La alta dureza y las excelentes propiedades físicas y mecánicas del diamante hacen de las herramientas de diamante una herramienta indispensable y eficaz para procesar diversos materiales duros. La adhesión de la matriz metálica al diamante (capacidad de incrustación de la matriz) es uno de los principales factores que afectan la vida útil y el rendimiento de las herramientas de diamante.
Debido a la alta energía de interfaz entre el diamante y los metales y aleaciones en general, las partículas de diamante no pueden ser penetradas por aleaciones generales de bajo punto de fusión y tienen poca adhesión. En la tecnología de fabricación tradicional, las partículas de diamante solo se incrustan en la matriz metálica a través de la fuerza de sujeción mecánica generada por la contracción en frío de la matriz, sin formar un enlace químico o metalúrgico fuerte, lo que hace que las partículas de diamante interactúen fácilmente con la matriz metálica. matriz durante el trabajo. La separación reduce en gran medida la vida útil y el nivel de rendimiento de las herramientas de diamante. La tasa de utilización de diamantes en la mayoría de las herramientas impregnadas es baja y una gran cantidad de diamantes costosos se caen durante el proceso de trabajo y se pierden en virutas de desecho. Lin Zengdong y otros tomaron la iniciativa en el uso de la tecnología de metalización de superficies de diamantes para darle a la superficie del diamante muchas características nuevas, como excelente conductividad térmica y estabilidad térmica, mejorar sus propiedades físicas y químicas originales y mejorar su humectabilidad a soluciones de metal o aleaciones.
Desde la década de 1970, el problema de la metalización de la superficie del diamante ha atraído gran atención por parte de la comunidad de fabricantes de herramientas de diamante en el país y en el extranjero. Muchas personas están comprometidas con la investigación para lograr la metalización de la superficie del diamante durante el proceso de sinterización, agregando o pre-adheriendo polvo metálico de carburo fuerte al material de la matriz (este tipo de diamante no reacciona con el recubrimiento antes del calentamiento y es solo un recubrimiento de diamante). ), para lograr un enlace químico con el diamante durante el proceso de sinterización. Aunque la literatura ha demostrado que ciertos metales como el tungsteno (no oxidado) pueden formar una capa de WC sobre la superficie del diamante a bajas temperaturas (alrededor de 800°C), a juzgar por el proceso utilizado para lograr la premetalización de la superficie del diamante, requiere 600 °C al vacío. La fuerza de unión ideal se puede obtener calentando durante 1 hora por encima de ℃. De acuerdo con las condiciones de sinterización de las herramientas de diamante impregnadas utilizadas actualmente, en condiciones sin vacío o con un vacío bajo, es poco probable que el calentamiento a 900 °C durante aproximadamente 5 minutos forme una capa metalizada sobre la superficie del diamante. Debido a que ambos átomos metálicos activos (Ti, V, Cr, etc.) están enriquecidos y la unión metalúrgica a través de una reacción de interfaz entre el aglutinante y el diamante es un proceso de difusión atómica, de acuerdo a la temperatura utilizada en el prensado en caliente y en un tiempo tan corto, el El proceso es muy inadecuado. En las condiciones de sinterización en fase sólida (a veces con una pequeña cantidad de metal o aleación líquida con baja resistencia y punto de fusión), la fuerza de unión química o metalúrgica de la matriz al diamante es débil o no se forma en absoluto.
La premetalización de la superficie del diamante no es el objetivo final, sino sólo una de las medidas para conseguir la unión químico-metalúrgica con el metal base. Después de que el diamante recubierto se sinteriza en dientes de sierra (taladro), todo el diamante expuesto en la sección transversal pierde su recubrimiento y la superficie de la fosa residual donde se cae el diamante es muy lisa. Este fenómeno parece indicar que el diamante y la matriz aún no han alcanzado el nivel de recubrimiento químico. Por lo tanto, incluso si se logra la premetalización de la superficie del diamante, el método tradicional de sinterización por metalurgia de polvos de estado sólido no puede lograr una unión fuerte entre el diamante y el material de la matriz.
A finales de la década de 1980, la gente comenzó a explorar la tecnología de soldadura fuerte de herramientas de diamante. Algunos elementos de transición (como Ti, Cr, W, etc.) están recubiertos sobre la superficie del diamante y reaccionan químicamente con ellos para formar carburos en la superficie. Mediante la acción de esta capa de carburo, el diamante, el aglutinante y la matriz pueden unirse metalúrgicamente químicamente en estado sólido mediante soldadura fuerte, logrando así una verdadera metalización de la superficie del diamante. Este es el principio de la soldadura fuerte con diamante. Se puede ver en patentes y artículos publicados que esta tecnología puede hacer que el valor máximo del borde del diamante alcance 2/3 del tamaño de partícula, aumentando la vida útil de la herramienta en más de 3 veces, mientras que el valor convencional es inferior a 1/3. para que la operación de corte sea estable. Cuando se alcanza el valor del borde, se puede obtener el valor del borde permitido. Por lo tanto, se espera que la tecnología de soldadura fuerte logre una fuerte unión entre el metal base (soldadura) y el material base: diamante y matriz de acero.
2. Estado de la investigación sobre herramientas de diamante para soldadura fuerte
Actualmente, las herramientas de diamante para soldadura fuerte (o nitruro de boro cúbico) se han convertido en una tecnología popular, pero se limita a herramientas de una sola capa. Las capas de "impregnación" aún no han dado frutos. La investigación extranjera sobre la tecnología de soldadura fuerte comenzó a finales de los años 1980, pero debido a la complejidad del trabajo, su aplicación se limitó a herramientas de una sola capa.
La investigación nacional sobre tecnología de soldadura fuerte a alta temperatura comenzó tarde. En comparación con los países desarrollados, la amplitud y profundidad de la investigación están lejos de ser suficientes, por lo que el progreso actual es muy lento. Sin embargo, a medida que China se una a la OMC, el ritmo de la investigación se acelerará gradualmente. .
Estado de la investigación de (1) herramientas de diamante soldadas a alta temperatura extranjeras
AK Chattopadhyay y otros en Suiza utilizaron pulverización con llama (soplete de oxígeno y acetileno) para recubrir la aleación de soldadura en el acero de la herramienta. sustrato (72Ni, 14,4Cr, 3,5Fe, 3,5Si, 3,35B, 0,5O2) y coloque un paño de diamante (sin recubrimiento) sobre la superficie de soldadura. El Cr en la aleación de soldadura, como elemento de carburo fuerte, se enriquece en la superficie del diamante durante el proceso de soldadura fuerte para lograr la metalización de la superficie del diamante.
El método introducido por Wiand et al. en la patente estadounidense consiste en agregar polvo metálico de soldadura (Ni-Cr) y aglutinante orgánico para formar una capa de soldadura y adherir el diamante recubierto al acero para herramientas. Luego, el sustrato se recubre con pintura de soldadura y luego se calienta a una temperatura moderada y se mantiene durante un cierto período de tiempo para eliminar sustancias volátiles. Calentar a aproximadamente 1100°C en un horno de vacío (grado de vacío 1,333×10-2Pa) o en un horno de hidrógeno seco, mantener durante 1 hora y completar la metalización de la superficie del diamante mientras se suelda.
En algunas patentes, también se utiliza metal de aportación de aleación de níquel-cromo para soldadura fuerte, y el metal de aportación también incluye Fe, B o Si, Mo, etc. Por ejemplo, en el documento [14], se utiliza material de soldadura fuerte de aleación de níquel-cromo que contiene Si o Si y Ti para lograr la soldadura fuerte en un horno de vacío, y la temperatura de soldadura fuerte es de 1126 ~ 1176°C; el documento [15] usa níquel-cromo; el material de soldadura fuerte de aleación que contiene soldadura a base de cobre W, Fe, Cr, B y Si se utiliza para soldar muelas abrasivas de diamante; la literatura [16] utiliza soldadura a base de plata Ag-Mn-Zr para soldar herramientas de diamante, reemplazando así las herramientas electrochapadas.
El alemán ATrenker y otros utilizaron metal de aportación activo a base de níquel y metal de aportación a base de níquel, respectivamente, para lograr la combinación de diamante y matriz durante el proceso de soldadura fuerte. Al comparar las herramientas galvanizadas, se puede ver que el rendimiento de las herramientas de diamante soldadas a alta temperatura es mucho mejor que el de las herramientas de diamante galvanizadas. El rendimiento de rectificado inicial de las herramientas de soldadura fuerte (que utilizan soldadura activa y diamante PDA989, PDA665) es más de 3,5 veces mayor que el de las herramientas de galvanoplastia (soldadura a base de níquel y diamante PDA665), y la vida útil es más de 3 veces mayor que la de las herramientas de galvanoplastia. Dado que la herramienta soldada tiene un gran espacio para contener virutas, la superficie de corte libre de los granos abrasivos de diamante es grande y el espacio entre los granos abrasivos es grande, por lo que las virutas se eliminan fácilmente, por lo que el rendimiento de rectificado de la herramienta de diamante soldada es bueno.
(2) El estado actual de la investigación de las herramientas de diamante soldadas a alta temperatura domésticas.
Basado en investigaciones sobre soldadura fuerte con diamante en el país y en el extranjero, la Cuarta Universidad Médica Militar y la Universidad Xi Jiaotong adoptaron un método de soldadura fuerte a alta temperatura en un horno de vacío (el grado de vacío es de 0,2 Pa), utilizando una aleación NiCr13P9. Como material de soldadura, se agrega una pequeña cantidad de polvo de Cr a alta temperatura (950 °C) y presión (4,9 MPa) para lograr una combinación firme de diamante y matriz de acero. El material de soldadura se distribuye uniformemente sobre la superficie de la muela, el diamante se ha soldado firmemente y la superficie de la muela se siente afilada y áspera al tocarla. El material de soldadura se distribuye uniformemente entre los granos abrasivos de diamante y la altura del filo de diamante es alta. Su durabilidad mejora significativamente en comparación con las muelas abrasivas galvanizadas y solo una pequeña cantidad de diamante se cae después del trabajo.
Xiao Bing de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing utilizó soldadura fuerte por inducción de alta frecuencia. Se utilizaron aleación Ag-Cu y polvo de Cr como materiales de capa intermedia, y se realizó soldadura fuerte por inducción en el aire a 780°C durante 35 segundos para lograr una fuerte unión entre el diamante y la matriz de acero. Yao Zhengjun y otros utilizaron el método de soldadura por inducción del horno protector de gas Ar, utilizando polvo de aleación de níquel-cromo como material de soldadura, soldadura por inducción al vacío durante 30 segundos y la temperatura de soldadura fue de 1050 °C para lograr una conexión firme entre el diamante y el matriz de acero. Utilizando microscopía electrónica de barrido y espectrómetro de energía de rayos X, combinados con análisis estructural de difracción de rayos X, se descubrió que se forma una capa rica en cromo en la interfaz del diamante durante el proceso de soldadura fuerte. La capa rica en cromo reacciona con el elemento C. en la superficie del diamante para generar Cr3C2 y Cr7C3. Esta es la razón por la cual la capa de aleación es el factor principal para lograr una alta fuerza de unión entre los diamantes. Se realizaron pruebas de rectificado con gran profundidad de corte, avance lento y carga grande. A juzgar por la morfología de la superficie de la muela después del pulido, el diamante no se cayó en su totalidad y los granos abrasivos de diamante se desgastaron normalmente, lo que indica que el diamante tiene una alta resistencia a la sujeción y es adecuado para un pulido eficiente.
Corporación China de Muelas Abrasivas de la Provincia de Taiwán (KNIK.
Inc) lanzó un cordón de soldadura fuerte de alta temperatura con diamante uniforme de una sola capa, que redujo la dosis de diamante en un 50 % y aumentó la velocidad de corte en 2 veces sin reducir su vida útil.
Basado en investigaciones nacionales y extranjeras, el equipo de investigación del autor utilizó soldadura de lámina de aleación Ni82CrBSi y diamantes distribuidos uniformemente en la lámina de soldadura para lograr soldadura fuerte en un horno de sinterización de prensado en caliente de bajo vacío, y la soldadura fuerte Un estudio preliminar se llevó a cabo sobre herramientas de diamante para soldadura fuerte para explorar cómo se puede aplicar la tecnología de soldadura fuerte a herramientas impregnadas. A partir de la optimización de la disposición de los diamantes en la matriz, los parámetros estructurales estáticos, como el tamaño y la concentración de las partículas de diamante, y los parámetros dinámicos, como el número de diamantes efectivos y el espaciado de los diamantes, se logra la disposición ordenada de una sola capa de diamantes en el plano transversal. Se logra, y luego se utiliza el método de apilamiento para lograr Los diamantes en la capa de trabajo se escalonan en la dirección longitudinal, logrando así la capacidad de trabajo continuo de los diamantes. Para probar la capacidad de incrustación de diamante de la matriz, se fabricó especialmente una broca de diamante montada en superficie, se realizaron cinco experimentos de corte y se midió su valor de corte promedio máximo. Al probar la altura del borde del diamante de la herramienta soldada de una sola capa (el diamante tiene una malla 45/50), se encontró que el valor máximo del borde puede alcanzar más de 70. Se puede ver que la tecnología de soldadura fuerte puede mejorar en gran medida la fuerza de unión entre el diamante y la matriz. Los experimentos de simulación de perforación de hormigón armado con una broca de diamante (φ63 mm) demostraron que la broca aún puede funcionar cuando el desgaste de los dientes es de casi 2 mm. En teoría, en el trabajo intervienen dos capas de diamante, lo que parece indicar que ". Se puede lograr "impregnación". Tecnología de aplicación específica Aún en investigación.
3. Problemas con la tecnología de soldadura fuerte en la aplicación de herramientas diamantadas.
Hay muchas dificultades en la soldadura fuerte con diamante que deben resolverse: ① Se requiere que el material de soldadura fuerte tenga buena humectabilidad y resistencia de unión al diamante y la matriz (2) La selección del material de soldadura fuerte y el proceso de soldadura fuerte; debe garantizar la estabilidad del diamante para reducir o evitar la erosión del diamante por la soldadura (3) Dado que los coeficientes de expansión térmica del diamante y la matriz metálica son muy diferentes, la tensión residual de la soldadura también es muy grande, lo que reduce la resistencia de; la unión (4) El punto de fusión de la soldadura es alto Dependiendo de la temperatura de trabajo de las herramientas de diamante, debemos buscar un material metálico (aleación) con un punto de fusión más bajo y cercano al coeficiente de expansión del diamante como material de soldadura; Y luego considere agregar algunos elementos activos para mejorar la humectabilidad y la afinidad del diamante para lograr la unión del diamante y cumplir con el propósito de las propiedades mecánicas de la matriz. Además, también es necesario seguir madurando y optimizando tecnologías clave como la implementación de la metalización de superficies de diamantes, la combinación y selección de superficies metálicas y soldaduras, y la selección de medios de soldadura y gas.
La eficiencia y la vida útil de las herramientas de diamante dependen no sólo de la firmeza con la que se incrustan los granos abrasivos de diamante, sino también de la resistencia al desgaste de la matriz. La resistencia de la carcasa en sí, la distribución de los diamantes en la carcasa y la concentración de diamantes afectarán la resistencia al desgaste de la carcasa. Por lo tanto, cómo lograr el estado ideal de la carcasa también es un tema que merece atención en el futuro. trabajar.
4. Conclusión
La tecnología de soldadura fuerte puede lograr una unión metalúrgica química en la interfaz entre el diamante, el agente aglutinante (material de aleación de soldadura fuerte) y la matriz metálica, con una alta fuerza de unión. Debido a la alta fuerza de unión en la interfaz, solo un espesor de unión fino es suficiente para sujetar firmemente los granos abrasivos, y su altura de exposición puede alcanzar 70 ~ 80, lo que hace que los abrasivos se utilicen más plenamente y aumenta considerablemente la vida útil de la herramienta. y eficiencia del procesamiento. En comparación con los procesos tradicionales, el valor de borde máximo permitido de las herramientas de diamante se puede aumentar en más de 50 y el consumo de diamante por unidad de volumen de material de la pieza de trabajo se puede reducir a más de la mitad sin aumentar ni reducir el consumo de energía de la herramienta. En comparación con las herramientas de galvanoplastia, también presenta ventajas incomparables. En resumen, la tecnología de soldadura fuerte tiene buenas perspectivas de desarrollo en el proceso de fabricación de herramientas diamantadas y debería industrializarse lo antes posible.