磨具中,研磨液由水和简单的化学试剂组成,不再添加磨粒,因而具有加工效率高、加工成本低、工艺可控性强以及绿色环保等一系列优点,采用固结磨料研磨对工件进行平整加工有着明显的经济效益、环境效益和社会效益。

  树脂结合剂磨具、金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具和电镀结合剂磨具等传统的金刚石固结磨具具有耐磨损性能好、磨削温度低、磨料硬度高等优点,但随着应用的日益广泛,也暴露出磨料容易脱落、容屑空间不足、易堵塞等缺点。与此相比,钎焊金刚石磨具则具有把持力大、磨粒出露高、容屑空间大等一系列优点。基于此,国内外许多学者对钎焊金刚石磨具相关领域开展了许多研究,主要集中在磨具制备和加工条件优化两方面,而对磨盘上不同的磨块分布形式对工件去除均匀性的影响所展开的研究较少。

  然而,磨块的排布形式也影响着工件表面的全局平坦化。因此,本文对对称和螺旋这两种常用磨块排布的钎焊微粉金刚石磨盘研磨硅片和陶瓷的去除均匀性进行讨论,探讨能够获得表面质量较优的磨块分布,进而能够指导金刚石磨盘的制备。

  3、钎焊金刚石薄壁钻磨氮化硅陶瓷孔

  现代石油、化工、航空航天等工业领域中,高温、高压、强腐蚀等复杂工况日益增多,对球阀的使用性能提出了更高的要求。陶瓷球阀具有高硬、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀等优越性能,能够满足复杂工况要求。但是加工非常困难,尤其是孔的加工,严格制约了陶瓷球阀的推广应用。

  国内外研究者已经对工程陶瓷的磨削钻孔加工进行了较多研究,很多为平面磨削或者加工对象多为氧化铝陶瓷,对氮化硅陶瓷孔的加工技术研究相对较少。陶瓷球阀孔对加工精度要求较高,加工过程包括粗加工和精加工等工序。为提高陶瓷球阀孔的加工效率,针对陶瓷球阀孔粗加工工序,采用单层钎焊金刚石薄壁钻,进行钻磨氮化硅陶瓷孔的实验研究,对氮化硅陶瓷材料的去除机理进行初步研究,重点研究刀具壁厚、主轴转速以及钻压对加工效率的影响。

  丁金等通过分析得出:

  (1)氮化硅陶瓷去除机理主要包括裂纹扩展控制的脆性去除和塑性变形去除,且以脆性去除为主。

  (2)通过在钻磨试验中发现,随着壁厚的增大,加工效率呈下降趋势;随着主轴转速和钻压增大,加工效率呈先增大后减小的趋势。三个参数(壁厚、主轴转速、钻压)对加工效率影响的最佳值分别为壁厚1.5mm、主轴转速710r/min、钻压613N;并且壁厚不宜超过2mm,主轴转速不宜超过900r/min,钻压应在500—705N之间,低于300N刀具易出现打滑现象。

  4、钎焊金刚石线锯切割单晶硅

  钎焊金刚石线锯是一种新型的固结磨料线锯,利用钎焊金刚石磨料粒技术,实现了钎焊层与磨粒之间的化学键结合,大大提高钎料层对磨粒的把持力,避免切割过程中发生磨粒脱落现象,提高单晶硅的切割质量。

  比如张国青等人通过对钎焊金刚石线锯在切割单晶硅材料过程中发现:

  (1)针对钎焊金刚石线锯,其断裂形式主要有两种:韧性断裂和疲劳断裂。当切割参数选择不当时,切割过程中受到的拉力超过其允许值,发生韧性拉伸断裂;当切割参数选择合适时,经过较长时间的切割加工,线锯表面微细裂纹延伸至线丝基体内部,线锯发生疲劳断裂,其断裂过程为:微细裂纹——裂纹扩展——断裂。

  (2)切割过程中,应该选择比较高的线锯走丝速度和比较小的进给速度,尽量避免线锯的韧性断裂;同时,还应该尽量推迟线锯的疲劳隙断裂时间。

  (3)线锯钎焊接质量好坏直接决定了自身抗拉强度的极限值大小和疲劳断裂时间,如何减小钎焊过程中的线锯基体的损伤和热应力,是钎焊金刚石线锯制备工艺研究的重点和难点。

  5、钎焊烧结金刚石雕刻磨头

  韩鹏等采用预钎焊金刚石磨粒制作了烧结金刚石雕刻磨头,并对雕刻磨头的节块力学性能和加工性能进行了分析,以验证磨粒预钎焊金刚石雕刻磨头的优越性。得到了如下结论:

  采用三维有限元模型来分析预钎焊磨粒界面层对节块力学性能的影响,结果均显示,随着金刚石体积浓度的增加,金刚石上的应力值变小,但胎体上的应力增加,胎体容易产生裂纹甚至断裂。

  预钎焊雕刻磨头的锋利度和加工寿命明显优于常规雕刻磨头,其中Cu基钎料预钎焊金刚石雕刻磨头的加工时间最少,即锋利度最好,这主要是由于Cu基钎料的强度低于Ni基钎料,在加工中金刚石容易出刃,故锋利度高。而Ni基钎料强度高,耐磨,金刚石磨粒不容易出刃,故Ni基钎料预钎焊金刚石雕刻磨头的锋利度较低。由于胎体对Ni基钎料预钎焊金刚石磨粒把持强度高,胎体和Ni基钎料强度高,故最耐磨。

  6、钎焊金刚石工具钻孔加工工程陶瓷的扭矩研究

  工程陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、耐腐蚀、抗氧化、防核辐射等优异的性能,从航空航天、机械、电子、能源、军事、国防工业到人们的日常生活都已得到广泛应用。工程陶瓷材料的硬脆特性、高弹性模量和高抗压低抗拉强度,使其加工难度相比于金属材料更大。国内外大多数工程陶瓷孔加工通常采用电火花、超声波和激光等特种加工技术。这些加工方法普遍存在加工成本高、设备繁杂且不易实现现场加工的缺点。同时特种加工方法还主要应用于微小孔的加工,对直径数毫米甚至几十毫米的陶瓷孔的加工效率很低。

  聂励鹏等根据加工技术的经济性、方便性和实用性,运用传统机械加工方法,使用钎焊法制备的金刚石钻孔工具对SiC和Al2O3工程陶瓷材料进行孔加工实验,研究钎焊金刚石钻孔工具在不同加工参数及不同条件下的扭矩变化。其结果是:

  采用不同粒度钎焊金刚石工具加工SiC和Al2O3工程陶瓷试验中,随着主轴转速和进给速度的增加,产生的扭矩相应增加,30/40目钎焊金刚石工具时产生的扭矩大于40/50目钎焊工具,40/50钎焊工具产生的扭矩比50/60目工具大。

  采用同一成分不同浓度的冷却液时,随着冷却液浓度的增加,产生的扭矩相应减小。无论加入哪种成分的冷却液,钎焊金刚石工具加工SiC和Al2O3工程陶瓷时,扭矩都小于水冷却液,其中加入十六烷基三甲基溴化氨冷却液,产生的扭矩最小。

关键字:钎焊
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