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摘 要: 本文簡述了人造金剛石在石材加工工具中的應(yīng)用情況，指出工具使用中大量的金剛石并非磨損失效，而是以脫落形式流失，分析了金剛石流失原因是金剛石把持力不夠?qū)е铝私饎偸缙诿撀洹Ｑ芯拷Y(jié)果表明：預(yù)合金粉末法可以實現(xiàn)胎體與金剛石的擴散連接，繼而闡明了采用預(yù)合金粉末法實現(xiàn)對金剛石的擴散釬焊連接是改進(jìn)金剛石工具使用性能的有效途徑；在預(yù)合金粉末的制取中離心氣水聯(lián)合霧化是較佳的制取技術(shù)；預(yù)合金粉末的成分和熱壓燒結(jié)工藝決定了對金剛石的擴散連接的效果。
關(guān)鍵詞： 擴散連接 預(yù)合金粉末 潤濕性 離心霧化 碳化物形成
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，用于石材加產(chǎn)業(yè)需求的人造金剛石的數(shù)目不斷上升，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，目前世界上產(chǎn)業(yè)金剛石70％左右用于制造石材加工工具，其中占盡大多數(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，這是由于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。進(jìn)步胎體與金剛石的結(jié)協(xié)力是避免金剛石早期脫落最有效的技術(shù)措施。
采用預(yù)合金粉末法實現(xiàn)對金剛石的擴散釬焊連接是進(jìn)步金剛石與胎體的結(jié)協(xié)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進(jìn)步合金對金剛石的浸潤性，增加金剛石的出刃高度，進(jìn)步金剛石的利用率；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，假如將多種金屬預(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公道燒結(jié)溫度的困難。
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，可以進(jìn)步胎體對金剛石的包鑲能力，并且抗沖擊等性能較好，進(jìn)步金剛石的利用率。
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，進(jìn)步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)能恰好潤濕金剛石，而在壓力作用下又能活動。
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(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，主要取決于加進(jìn)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)界面碳化物天生反應(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基合金中加進(jìn)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(nèi)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
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)合金的表面張力進(jìn)步。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合金膜天生并擴展。
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的天生自由能比Cr、Mo、V、Mn、Fe等碳化物的天生自由能要低，1000℃時TiC的天生自由能約為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)最小。所以在合金中加進(jìn)1at.%左右的Ti,對降低接觸角看不出有什么作用，只有加進(jìn)5at.%以上時，作用才比較明顯，達(dá)到10at.%時效果最好，可使?jié)櫇窠铅冉档椭?0℃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、磷等假如單獨分布在晶界上，可引起強度下降現(xiàn)象，熔煉時必須嚴(yán)格控制和往除。一般加進(jìn)硅鈣合金來進(jìn)步活動性，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，進(jìn)步合金粉成分的正確性，必須采用公道的裝料及熔化順序，首先將爐料中數(shù)目最多的銅裝進(jìn)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，倒進(jìn)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、疏松密度大等等。
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，熔體的活動性也有所不同，活動性差的要求漏缽底孔直徑大，活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、活動性、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，極輕易被氧化或污染，若用氬氣本錢較高，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，也愈輕易被氧化或污染，所以根據(jù)粉末性能的要求，要適當(dāng)進(jìn)步此速度。
4 擴散連接的條件
預(yù)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(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散連接。
表2 預(yù)合金粉末對金剛石的作用比較
由于鉻、鈦、釩在空氣中輕易氧化燒損失往作用，結(jié)合劑中的鐵、鈷、鎳元素輕易引發(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)。表2是幾種預(yù)合金粉末熱壓金剛石刀頭的應(yīng)用效果，數(shù)字5表示效果最佳，數(shù)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(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)對金剛石的擴散連接，有利于把持力的加強與進(jìn)步。
（2）用預(yù)合金化粉末，可防止低熔點金屬過早流失與偏析，有利于進(jìn)步燒結(jié)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(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)金剛石與胎體的擴散連接
來源【互聯(lián)網(wǎng)】
