预合金粉末对金刚石刀头的影响

预合金粉末对金刚石刀头的影响

0切割速率和使用寿命的关系现在，石材行业使用的切割工具通常都是钻石。钻石工具的评估标准主要取决于切割速度和使用寿命。一般来说，切割速度越高，使用寿命越短。在这种情况下，如何调整两者，确保切割效率最高，尽可能提高钻石工具的使用寿命，是钻石工具研究的一个方向。1预处理法试验选用Ag,Cu,Zn,Sn,Ni,Cr,Ti,Fe等金属按一定的设计配比及不同的雾化工艺制得不同条件的预合金粉末,把预合金粉末和金刚石颗粒进行混合冷压后在真空和非真空2种不同工艺条件下热压烧结。试验过程所需的设备包含有粉末雾化装置(图1)、球磨机、三元旋振筛、混料设备、冷压机、热压烧结机、扫面电子显微镜、TCH-600型氮氢氧分析仪等。2结果与分析2.1预合金粉末对金刚石的影响不同成分预合金粉热压烧结后的金刚石形貌如图2所示。由图2a可以看出,中预合金粉和金刚石的润湿性比较差,两者中间有明显的收缩裂痕,这种情况下金刚石的出刃度仅30%左右,预合金粉对金刚石的把持力小,虽然所制得的金刚石工具的切削速率比较高,但寿命明显降低,大量昂贵的金刚石在工作中脱落流失于废屑之中。图2b预合金粉对金刚石的润湿性良好,金刚石被预合金粉紧密包围着,而且金刚石的出刃度高,预合金粉末中的高耐磨、高强度的元素在金刚石工具的使用过程中可以明显提高金刚石工具的寿命,那些低熔点金属元素所形成的脆性相可以加快金刚石颗粒的裸露速率,提高其切削效率,所以预合金粉末合金元素的选择至关重要。加入的合金元素一方面要能够使内界面张力大幅减小,降低液态合金的内界面张力,内界面碳化物生成反应可以更大地减小内界面张力,使其能更好地润湿金刚石颗粒,提高连接强度;另一方面还要能够提高金刚石工具的切削速率。所以,要依据各种金属的物理化学性能和金刚石工具的使用要求灵活地优化选择。2.2氧含量和使用寿命图3为不同条件下制得的预合金粉末的微观组织结构。笔者采用了TCH-600型氮氢氧分析仪分析了2种不同工艺条件下的粉末氧含量,所得试验结果见表1。图3a中粉末的形态以块状为主,而图3b中粉末的形态以球形为主,其氧含量比图3a中的氧含量降低了42.5%,所制得的刀头的抗剪强度提高了31.3%,刀头的使用寿命明显提高。以球形为主的预合金粉末的比表面积最小,其在生产的过程中被氧化的程度就会明显降低,这是其氧含量比较低的主要原因,在这种工艺条件下获得的预合金粉末添加到金刚石刀头当中,将使烧结后的金刚石刀头的夹杂物数量明显降低,刀头的抗剪强度比较高,其使用寿命将大幅提高。而预合金粉末的氧含量越高,将在烧结的过程中产生大量的氧化夹杂物,影响其与金刚石颗粒的良好润湿,降低其抗剪强度。在生产预合金粉末的过程中要选择合适的生产工艺,严格控制其中的氧含量,也可以采取后期氢还原的方法来降低氧含量,提高粉末的产品质量。2.3非真空热压烧结的热压试验和断口形貌大量的实践经验证明,金刚石工具焊接所用的刀头必须采用热压烧结的方法来制作,其主要原因在于预合金粉末对金刚石的扩散行为是与金刚石形成碳化物的基础,而要形成这种碳化物需要缓慢的原子扩散和迁移,而且必须在一定的温度下保持较长时间,才能够真正实现这种扩散。此外,预合金粉末的颗粒度一般都比较小,在其和金刚石烧结过程中,非真空热压扩散气氛中的氧和其他活性较强物质的存在势必会造成预合金粉末的氧化,粉末的颗粒度越小,被氧化的程度越明显。热力学分析认为:液相与固相的结合,只有满足自由能减少这一热力学条件,液相对固相的润湿过程才能发生,而液态金属与氧化物之间存在一个相当大的界面能,说明液态金属对氧化物的润湿能力相当差。而且预合金粉中的比较活泼的元素很容易因为氧化而失去作用,所以必须采用真空热压或气保护热压。图4为真空与非真空烧结气氛下试样断口形貌。从图中可以发现,真空热压烧结所获得的刀头试样致密,韧窝明显,试样中孔洞少且细小;非真空热压烧结所得刀头试样断口晶粒较粗,呈脆性断口,孔洞多而大。图4显示的结果与上述理论分析相一致,为保证金刚石工具的制作质量,要求生产企业要在真空条件或气保护条件下制作金刚石刀头。3金刚石刀头的制作(1)预合金粉末中的高耐磨、高强度元素在金刚石工具的使用过程中可以明显提高金刚石工具的寿命,那些低熔点金属元素所形成的脆性相可以加快金刚石颗粒的裸露速率,提高其切削效率,所以预合金粉末合金元素的选择至关重要。要依据各种金属的物理化学性能和金刚石工具的使用要求灵活地优化选择。(2)预合金粉末的氧含量越高,将在烧结的过程中产生大量的氧化夹杂物,影响其与金刚石颗粒的良好润湿,降低其抗剪强度。(3)液态金属与氧化物之间存在一个相当大的界面能,说明液态金属对氧化物的润湿能力相当差。而且在空气中预合金粉中的Cr,Ti,V容易被氧化失去作用,所以,必须采用真空热压或气保护热压来制作金刚石刀头。金刚石工具优劣取决于两个因素,一是基体和刀头的焊接;二是刀头的制作。其中焊接工艺相对比较容易控制,因此,刀头的制作显得尤为重要。现主要采用的生产工艺是将多种金属单质粉和金刚石颗粒混合冷压后进行热压烧结,通常情况下,多种金属单质粉成分不容易控制,生产不稳定,而且多种单质粉末比表面积比较大,被氧化的几率增大,为进一步提高金属粉末和金刚石颗粒的连接强度及耐磨性能,将金属单质粉制作成预合金粉末后应用到刀头的制作中成为主流。本次试验将Cr,Fe,Ti,V等强碳化物形成元素与Ag,Cu,Zn,Sn,Ni等元素预先制备成预合金粉,并以合金粉末的形式添加到金刚石刀头中。在金刚石刀头烧结过程