金刚石工件的钎焊.doc

东莞市力华机械设备有限公司金刚石工件的钎焊金刚石是目前世界上发现并在工业上能大量使用的最硬的材料。它除了具有超硬特性外，有独特的力学、光学、声学、热学及电学性质，很难找到一种想金刚石这样集多种优异性能于一身的材料。它既是一种重要的超硬材料，同时也是一种具有特殊用途的新型功能材料。金刚石晶体结构中，碳原子拥有四价状态，即sp3杂化状态。金刚石结构的基本特点是每个碳原子与四个邻近的碳原子共用四对价电子，形成4个共价键与周围的原子连接，形成一个四面体。其键长均0.154mm，它们的方向性很强，分别指向以碳原子为中心的正四面体的四个顶角。金刚石晶体是由许多四面体叠加而成。共价键是饱和键，具有很强的方向性，因使金刚石具有很大的强度。由于在结晶晶格中碳原子形成的正四面结构在空间的排列有两种形势，从而存在着立方晶系和六方晶系两种金刚石结构。在金刚石的各种性能中，硬度、耐磨耗性和刚度性能最具特色。金刚石是迄今地球上最硬的天然物质，在莫氏硬度，金刚石的莫氏硬度为10。莫氏硬度19级之间几乎为等间隔的，而910级之间不符合这一等差排列梯度。碳化硅（Sic）和刚玉（Al2O3）的莫氏硬度为9，碳化钨（WC）为9.5。金刚石的硬度是刚玉硬度的5倍，石英的12倍，碳化钨的4.7倍，碳化硅的4倍，碳化硼的3.7倍，立方氮化硼的2倍。需要注意的是，金刚石的硬度呈各向异性，不同晶面和不同方向上的硬度不同。金刚石的体积弹性模量为5.42105MPa，比公认体积弹性模量非常大的钨还要大。虽然金刚石的抗压能力很强，而抗拉强度则不高（硬脆性）。金刚石的磨耗量因摩擦方法不同而有很大变化，用于钻头的人造金刚石烧结体的磨耗比一般在1：3104 1：810之间；用作拉丝模的磨耗比在1：105 1：3105之间。由于碳原子稳定特性，以及金刚石是强共价键结合，因而金刚石在常温下的化学性质非常稳定，耐磨碱及其他化学药物的腐蚀。在氧气中，金刚石于660左右开始氧化；在真空中，金刚石被加热到1500以上时才开始碳化；在硝酸钠等氧化剂中，金刚石与430左右就会受到腐蚀。除氧化剂以外，能与金刚石发生反应的物质还有以下两类：第一类有钨、钽、钛、锆等，在高温下与金刚石反应生成碳化物；第二类有铁、钴、锰、镍、铬、铂等，在熔状态成为碳的溶媒。金刚石具有亲油、疏水性。纯净的不含杂质的金刚石是绝缘体，温室下的电阻率在1016.cm以上。含有镍、钴、铁等触媒杂质的人造金刚石有磁性。金刚石具有很高的折射率，其折射率为2.402.48。对于波长为589.3mm的光，其折射率为2.417，金刚石具有强的散光性，色散系数为0.063。金刚石晶体在不同射线辐照下能发出各种颜色的光，这是金刚石作为宝石晶莹发亮的主有爱原因。金刚石还具有优良的透光性能能透过很宽的波段。长期以来，金刚石是一种极为名贵的宝石级装饰品。随着现代工业技术的发展，金刚石已成为重要的工业材料。目前，人造金刚石广泛应用与冶金、建材、地质、煤炭、石油、机械、电子、光学仪器、航空航天等几乎所有的工业部门。中国的金刚石产量已达到世界第一。金刚石工具是以金刚石为切磨材料，借助于结合剂或其他辅助材料制成的具有一定形状、性能和用途的工作用具。金刚石工具已经应用于各行各业。在石材加工行业，主要的金刚石工具有金刚石圆锯片、磨轮、滚筒、磨块、绳锯、框架锯等。这些工具在大理石、花岗岩的荒料开采、切割、精整加工和石料的磨削、抛光加工方面得到广泛应用。在地质勘察和工程勘察方面，用金刚石制作的各种钻头的应用越来普遍。这类工具广泛应用于石油、冶金、非金属矿、地质、煤田、地热等的钻探、开采，以及水电工程、桥梁、码头、大型建筑工程钻探和铁路、公路工程的施工与钻探。在机械加工行业，人造金刚石用于制作各种工具、模具、刃具、磨具及量具。刀具可高速车削有色金属材料，且粗糙度低、精度高。用于制作的磨轮、砂轮、油石、砂布、砂纸、研磨膏等模具，磨削光洁度高、工作效率高、加工成本低、产品使用寿命长。在建筑行业，金刚石工具广泛应用于切割、钻进混泥土，如机场、桥梁、高速公路的热变形伸缩缝切割，建筑物的安装钻孔等。在玻璃、陶瓷加工业，金刚石工具用于非金属材料的切割、加工和磨边等。在金属制品方面，金刚石主要用作各种规格的拉丝模工具。在医疗方面，广泛应用于各类牙科工具、骨科工具、修容工具及医疗探头等。此外，金刚石还可以制作金刚石刻刀，金刚石唱针，金刚石喷嘴，钟表、精密仪器中的轴承，硬度计的压头，表面光洁度测试仪的测头，高压腔的压头，切割、研磨各类半导体和晶体，制作半导体激光器、固体微波器和电子发热器件的热沉等。按照结合剂的不同，金刚石工具可分为以下几类：金属结合剂金刚石工具、电镀结合剂金刚石工具、陶瓷结合剂金刚石工具、树脂结合剂金刚石工具等。金属结合剂金刚石工具是以金刚石为切磨材料，以金属粉末为结合剂，利用粉末冶金的方法，经过压制成型、烧结以及必要的加工而成的粉末冶金制品。金属结合剂金刚石工具是各类金刚石制品中出现最早的一类，也是目前品种最多，用量最大，用途最广的一类。电镀金属结合剂金刚石工具是通过电镀的方法，经过金属电沉积过程，将一层至数层金刚石牢固的镶在金属基体上的一种制品。该类制品具有效率高、寿命长、磨削精度高的特点，主要产品有电镀金刚石什锦锉、电镀锯片、电镀薄壁钻头、电镀牙科钻头等。陶瓷结合剂金刚石工具是利用磨料（金刚石、碳化硅等）、玻料（硼酸、氧化锌、石英、云母等）、非玻料（粘土、Al2O3等）、着色剂（Fe2O3、绿色加CR2O3等）、临时粘结剂（糊精、水玻璃、高分子树脂等）混合物，经过成型、烧结、修整、修锐等制造工艺形成的一种金刚石削磨加工工具。其特点是化学稳定性好，弹性变形小，脆性大，硬度允许变化范围宽。树脂结合剂金刚石工具是以树脂粉为粘接材料，并加入填充材料，经过热压、固化及机加等工艺制成的具有一定形状的金刚石磨削加工工具。树脂结合剂金刚石模具具有弹性好、耐冲击、自锐性好、磨削效率高等特点，这类金刚石工具在机械加工行业得到了广泛应用。金刚石的钎焊性较差，其难点主要在于：1. 大多数常用钎料对它难于润湿或不能润湿。2. 金刚石的线胀系数低于大多数金属材料，容易在钎焊热应力和周围介质作用下改变性能。3. 钎焊温度受到石墨化转变温度的限制。关于金刚石的润湿性问题，许多学者以石墨为代替物作了详细研究。研究结果表明，在非真空条件下金刚石的钎焊性很差。由于单晶金刚石的直接钎焊极其困难，工业生产中选择了将金刚石与其他金属粉末预先制造成粉末冶金复合体，这些复合材料的钎焊相对容易的多。应用最为广泛的是用粉末冶金方式压制烧结的金刚石“刀头”，这类复合体的钎焊较为容易。刀头与基体的钎焊性主要取决于刀头底层的组成元素。目前，刀头配方主要有钴基、钨基、铜基、铁基、碳化钨基、预合金基等几类，但是刀头底层主要由Fe、Cu、663 青铜、Zn、Sn、Cd、WC、W2C、Al、Pb、C、P、特殊铜合金组成。在不单独设计底层时，可能有Ni、Mn、Cr、Ti、Zr、V、Mo、Co、B、Ag、Be、Si、W、Bi、B4C、CBN、Al2O3、SiC、Cr2O3、TiH、TiC、TiN、Si3N4、hBN、MoS2等组分存在。在上述组分中，Pb和Bi容易引发钎缝热裂纹；Sn、P和Cd容易产生脆性疲劳源；强碳化物形成原属影响钎着率；Pb和C影响润湿性。应当指出，Pb和游离C对钎缝有致命影响：在钎焊过程中它们形成钎焊粘渣严重破坏润湿性及钎料流动，导致刀头焊不上；另一方面，当铅含量达到3% 5%（质量分数）时，铅形成的脆性相和晶界效应产生的热裂纹源大大降低钎缝强度，甚至破坏刀头。聚晶（Polycrystalline diamond，简称 PCD）是由许多细颗粒单晶在高温高压下烧结而成。聚晶中的晶粒呈无序排列，其硬度、耐磨性在各方向相对接近，同时具有良好的断裂韧度。因此，可根据不同的使用条件制成不同的形状。为了更好的发挥PCD的性能，人们将聚晶金刚石薄层与硬质合金基体烧结在一起形成复合体，这就是聚晶金刚石复合片PDC（Polycrytalline Diamond Composite）。聚晶金刚石和复合片都已广泛用于制造金属切削刀具、石油钻头、地质钻探钻头、石材加工工具等。由于PCDh和PDC允许的钎焊温度低，碳化钨等材料的钎焊性也比较差，这类产品的钎焊性并不好，但是钎焊是制造这类产品工具的关键技术之一。PCD和PDC钎焊的主要问题是润湿性、钎缝强度和钎焊温度。由于金刚石工具中的金刚石烧结体（刀头、PCD和PDC的通称）的材料千差万别，甚至同一个制造商的同一个配方也存在变动，给钎料与钎剂的选用带来极大困难。经常有不同批次的刀头的钎焊性存在很大差异现象发生。PDC的钎焊面是碳化钨类硬质合金，YG类硬质合金的钎焊性还可以，但是由于受钎焊温度的限制，PDC的钎焊润湿性就不如硬质合金。PCD和刀头中经常含有Cr、Ti、Pb等难钎焊金属，其钎焊润湿性也不好。由于刀头的结烧温度仅仅比钎焊温度高几十度，再加上刀头的孔隙度比较高，钎焊过程中钎料与刀头的互相作用极为显著。研究表明：不到20s的钎焊时间内，钎料可以因毛细作用渗透到刀头内部812mm，而刀头内的Sn、Pb、Zn等低熔点金属可以从刀头内部58mm处扩散到钎缝中。刀头中添加的碳粉和石墨模具残留的碳对钎焊过程有不利影响。在金刚石工具的工业生产中，将金刚石刀头连接到钢基体上的主要方法有以下几种：沉积、整体热压烧结成形、分体制造机械镶嵌或焊接。金刚石沉积技术在20世纪80年代兴起，目前已在光学、声学、电子技术、热传导、机械切削工具等领域得到应用，但小尺寸锯片的应用仍处于技术开发阶段。整体热压烧结成形一般用于制造小规格的锯片，其工艺特点是将胎体金属直接烧结在钢基体上。由于钢基体和胎体材料的线胀系数存在很大差异，烧结后冷却过程产生热应力，这部分内应力在锯片使用过程中叠加到剪切应力上，影响锯片的使用寿命。分体制造机械镶嵌方法主要应用于机械加工刃具和各种模具。钎焊是金刚石工具制造中应用最为广泛的工艺方法。由于金刚石刀头是粉末冶金方法生产的，这类工具的钎焊特点与硬质合金相近。单晶金刚石的钎焊主要在真空条件下进