金刚石钎焊工具制作的整个过程

超硬天地 2018-11-07 16:41:30


摘要:本文较详细地讲述了金刚石钎焊工具制作的整个过程,并针对钎焊工具的布砂提出实用的方法、想法及设计思路。


金刚石工具有烧结的、电镀的、激光焊接的等,钎焊金刚石工具只所以能够迅速地被用户所认可,这由其本身的结构性质所决定,1、金刚石的出头率高,切磨效率非常高;2、金刚石被钎料紧紧地焊在了基体上,不是机械性包裹而是种化学性结合,因此金刚石在工作中不易脱落。但由于大多数金刚石钎焊产品为单层(也有多层的,据了解还不太成熟),尽管它非常锋利切磨效率高但寿命比不了烧结的;另外钎焊金刚石必须在高温下进行,对金刚石有一定的损伤,重要的是基体在高温下会变形,特别是对于薄锯片(据了解钎焊薄锯片可做到0.3外径100的),因此它不可能完全取代金刚石电镀产品;另外钎焊金刚石工具生产设备投资也较高,生产成本也较高,因此钎焊金刚石工具只会占据金刚石工具市场的一部分,但可以肯定地说钎焊金刚石工具将来会有很好的市场,特别是在一些异形金刚石工具方面,这类工具利润一般都非常大。


在一些资料看到有在空气中高频钎焊的、有真空中频钎焊的、有通保护气体钎焊的、有真空钎焊的。空气中高频钎焊虽然金刚石受热时间短,但对金刚石的损伤、碳化还是很严重的,另外基体、钎料的表层、局部被氧化,降低了钎料对金刚石的把持力及钎料对基体的结合力,还有一些钎料在空气中根本没法用(怕氧化);在真空下中频钎焊应该可行(钎料在中频圈的感应下会不会从基体上掉下来,我没有中频设备没有做实验不敢枉下结论),通保护气钎焊肯定没太大问题,但会增加生产成本;真空钎焊我个人认为应该是最好的,首先真空环境下钎料的熔化点比常压低50℃到80℃,可以减少高温对金刚石的热损伤,钎料的流动性及对金刚石和基体的浸润性比其他环境下要好。按专家们的理论真空度越高越好,其实真空度在2X10-2Pa左右已基本满足做高档钎焊金刚石工具的要求,对于部分钎料低真空(2Pa左右)也能够做出好的钎焊金刚石工具,但所用金刚石要在16Kg以上。大家都认为真空设备很贵,技术含量很高,其实不然,一台小的真空炉的成本在3、4万左右,当然如果从真空炉生产厂家买,估计需10万以上。强调一点无论是买别人或是自己做真空炉,在炉门上一定要有一个观察孔,以便能够看到炉内的情况,如钎料熔化、爬升等情况。

金刚石与基体的结合强度是由钎料决定,最重要的是钎焊金刚石不是钎料把金刚石机械性地包裹起来而是钎料在金刚石表面生成了一种碳化物,是一种化学健的结合,这就要求钎料成分中必须含有能够在高温下和金刚石生成碳化物的元素(Ti、V、Cr等),目前大多数生产厂家所用的钎料大都含有10℅左右的铬或钛。生产钎焊料的厂家很多,钎料中各元素成份含量也不尽相同,有粉状的、有片状的、有丝线状,镍基的、银基的、铜基的,镍基焊料熔化点一般在900℃以上,银基焊料熔化点一般在750℃左右,对于金刚石而言钎料熔点越低越好,但象Ti、V、Cr这些能够和金刚石生成碳化物的金属,反应温度都在700℃以上。判断钎料的好坏,主要是看他对金刚石的把持力,爬升力好的、流动性好的对金刚石的把持力不一定强,如BNi-7这种钎料爬升力、流动性好非常好但对金刚石的把持力没有BNi-2、Ni260A、CuSbNiTi这几种钎料强(这是我做实验的结果,也许不正确,因为BNi-7钎焊环境要求较高,我可能没达到),现在已有人专门在研究钎焊金刚石用的特种钎料,焊接强度及外观质量都非常的好。强调3点:1、要求钎料对金刚石和基体有良好的浸润性和结合强度;2、钎料对金刚石最好没有侵蚀性或微侵蚀性;3、钎料的软化点必须高于钎焊金刚石工具在切磨时的局部温度。


钎剂属于钎焊的一种辅料,就如同焊锡用的松香,主要起除去钎料及基体表面的氧化膜,改善钎料对基体金属表面的润湿性,如果所用的钎料纯度很高没有氧化层,基体表面也很干净,用丙酮、酒精、蒸馏水也可用作 “钎剂“,有些钎剂厂家在钎焊金刚石用的钎剂里加入了一些活性物质,提高了焊接强度及产品外观质量。有一点必须强调,不论采用哪种钎剂都要在200℃到450℃左右能够将有害物质完全挥发出来,以免影响钎焊质量。


烧结金刚石工具本身对金刚石的要求不是很严,只是不同用途用不同强度的金刚石,但电镀金刚石就要求金刚石的含磁量越小越好,钎焊金刚石也有同样要求,搞金刚石的人都清楚,金刚石含磁量越小其强度越高,几乎是y=-kx+b的比例关系(y=强度,x=含磁量),磁场强度和电流成正比。正是由于金刚石内的磁性物质造成高温下金刚石的损伤,据实验16Kg以下的金刚石在1000℃时有20℅-30℅金刚石被损伤(真空下),16Kg以上的金刚石在1000℃时金刚石被损伤率低于10℅(真空下),因此做高档钎焊金刚石产品金刚石强度要求越高越好,现在大多数厂家用的磁选机最好也只能选到26Kg左右再高就做不到了,学过初中物理的人都知道电磁原理,自己做一台高磁场磁选机也不是件难事。建议一点,如果做磨盘、磨轮用粉状触媒合成的金刚石,如果做切割锯片最好用片状触媒合成的金刚石。


钎焊金刚石工具对基体要求并不太严,但必须满足以下几点,1:基体的软化点必须高于钎料的熔点;2:基体高温下的变形量必须满足工作要求;3:基体必须和钎料有很好的亲合力。


单层金刚石钎焊工具布砂是目前钎焊金刚石工具的关键,也是决定一个公司或个体户能否提高工作效率、能否大批量生产的关键,听说台湾的宋健民能做到,苏州的腾龙也做的差不多。大多数厂家还是纯手工作业,先用钎剂将钎料调成糊状,然后用一个薄金属片或小刷子将钎料涂摸在基体(基体表面必须进行除油、除锈,特别是钎焊处,钎焊处也可做喷砂处理)上,钎料厚度、均匀程度全凭经验,最后将金刚石撒在钎料上(钎料不能干,干了金刚石粘不上),如将金刚石装在一个小瓶里,瓶盖上开一个1-2mm左右长孔,内面衫一筛网,目数和金刚石粒度一致,把瓶拿在手里口朝下振动可较均匀地撒金刚石,将金刚石一颗一颗整齐地放在钎料上,有点麻烦了,这种纯手工作业解决了许多剩余劳动力,特别适合中国国情,但无法保证钎焊金刚石工具的质量,必须想办法解决,对于片状钎料很简单用粘度大的钎剂或者502(不要太多)粘到基体上就可,粉状钎料大都在200目以细,从涂覆的角度说越细越好,钎焊工具基体表面多种多样,平面的、曲面的、沟状的等,对于大批量生采用喷涂法也许可行,先将基体不需要涂覆的地方用薄塑料板、纸胶带(家庭装修用的,此胶带揭掉后没有残留物)、也可定做一定形状的遮挡工件盖起来,有2种方法喷涂:1、将钎料和钎剂按一定比例调好,象喷漆一样喷涂(所用喷枪大小、气压大小,根据工件面积选用,对某些工件喷枪需特制);2、先将钎剂喷到基体上,然后再喷钎料(用喷粉用的喷枪,对某些工件喷枪需特制),以上2种方法所喷钎料的厚度由金刚石的粒度决定,如果喷一次不行可以等钎料干后再喷第2次、第3次,有些基体可以直接将钎焊处放入调好钎料内然后拿出来,经过简单擦试、旋转、振动等便可将钎料涂覆均匀,有些圆盘形平面基体可以让其旋转起来,然后特制一个带振动的扁嘴多孔漏斗,将调好的钎料倒入漏斗内,通过调基体转速、漏斗振动大小及孔的大小来均匀涂覆钎料,调好的钎料浸润性一般都相当好自身也会慢慢均匀,涂覆完成后需要将基体上遮挡物取下,并让人将遮挡物上粘的钎料回收起来,有些基体当钎料涂覆之后需要做一些特殊的工装才能方便拿起,方法很多需要大家多动脑子去想;接下是如何把金刚石均匀地、有一定规则排布地洒在钎料上,一般来讲对于50目以上的金刚石才要求规则排布,50目以下的金刚石只要求均匀,对某些工件可做一个特制的料斗,料斗下口处用筛网盖上,筛网目数由金刚石粒度决定,把料斗固定到一个振动的电磁铁上(如选型机用的电磁铁),把工件放在料斗下口正下方,做一机构可让工件平移、旋转等动作,通过调节工件运动速度及电磁铁振动大小来均匀撒金刚石。对于规则排布金刚石,首先要解决如何将一颗金刚石拿放自由,靠小镊子镊也行但不是好办法,用给病人打针的针头做一个吸针,针头的孔径要小于所用金刚石的直径,先将针头前面的尖磨平,然后固定到个细钢管(硬塑料管也行)上不能漏气,再用胶管接到一个三通阀上(卖气动元件的有,一通针头、一通大气、一通真空罐),买一个小真空泵(小的吸尘器吸力不够)几百元钱,整一个小金属罐(废煤气罐也行)在上面开两个孔焊两个法兰孔就做成了。原理就是靠真空的吸力将金刚石吸到针头上,放下时通过阀将针头与大气相通,金刚石会因自身重力落下。一个针头工作效率肯定低,只能用于修补(修补工作是布砂的最后一道工序,也是必须的),只要能做成一个,就做成一排二排.....,也可以做成一个和工件相吻合的面,还有一个办法对于平面布砂很适合,就是做一个真空吸盘,吸盘吸金刚石的面积和工件需钎焊的面积相对应,吸盘的吸面用0.1-0.2的不锈钢板或铜板,吸面所打孔孔径由金刚石粒度决定,孔的间距及整体图案、造型由自己选定,由于目前市场上买的金刚石如40-50的里面可能还有70-80的,因此最好重新过筛,以免有金刚石卡在孔里出不来;做不干胶贴膜用于一堆一堆金刚石均匀排布也是一种办法(这种胶必须能够在200℃-400℃完全挥发),做带孔模板刷胶(钎剂)也可,这些方法是先将金刚石粘在基体上再喷钎剂、钎料。在一件工具上布砂量多少合适、如何布才能提高切磨效率和使用寿命,听一个做锯片专家讲,一样的锯片他用的金刚石量是别人的2/3,结果切割效率、使用寿命比别人的还要好,有些人会从这句话中琢磨出道理来。强调一点在涂覆钎料时不要厚了,厚了金刚石出头太低不利于切磨,太厚了钎料熔化后会流动造成钎焊工具不美观甚至不能用。


布完砂后的工件(碳钢的)放在空气中会很快生锈,特别是涂覆钎料处,因此最好将布完砂后的工件放在一个真空烘干炉内存放、预烘干,如果没有真空烘干炉可以直接放入钎焊真空炉内,这样做会对炉子有一定危害,对真空泵油有污染,需要半个月或一个月对炉子进行清理(用氢气或氮气高温呼吸几次)一次,泵油勤换着点(倒出的泵油经过过滤、澄清还可以再用),钎焊的要点在于必须知道钎料熔化点的温度,钎料厂家给出的钎料的熔化温度是一个范围(如970℃-1000℃),真空度的高低也会影响钎料的熔化温度,不同厂家的温度传感器测的温度也不一样,因此首先要求在自己所用的炉子里做钎料熔化实验,方法很简单,找一个钢片整一小堆钎料放入炉内观察窗能够看到的地方,然后开始抽真空、加热,直到钎料熔化记下这时的温度就是这种钎料的熔点,说明一点不同厂家的炉子升温速率不同,测温滞后度也一样,可以咨询厂家也可以自己磨索,采用不同的升温速率、设定不同保温段等方法。对不同的钎焊金刚石工具有不同的钎焊工艺,如薄钢板类工具,从常温到400℃采用慢升温,目的是让钎剂完全挥发掉,400℃到680℃左右采用快升温,目的提高工作效率,680℃左右到钎料熔化点,中速升温,目的是缓冲炉内温差,钎料熔化点到钎料熔化点+50℃左右采用慢升温,目的是给所有钎焊工件提供一个均匀的温场,然后保温5-15分钟便可停热降温,根据情况也可以直接停热降温;对于厚基体类工具最后的保温时间要在20-35分钟左右。薄锯片如何钎焊才能够保证变形量在许可范围内,需要做一些工装,将锯片串起来,一串不要太多,中间用隔板隔开,两端用钢板夹紧,竖着放在炉内,厚点的可以平放,升温采用慢升温,最高温度为钎料熔化点+30℃,保温时间5分钟左右, 出炉后如果变形量过大可以二次进炉,依旧串起夹紧,中速升温到600℃左右,保温时间10分钟左右,有些锯片也可在压机上校平,对于太薄的锯片钎焊很难,要做就得选用低熔点钎料,还要做一些特殊的工装,做一台带压力的真空钎焊炉是一个很好的办法。高温钎焊对于金属工件也是在进行真空下退火处理,对于碳钢类基体损伤较严重,但随炉慢冷却能够减少焊接后因金刚石和金属基体及钎料的热膨胀系数差异较大而产生的残余应力。单室真空钎焊炉生产效率低,特别是对于高真空钎焊更不利,用三室真空钎焊炉是理想的选择,它有预热室可将工件加热到500℃左右,钎剂及其他有害物质基本挥发殆尽,然后进入钎焊室,钎焊完成后进入冷却室快速冷却,对基体有好处,生产效率高、产品质量好、生产成本低,但设备一次性投资太大。


如何鉴别钎焊是否成功,一看二敲三实验,看金刚石被钎料的包裹情况,钎料是否爬到金刚石最高处了,不同的钎料爬升力、流动性不太一样,到顶不到顶并不是关键,金刚石粒径的50℅以下是否是圆锥状的钎料是关键,如果金刚石露出不到50℅说明涂的钎料厚了;如果熔化后钎料不光亮说明钎料不纯或有氧化层;如果基体发黑发兰说明炉子漏气(出炉温度高于200℃碳钢基体也发黑发兰);用一带尖的金属敲一敲金刚石是否能够轻易敲下来,如果能够轻易敲下来说明钎料对金刚石的把持力不行(有条件的可以用电镜扫描分析钎料是否在金刚石表层生成Cr3C2、Cr7C3);抽样实验是检验产品最有效方法,如果实验结果没有达到要求要查明原因:是钎料问题、是钎剂问题、是金刚石问题、是设备问题还是钎焊工艺问题。钎焊问题大多出现在钎料上,首先是钎料是否符合钎焊金刚石工具要求,其次有些钎料厂家不能保证钎料产品质量,第三钎料在使用、存放过程中氧化、污染;有些钎剂在使用、存放过程中会失效、有沉淀物等,在200℃-450℃左右不能完全挥发掉;设备问题主要表现为真空度、温度不准。

小结:本人是学电机的,既不懂材料又不懂工具,在钎焊金刚石工具及制作方面讲不出更深的东西,只是努力地、认真地去想了、去做了,如果在某一点上能够让人有所领悟起到抛砖引玉的作用也就满足了。



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