何為金剛石?石墨和金剛石都屬于碳單質(zhì),他們的化學(xué)性質(zhì)完全相同,但金剛石和石墨不是同種物質(zhì),它們是由相同元素構(gòu)成的同素異型體。所不同的是物理結(jié)構(gòu)特征,二者的化學(xué)式都是C。
從片層內(nèi)部來(lái)看,石墨是原子晶體;從片層之間來(lái)看,石墨是分子晶體(總體說(shuō)來(lái),石墨應(yīng)該是混合型晶體);
而金剛石是原子晶體,并且金剛石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有耐酸性和耐堿性。金剛石還具有非磁性、不良導(dǎo)電性、親油疏水性和摩擦生電性等。
人工合成金剛石的方法主要有兩種,高溫高壓法及化學(xué)氣相沉積法。高溫高壓法技術(shù)已非常成熟,并形成產(chǎn)業(yè)。
金剛石磨粒具有高硬度、強(qiáng)耐磨性和極佳導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能,在加工硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、寶石等高硬脆性難加工材料方面得到廣泛的應(yīng)用。但是具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能,難以焊接,而一般的機(jī)械鑲嵌、物理吸附?jīng)]有足夠把持力。
目前采用高溫釬焊工藝開發(fā)新的一代金剛石工具,是利用活性金屬元素(如Ti、Cr、Mo、W等) 在金屬釬料與超硬磨粒界面處形成化學(xué)冶金結(jié)合,大大提高了結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持強(qiáng)度,使金剛石帶壓開孔刀使用壽命顯著提高。
但是在帶壓開孔施工作業(yè)以及在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn), 釬焊金剛石帶壓開孔刀仍存在金剛石易石墨化、金剛石釬焊界面脆性金屬間化合物影響釬焊強(qiáng)度、帶壓開孔刀的釬焊接頭殘余應(yīng)力集中等釬焊質(zhì)量問(wèn)題。
同時(shí),由于機(jī)加工行業(yè)中高效精密制造技術(shù)的發(fā)展,對(duì)金剛石磨粒釬焊技術(shù)又提出了釬料能夠根據(jù)磨粒磨損狀態(tài)智能地控制金剛石脫落、釬料與金剛石之間磨損率匹配、提高釬焊接頭散熱性能和增大容屑空間等新要求,這無(wú)疑是對(duì)當(dāng)前的技術(shù)又提出了革新性的挑戰(zhàn)。
金剛石帶壓開孔刀的釬焊微觀形貌特征有:金剛石表面形貌和釬料形貌的吻合程度,以及金剛石、釬料和帶壓開孔刀的基體三者之間的界面化合物形貌等。其中,金剛石表面形貌可以反映出其熱損傷或石墨化程度,釬料形貌可以反應(yīng)出釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕鋪展程度,金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌可以反應(yīng)出三者之間的化學(xué)冶金反應(yīng)狀態(tài)。
在管道帶壓開孔施工作業(yè)中,金剛石磨粒對(duì)水泥等管道磨削時(shí),磨粒承受來(lái)自管道的沖擊作用和接觸產(chǎn)生的熱載荷。如果釬焊接頭強(qiáng)度不足把持住高負(fù)荷對(duì)管道進(jìn)行切削狀態(tài)的磨粒, 金剛石磨粒將產(chǎn)生非正常脫離。
根據(jù)此原理,進(jìn)行金剛石磨粒摩擦磨損試驗(yàn),其結(jié)果可以用來(lái)評(píng)判釬焊性能。在使用數(shù)碼顯微鏡觀測(cè)新型釬焊金剛石帶壓開孔刀表面磨損情況。當(dāng)帶壓開孔刀的金剛石工作塊的表面上出現(xiàn)了較多脫落坑落的情況。并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)比觀察的方法進(jìn)行釬焊金剛石帶壓開孔刀的磨粒磨損狀態(tài)。在分析這些現(xiàn)象之后,對(duì)金剛石帶壓開孔刀的制造過(guò)程有以下幾個(gè)方面建議:
1.在釬焊金剛石帶壓開孔刀的制備過(guò)程中,釬料粉末、鍍覆金剛石類型、釬焊工藝參數(shù)(包括釬焊溫度、保溫時(shí)間、釬焊氣氛等),都對(duì)金剛石釬焊性能有很大影響。
在金剛石釬焊過(guò)程中, 金剛石依靠熔化的釬料連接起來(lái), 釬料自身的性能很大程度上影響金剛石釬焊接頭的性能。在設(shè)計(jì)釬料成分及配比的過(guò)程中,需考慮以下基本要求:
1.1金剛石的釬料具有合適熔點(diǎn)。熔點(diǎn)不能高于金剛石石墨化溫度,也不能過(guò)低,若熔點(diǎn)太低,則在磨削過(guò)程中,可能因?yàn)檩^高的磨削溫度導(dǎo)致釬料軟化,造成磨粒過(guò)早脫落。
目前,Ni-Cr 釬料應(yīng)用最廣泛,但其釬焊溫度較高(900℃以上), 金剛石有石墨化的傾向,影響釬焊金剛石的強(qiáng)度和工具壽命。
而Ag-Cu釬料熔點(diǎn)低,焊后接頭使用溫度不能超過(guò)500℃,且釬料中含有貴金屬,成本較高,使用也受到一定的限制。
銅基釬料相對(duì)Ag 基釬料,具有燒結(jié)溫度低、成本低、好的成形性和可燒結(jié)性,以及與其他元素相容性好等特點(diǎn),但是Cu 對(duì)金剛石幾乎不潤(rùn)濕。
1.2釬料應(yīng)當(dāng)對(duì)金剛石具有良好的浸潤(rùn)、擴(kuò)散作用。較好的浸潤(rùn)、擴(kuò)散作用可以保證釬料與金剛石磨粒之間形成牢固的化學(xué)冶金結(jié)合,提高釬焊強(qiáng)度。通過(guò)在釬料合金中添加Cr、Ti 金屬粉, 改善了釬料合金對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性能。
1.3釬料應(yīng)具有穩(wěn)定、均勻的成分,以減少釬焊過(guò)程中的偏析現(xiàn)象和易揮發(fā)元素的損耗。
1.4釬料具有一定的強(qiáng)度和硬度。在帶壓開孔刀對(duì)管道進(jìn)行磨削過(guò)程中,如果釬料強(qiáng)度和硬度不夠,那么將導(dǎo)致自身快速磨損,失去對(duì)磨粒把持能力。
1.5避免由于物理性能的不匹配導(dǎo)致金剛石與釬料截面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是影響金剛石釬焊接頭性能的重要因素,殘余應(yīng)力過(guò)大將導(dǎo)致釬焊接頭萌生裂紋,導(dǎo)致磨粒在加工過(guò)程中產(chǎn)生不正常脫落或磨損。