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钎焊技术在金刚石工具中的应用
龙伟民
龙伟民1高雅1何鹏2吴铭方3栗正新4王裕昌5
(1.郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室,郑州450001;2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,
哈尔滨150001:3.江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江212003;4.河南工业大学材料科学与工程学院,
郑州450001;5.河南黄河旋风股份有限公司,河南许昌461500
摘要简要介绍了金刚石工具、工具分类及其制造过程中用到的钎焊技术,分析了金刚石颗粒与基体的连接原
理与形式,就金刚石工具行业国内外发展状况评述了钎焊技术的相应发展,阐述了预合金粉末的扩散钎焊现象及
有益作用,探讨了钎焊材料、钎焊工艺和钎焊设备的协同规律,提出了金刚石工具行业钎焊技术的发展方向,为国
内金刚石工具和焊接行业发展研究提供参考。
关键词:金刚石金刚石工具钎焊材料钎焊技术
中图分类号:TG454
1金刚石工具及其分类
近几年,全球人造金刚石产量已达到150亿克拉,
中国的人造金刚石产量稳居世界第一。中国的金刚石
金刚石是集多种优异性能于一身的功能材料,它工具后发先至,近二十年得到了飞速发展,不仅产量居
是迄今为止所发现的硬度最高的天然材料,它独特的世界第一,而且发展了品种齐全的新型工具。
光学、热学、力学特性又强化了它在功能材料中的地
金刚石工具的应用领域非常广泛,主要用于石材
位。金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两大类,其中加工、陶瓷改型、地质钻探、石油钻井和矿业开采行业,
人造金刚石又有单晶和聚晶之分,这三类金刚石均可在建筑、建材、机械加工、光学玻璃和珠宝加工及电子
用于制造金刚石工具。
电器行业也有重要地位』现代制造业对金刚石工具的
需求越来越多,高端装备制造更是越来越依赖金刚石
收稿日期:2017-02-16
刀具的发展,高速、超速、高精、超精切磨,尤其是硬脆
基金项目:国家国际科技合作计划项目(2015DFA50470)
和高硬材料的加工已经离不开金刚石工具2?。根据用
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途,可将金刚石工具分为锯切工具、磨抛工具、刀具、钻
金刚石与大多数金属材料存在天然的“格格不入”
探工具、拉丝模等。
之特性,物理性质方面金刚石与其它材料物性不匹配,
金刚石锯切工具按照形状分为金刚石圆锯片、金化学性质方面治金不相容,金刚石连接受到限制。
刚石排锯、金刚石绳锯、金刚石线锯、金刚石内孔锯等?
金刚石的工业应用初期,机械镶嵌是主要形式,比
金刚石圆锯片是目前石材、建筑行业使用最普遍的锯如金刚笔、玻璃刀等,这类工具要求使用大颗粒金刚
切工具,广泛应用于花岗岩、大理石、陶瓷、混凝土等制石。
品的切割。在绿色制造大潮中,金刚石圆锯片向多片组
对于粒度不大的金刚石,机械镶嵌几乎不可能,电
合锯方向发展,组合锯与排锯是典型;排锯是将几十根镀镀层固定镶嵌应运而生。电镀金刚石工具的一般流
金刚石锯条并排安装在锯机的框架上,切割效率比通程如下:工具胎体加工→尺寸检査→机械处理→除油
常使用的加砂大锯高数倍,切出的板料截面光滑平整,→酸洗→绝缘处理→除锈→冷热水洗一阳极腐蚀一冷
可显著减少磨抛工作量。金刚石绳锯一般应用于花岗热水洗→电镀→上金刚石→加厚镀层→出槽清洗→除
岩、大理石矿山的荒料开采、钢筋混凝土或金属结构件氢→检验→成品工具。
的切割,并逐步过渡到异形石材和板材的加工。金刚石
电镀金刚石的把持强度不高、金刚石出露高度较
线锯能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割,广泛应用低,影响金刚石的切削力和锋利度,钎焊金刚石工具弥
于半导体和光伏电池切片加工,并在陶瓷、石英、木材补了这类缺陷側。钎焊金刚石工具又分为表镶和孕镶两
等加工中显示出独特优势。
类,表镶工具是将金刚石直接钎焊于基体表面,孕镶工
金刚石磨抛工具是指用结合剂将金刚石粘结成具具是将金刚石与其他材料烧结成复合体。金刚石复合
有一定几何形状的磨具的总称,金刚石磨具磨削光洁体的烧结过程实质是金刚石与基体材料之间的扩散钎
度高、工作效率高、加工成本低、产品的使用寿命长。常焊过程。将金刚石与硬质合金热压成为复合片(PDC)
见的金刚石磨具有磨盘、磨块、磨头、磨碗、滚筒、滚轮、金刚石连接即转为硬质合金的连接
磨边轮、铣磨轮、正切轮、珩磨轮、珩磨条、珩磨块等等。
金刚石刀具的特点是硬度和耐磨性极高、弹性3钎焊技术在金刚石工具中的呈现形式
量高、摩擦系数低、热膨胀系数低、传热好,以及与有色
金刚石胎体(俗称刀头)烧结过程中也是一个扩散
金属粘结性小等优点。既可用于非金属硬脆材料(如陶钎焊过程?。金刚石工具的钎焊分为单层金刚石工具钎
瓷、石墨、复合材料等)的加工,亦可用于韧性有色金属焊、金刚石刀头钎焊和PDC复合片钎焊三大类。
材料(如铜合金、铝合金等)的精密加工。金刚石刀具类
金刚石刀头热压或冷压烧结过程是典型的扩散钎
型繁多,各种刀具的使用性能差别较大,其结构、制备焊过程。在金刚石刀头制作的初期,一般是采用低温金
方法和应用领域有较大区别。常见的金刚石刀具有金属粉的熔化扩散钎焊高温金属粉,进一步镶嵌把持金
刚石车刀、金刚石铣刀、金刚石镗刀、金刚石拉刀、金刚刚石;随着技术发展,出现了含碳化物形成元素(铬、
石钻头以及金刚石成形刀具。
钛、钒、钼等)的活性预合金粉末,通过活性预合金粉末
金刚石钻头是先进的钻探工具,金刚石钻头的钻与金刚石反应形成碳化物实现扩散钎焊或钎焊连接,
进效率高、钻孔质量好、施工劳动强度比较轻、钴探成碳化物的形成缓慢,是预合金粉中的活性元素与金刚
本低。金刚石钻头按用途主要分为石油钻头、煤炭钴石中的碳元素相互扩散迁移的过程,需要在一定温度
头、地质勘探钻头、工程勘探钴头、工程薄壁钻头、玻璃下保温较长时间以实现原子扩散和反应,因此热压烧
钻头、复合材料钻头等。
结工艺更易实现这种扩散间。
单层金刚石工具的钎焊一般采用活性钎料或镍基
2金刚石连接的形式
钎料,通过强碳化物形成元素或合金,实现胎体材料与
由于金刚石制造技术所限,单颗粒金刚石的尺度金刚石之间的化学治金结合,提高了钎料层对金刚石
较小,金刚石常以细微颗粒甚至是微粉形态供应,这为的把持力。单层钎焊法的工具中金刚石出露比例大又
金刚石的使用带来难题。由于金刚石只有依附于基体不易脱落,因此单层钎焊金刚石工具切割锋利、排屑
材料才能充分发挥其优异性能,其与基体材料的连接好。通过金刚石有序排列,不仅实现了工具表面金刚石
成为应用的关键。
层的合理排布,充分发挥金刚石的切割作用,而且使金
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