钎焊金刚石磨粒工艺及耐磨性

浅议钎焊金刚石磨粒工艺及耐磨性
摘要：与原始金刚石相比，钎焊处理后的金刚石静压强度和抗冲击强度都有不同程度的下降，其中真空热处理金刚石下降少，而钎焊金刚石下降程度较大，这说明钎焊过程中会刚石的确受到了热损伤。

关键词：钎焊金刚石磨粒工艺
1 金刚石强度分析
当环境温度超过金刚石的热稳定性温度时，金刚石的强度明显下降。

单晶金刚石在单纯高温下会发生氧化和石墨化，金刚石强度会受到影响。

在钎焊环境下金刚石所受热损伤要复杂一些，因为钎焊环境下不仅要考虑高温石墨化，还要考虑钎料与金刚石线膨胀系数不同所导致的热应力及钎料在高温下对金刚石的侵蚀作用等，因而金刚石强度所受影响要大一些。

目前金刚石强度测定方法有两种。

一是金刚石受静力作用下的静压强度：二是金刚石受冲击力作用下的抗冲击强度。

通过对原始金刚石、真空热处理金刚石和钎焊后金刚石强度的测定，可以反映出金刚石在不同工艺下受热损伤的程度。

1.1金刚石的静压强度
金刚石静压强度的测定有一定的局限性，
(1)金刚石单颗粒本身强度值的分散性。

加热后此因素对测量结果的影响更大。

在显微镜下观察加热后的金刚石可明显看出，有些金刚石中有黑点出现，而有的金刚石无明显变化，而且静压强度的
测量仅测定40个颗粒，使得其代表性较差，
(2)在静压强度测量中，数据处理是先求平均值，高于平均值2倍的测量值予以剔除，这种数据处理也带来了一定的测量误差。

另外，金刚石工具在使用过程中，金刚石所承受的是冲击力和摩擦力，而非静压力，这使得用冲击强度表征金刚石的性能比用静压强度更具优越性。

从测试结果的方差值看，各种工艺下金刚石静压强度数值的分散性没有很大的变化。

1.2金刚石的抗冲击强度
高频感应钎焊与真空炉中钎焊金刚石的抗冲击强度结果相近，强度下降程度都很大，这可能跟抗冲击强度试验本身有关，冲击强度的测定对磨粒试样的准备很严格，试验前要保证试样表面的光洁，无杂质。

而钎焊腐蚀后的金刚石表面有可能同时存在石墨和碳化物，其表面与原始金刚石相比要粗糙，这就会造成冲击过程中磨粒试样间的摩擦、粘附，从而导致实验结果数据偏低，另外，高频感应钎焊测温和温控方面还不能做到完全的精确统一，这也给试验结果造成了一定程度的误差。

强度是金刚石力学机械性能的一种，不同工艺下金刚石强度值的变化可反映出金刚石所受热损伤的程度。

但由于强度值的测量本身有局限性和误差，其结果仅作为参考而不能与热损伤建立直接的联系。

2 高温钎焊金刚石工具
钎焊是一种热连接方法。

在钎焊过程中，依靠熔化的钎料或者依靠接触面之间的扩散而形成的液相把金属连接起来，钎焊温度低于母材开始熔化的温度。

因此，钎焊是一种母材不熔化，靠熔化的钎料或者液相把母材连接起来的方法。

钎料是一种纯金属或合金，其熔点低于母材。

合金往往有一个熔化区间，即从固相线温度到液相线温度。

钎焊温度可介于固相线和液相线温度之间，但大部分钎焊是在比钎料液相线温度高几十度情况下进行的。

根据钎料的液相线温度，钎焊可分为，
1 软钎焊：钎料液相线温度低于450℃的钎焊。

由于钎料熔点低。

被钎焊件只需要加热到较低的温度。

软钎焊时最常用的钎料是
sn-pb钎料。

通常情况下都需使用钎剂。

软钎焊接头强度较低，尤其在较高温度下下降更加明显。

2 硬钎焊：钎料液相线温度高于450℃的钎焊。

硬钎焊时一般都使用钎剂。

硬钎焊的接头强度较高。

有时可达到母材强度，因此可用于受力构件。

3 高温钎焊：钎料液相线温度高于900℃、不用钎剂的钎焊。

针对金刚石工具加工过程中温度较高和受力较大的工况，宜选用高温钎焊制作金刚石工具，又考虑金刚石的热稳定性较差，目前选用在真空或惰性气体保护下高温钎焊的工艺，金刚石的钎焊性较差，即大多数纯金属对金刚石的浸润性都很差，因此选择钎料时考虑在合金中加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和亲和性，
达到高强度连接金刚石的目的。

3 钎焊金刚石套料钻磨粒磨损形式分析
金刚石套料钻的磨损与砂轮的磨损相似。

磨削时，砂轮磨损是一个十分复杂的物理一化学及机械的过程，它与砂轮性能、被加工材料性质、磨削用量等有关，其磨损形式有以下几种：
(1)磨粒顶面磨平变钝，磨粒与工件间摩擦，造成磨粒顶面磨损成小平面而变钝：
(2)磨粒显微破裂，从磨粒上分离出不大的碎粒：
(3)磨粒破碎，从磨粒上分裂出很大的部分，形成新的磨刃：
(4)磨粒脱落，结合剂破碎；
(5)磨削区高温使磨粒与被加工材料产生化学反应或粘附，造成扩散磨损与粘结磨损：
(6)由于磨屑嵌入砂轮孔穴而造成砂轮堵塞。

由于金刚石工程钻和普通的砂轮在加工方式上的不同，因此磨粒磨损形式也相应有所差异。

上述磨损方式除(5)外，其他均在金刚石工程钻加工硬脆石材时发生。

另外，由于磨削热产生的磨削高温，可使磨粒尖部达到上千度，因此会造成金刚石磨粒的热损伤。

4 磨粒磨损形貌分析
nicr炉中钎焊金刚石套料钻钻削试验初期，金刚石磨粒以表面破碎和磨平为主。

当钻削100孔后磨粒表面已明显磨平，磨平后磨粒变钝，在同等轴向力作用下，加工效率降低。

磨粒磨损情况与耐磨性曲线的结果相近，说明nicr炉中钎焊金刚石的初期磨损剧烈。

当套料钻钻削350个孔后，金刚石磨粒已出现大块破碎，磨粒破碎后金刚石的出露变低，磨削时金刚石和钎料层同步被磨损，因此在钻削500个孔后，可看到明显的钎料层的磨损，金刚石大部分已磨损掉，但还有部分残留。

只要金刚石不脱落，套料钻经修锐后还是有加工能力的。

磨粒的磨损发现，在钻削500孔后，nicr高频感应钎焊金刚石套料钻磨粒一直处于磨耗磨损阶段，没有破碎和裂纹，从图中可以看到明显的棱角圆滑和磨耗面。

在钻削相同数量的孔后，高频感应钎焊金刚石磨粒的耐磨性能要明显优于炉中钎焊金刚石磨粒，这与耐磨性曲线的分析是一致的，nicr高频感应钎焊金刚石磨损初期为正常的磨耗磨损。