摘　要:傳統(tǒng)金剛石線鋸是在細(xì)金屬絲的表面通過(guò)電沉積鎳或熱固化樹(shù)脂來(lái)固定一層金剛石磨料,用于材料的精密切割。由于磨料只是被機(jī)械地包埋鑲嵌在鍍層或樹(shù)脂結(jié)合劑中,磨料易脫落,線鋸壽命短。為解決此問(wèn)題,提出了利用氣體保護(hù)感應(yīng)加熱釬焊工藝制作金剛石線鋸,提高金剛石磨料的結(jié)合強(qiáng)度。進(jìn)行了氣體保護(hù)裝置的研制和釬焊工藝的研究,成功試制出釬焊金剛石線鋸,對(duì)釬焊機(jī)理進(jìn)行了探討。

       關(guān)鍵詞:金剛石;線鋸;感應(yīng)加熱;釬焊工藝

引言

       金剛石線鋸是在細(xì)金屬線的表面通過(guò)電沉積鎳或熱固化樹(shù)脂來(lái)固定一層金剛石磨料,可以精密成形切割硅片、石材、陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆材料,也可應(yīng)用于鋁合金等金屬材料的切割加工。其優(yōu)點(diǎn): 1)切縫窄,出材率高;2)切割過(guò)程平穩(wěn),切割硅晶、陶瓷等脆性材料不崩邊; 3)切割溫度低,切割面無(wú)燒傷; 4)能切割大尺寸工件; 5)對(duì)環(huán)境污染小,通常使用水作為冷卻液。是一種很有前途的切割工藝方法?，F(xiàn)有金剛石線鋸存在的主要問(wèn)題:磨料只是被機(jī)械地包埋鑲嵌在鍍層或樹(shù)脂結(jié)合劑中,磨料與結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度低,磨料易脫落,結(jié)合劑層亦容易成片脫落,線鋸壽命短。

       近十幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開(kāi)始研究采用釬焊工藝來(lái)制作單層超硬磨料工具,其出發(fā)點(diǎn)是希望借助高溫釬焊時(shí)在磨料、釬料和基體界面上發(fā)生的熔解、浸潤(rùn)、擴(kuò)散、化合等相互作用(即通常所說(shuō)的化學(xué)冶金作用) ,從根本上改善基體和釬料合金對(duì)磨料的把持強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的電沉積鎳或熱固化樹(shù)脂金剛石工具相比,釬焊金剛石工具有以下特點(diǎn) : 1)磨料、釬料和基體三者之間能實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合,從而提高了結(jié)合強(qiáng)度,工具使用壽命長(zhǎng); 2)磨粒的出露高度大,容屑空間大,不易堵塞,磨料的利用更加充分; 3)磨削力、功率消耗和磨削溫度低; 4)具有環(huán)保意義,符合當(dāng)今倡導(dǎo)的綠色制造發(fā)展趨勢(shì)。

       目前,釬焊金剛石工具的研究集中于空心鉆、磨輪、鋸片、串珠研制與加工性能,尚未涉及釬焊金剛石線鋸,而釬焊金剛石線鋸的制作又具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。本文在國(guó)內(nèi)外首次嘗試采用超高頻感應(yīng)加熱Ar氣保護(hù)釬焊制作金剛石線鋸,期望本文的工作能有助于推動(dòng)釬焊金剛石線鋸的實(shí)用化研究進(jìn)程。

工藝試驗(yàn)條件

       真空電阻加熱爐焊和氣體保護(hù)感應(yīng)加熱焊都是可行的方法。由于真空電阻加熱爐加熱速度慢,長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱對(duì)基體微觀結(jié)構(gòu)和金剛石磨粒的性能會(huì)產(chǎn)生不利影響,尤其會(huì)明顯降低線鋸金屬絲的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。因此,選擇感應(yīng)加熱設(shè)備用于釬焊制作金剛石線鋸。與真空電阻加熱爐中釬焊相比,感應(yīng)加熱釬焊具有獨(dú)到的特點(diǎn):加熱速度快,冷卻速度快,對(duì)鋼絲抗拉強(qiáng)度影響小;可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)線鋸(如100 km)的釬焊制作。所采用的高頻感應(yīng)加熱釬焊系統(tǒng)如圖1所示,其功率為50 kW,頻率200～250 kHz,該系統(tǒng)由感應(yīng)加熱電源、氣體保護(hù)裝置組成。

       為避免金剛石磨料在高溫釬焊時(shí)的熱損傷,必須在真空、保護(hù)氣體中釬焊。金剛石的熱損傷與氛圍有關(guān),在空氣中金剛石開(kāi)始石墨化的溫度為800 ℃,在一般工業(yè)性保護(hù)氣氛或真空下,金剛石開(kāi)始熱損傷的溫度為1 200 ℃。根據(jù)保護(hù)氣的不同,可分為還原性氣體釬焊、惰性氣體釬焊。還原性氣體是指氫(H₂ ) ,或氫和氮(H₂ ,N₂ )的混合氣體,或者是氫、氮、一氧化碳(H₂ ,N₂ ,CO)混合氣體,其中氫和一氧化碳是還原氣體。惰性氣體主要是氬氣(Ar)與氦氣(He)。裝置選擇氬氣為保護(hù)氣,自行研制的氣體保護(hù)裝置如圖2所示,它由感應(yīng)線圈、氣體保護(hù)腔、兩個(gè)進(jìn)氣口和兩個(gè)出氣口組成。氬氣從兩個(gè)進(jìn)氣口通入,進(jìn)入保護(hù)腔,將空氣從兩個(gè)出氣口排除,待釬焊的線鋸從下出氣口入,進(jìn)入感應(yīng)線圈加熱釬焊,然后從上出氣口出,可實(shí)現(xiàn)線鋸的連續(xù)釬焊。

       金剛石線鋸制作工藝為:將粉末狀Ni₂Cr₂B₂Si釬料與綠色環(huán)保液體膠混合均勻成漿液;釬料漿液厚度適中且均勻粘附固定在金屬線表面;金剛石磨料均勻噴灑鑲嵌于金屬線表面的釬料漿表層;氣體保護(hù)氛圍中加熱升溫至釬料熔化,冷卻后金剛石磨料釬焊固定于金屬線表面。

 

試驗(yàn)結(jié)果與分析

 

       圖4是釬焊后的金剛石線鋸形貌圖。金剛石晶形完整,棱角分明,無(wú)裂紋、石墨化顯現(xiàn);釬料鋪展均勻,對(duì)金剛石爬升良好,說(shuō)明釬料對(duì)金剛石磨料和基體都具有很好的浸潤(rùn)性。

       Ni₂Cr₂B₂Si合金釬料對(duì)金剛石表面的浸潤(rùn)性與該釬料同金剛石磨料的反應(yīng)相關(guān),將釬焊后的樣品腐蝕,僅留下金剛石和金剛石表面的生成物,圖5為金剛石與釬料反應(yīng)生成的條狀化合物,做XRD分析,該生成物為Cr₇C₃ ,是由金剛石表面的C與Ni₂Cr₂B₂Si合金釬料中的活性元素Cr反應(yīng)生成的。所生成的Cr₇C₃ 在釬焊中具有以下幾個(gè)重要作用: Cr₇C₃ 的線膨脹系數(shù)介于金剛石與釬料之間,具有緩解金剛石和釬料層的線膨脹系數(shù)不同所可能產(chǎn)生的應(yīng)力作用;實(shí)現(xiàn)液態(tài)釬料對(duì)金剛石的良好浸潤(rùn)爬升,在Ar氣氛下,液態(tài)Ni對(duì)Cr₇C₃ 的浸潤(rùn)角可達(dá)到0°,這樣Ni基釬料通過(guò)Cr₇C₃ 層的中介作用,對(duì)金剛石也就有了良好的浸潤(rùn)性,大大提高了結(jié)合強(qiáng)度。

       與之形成了鮮明對(duì)比,電沉積鎳或熱固化樹(shù)脂來(lái)固定一層金剛石磨料,由于金剛石與結(jié)合劑之間沒(méi)有任何中介物質(zhì)生成,也就不存在上述作用。事實(shí)上,正是由于此種結(jié)構(gòu)的碳化物在高頻感應(yīng)釬焊金剛石表面生長(zhǎng)才有條件將釬焊金剛石界面的結(jié)合強(qiáng)度提高到一個(gè)為傳統(tǒng)的電鍍與熱固化工藝所無(wú)法企及的水平,這也正是研發(fā)高頻感應(yīng)釬焊金剛石線鋸的真正優(yōu)勢(shì)所在。

 

       在釬焊過(guò)程中,線鋸基體鋼絲受高溫作用,其金相組織、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生改變。釬焊前后鋼絲機(jī)械性能損失的多少,損失的機(jī)理,切割加工的性能,以及如何控制其基本機(jī)械性能基本上不損失等問(wèn)題都正在研究當(dāng)中。

 

結(jié)論

 

       采用Ar氣保護(hù)超高頻感應(yīng)加熱釬焊工藝,成功研制出鋼絲直徑0. 8mm的金剛石線鋸,釬料對(duì)金剛石磨料和基體都具有很好的浸潤(rùn)性,浸潤(rùn)是通過(guò)金剛石表面的C與Ni₂Cr₂B₂Si合金釬料中的活性元素Cr反應(yīng)生成Cr₇C₃來(lái)實(shí)現(xiàn)的。