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       摘　要:传统金刚石线锯是在细金属丝的表面通过电沉积镍或热固化树脂来固定一层金刚石磨料,用于材料的精密切割。由于磨料只是被机械地包埋镶嵌在镀层或树脂结合剂中,磨料易脱落,线锯寿命短。为解决此问题,提出了利用气体保护感应加热钎焊工艺制作金刚石线锯,提高金刚石磨料的结合强度。进行了气体保护装置的研制和钎焊工艺的研究,成功试制出钎焊金刚石线锯,对钎焊机理进行了探讨。

       关键词:金刚石;线锯;感应加热;钎焊工艺

引言

       金刚石线锯是在细金属线的表面通过电沉积镍或热固化树脂来固定一层金刚石磨料,可以精密成形切割硅片、石材、陶瓷、光学玻璃等硬脆材料,也可应用于铝合金等金属材料的切割加工。其优点: 1)切缝窄,出材率高;2)切割过程平稳,切割硅晶、陶瓷等脆性材料不崩边; 3)切割温度低,切割面无烧伤; 4)能切割大尺寸工件; 5)对环境污染小,通常使用水作为冷却液。是一种很有前途的切割工艺方法。现有金刚石线锯存在的主要问题:磨料只是被机械地包埋镶嵌在镀层或树脂结合剂中,磨料与结合剂结合强度低,磨料易脱落,结合剂层亦容易成片脱落,线锯寿命短。

       近十几年来,国内外一些学者开始研究采用钎焊工艺来制作单层超硬磨料工具,其出发点是希望借助高温钎焊时在磨料、钎料和基体界面上发生的熔解、浸润、扩散、化合等相互作用(即通常所说的化学冶金作用) ,从根本上改善基体和钎料合金对磨料的把持强度。与传统的电沉积镍或热固化树脂金刚石工具相比,钎焊金刚石工具有以下特点 : 1)磨料、钎料和基体三者之间能实现化学冶金结合,从而提高了结合强度,工具使用寿命长; 2)磨粒的出露高度大,容屑空间大,不易堵塞,磨料的利用更加充分; 3)磨削力、功率消耗和磨削温度低; 4)具有环保意义,符合当今倡导的绿色制造发展趋势。

       目前,钎焊金刚石工具的研究集中于空心钻、磨轮、锯片、串珠研制与加工性能,尚未涉及钎焊金刚石线锯,而钎焊金刚石线锯的制作又具有其独特的特点。本文在国内外首次尝试采用超高频感应加热Ar气保护钎焊制作金刚石线锯,期望本文的工作能有助于推动钎焊金刚石线锯的实用化研究进程。

工艺试验条件

       真空电阻加热炉焊和气体保护感应加热焊都是可行的方法。由于真空电阻加热炉加热速度慢,长时间的高温加热对基体微观结构和金刚石磨粒的性能会产生不利影响,尤其会明显降低线锯金属丝的抗拉强度和弯曲强度。因此,选择感应加热设备用于钎焊制作金刚石线锯。与真空电阻加热炉中钎焊相比,感应加热钎焊具有独到的特点:加热速度快,冷却速度快,对钢丝抗拉强度影响小;可实现超长线锯(如100 km)的钎焊制作。所采用的高频感应加热钎焊系统如图1所示,其功率为50 kW,频率200～250 kHz,该系统由感应加热电源、气体保护装置组成。

       为避免金刚石磨料在高温钎焊时的热损伤,必须在真空、保护气体中钎焊。金刚石的热损伤与氛围有关,在空气中金刚石开始石墨化的温度为800 ℃,在一般工业性保护气氛或真空下,金刚石开始热损伤的温度为1 200 ℃。根据保护气的不同,可分为还原性气体钎焊、惰性气体钎焊。还原性气体是指氢(H₂ ) ,或氢和氮(H₂ ,N₂ )的混合气体,或者是氢、氮、一氧化碳(H₂ ,N₂ ,CO)混合气体,其中氢和一氧化碳是还原气体。惰性气体主要是氩气(Ar)与氦气(He)。装置选择氩气为保护气,自行研制的气体保护装置如图2所示,它由感应线圈、气体保护腔、两个进气口和两个出气口组成。氩气从两个进气口通入,进入保护腔,将空气从两个出气口排除,待钎焊的线锯从下出气口入,进入感应线圈加热钎焊,然后从上出气口出,可实现线锯的连续钎焊。

       金刚石线锯制作工艺为:将粉末状Ni₂Cr₂B₂Si钎料与绿色环保液体胶混合均匀成浆液;钎料浆液厚度适中且均匀粘附固定在金属线表面;金刚石磨料均匀喷洒镶嵌于金属线表面的钎料浆表层;气体保护氛围中加热升温至钎料熔化,冷却后金刚石磨料钎焊固定于金属线表面。

 

试验结果与分析

 

       图4是钎焊后的金刚石线锯形貌图。金刚石晶形完整,棱角分明,无裂纹、石墨化显现;钎料铺展均匀,对金刚石爬升良好,说明钎料对金刚石磨料和基体都具有很好的浸润性。

       Ni₂Cr₂B₂Si合金钎料对金刚石表面的浸润性与该钎料同金刚石磨料的反应相关,将钎焊后的样品腐蚀,仅留下金刚石和金刚石表面的生成物,图5为金刚石与钎料反应生成的条状化合物,做XRD分析,该生成物为Cr₇C₃ ,是由金刚石表面的C与Ni₂Cr₂B₂Si合金钎料中的活性元素Cr反应生成的。所生成的Cr₇C₃ 在钎焊中具有以下几个重要作用: Cr₇C₃ 的线膨胀系数介于金刚石与钎料之间,具有缓解金刚石和钎料层的线膨胀系数不同所可能产生的应力作用;实现液态钎料对金刚石的良好浸润爬升,在Ar气氛下,液态Ni对Cr₇C₃ 的浸润角可达到0°,这样Ni基钎料通过Cr₇C₃ 层的中介作用,对金刚石也就有了良好的浸润性,大大提高了结合强度。

       与之形成了鲜明对比,电沉积镍或热固化树脂来固定一层金刚石磨料,由于金刚石与结合剂之间没有任何中介物质生成,也就不存在上述作用。事实上,正是由于此种结构的碳化物在高频感应钎焊金刚石表面生长才有条件将钎焊金刚石界面的结合强度提高到一个为传统的电镀与热固化工艺所无法企及的水平,这也正是研发高频感应钎焊金刚石线锯的真正优势所在。

 

       在钎焊过程中,线锯基体钢丝受高温作用,其金相组织、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度都会发生改变。钎焊前后钢丝机械性能损失的多少,损失的机理,切割加工的性能,以及如何控制其基本机械性能基本上不损失等问题都正在研究当中。

 

结论

 

       采用Ar气保护超高频感应加热钎焊工艺,成功研制出钢丝直径0. 8mm的金刚石线锯,钎料对金刚石磨料和基体都具有很好的浸润性,浸润是通过金刚石表面的C与Ni₂Cr₂B₂Si合金钎料中的活性元素Cr反应生成Cr₇C₃来实现的。