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金刚石与金属怎么焊接比较牢靠

关键词 金刚石 , 焊接|2020-01-10 10:20:16|来源 威尔鼎王
摘要 金刚石因具有极高的硬度和良好的耐磨性,所以是碎岩等硬质材料的理想材料。由于金刚石与一般金属及其合金之间具有很高的界面能,与金属及其合金的浸润性很差,高温时容易石墨化,致使金刚石焊接...

       金刚石因具有极高的硬度和良好的耐磨性,所以是碎岩等硬质材料的理想材料。由于金刚石与一般金属及其合金之间具有很高的界面能,与金属及其合金的浸润性很差,高温时容易石墨化,致使金刚石焊接性很差。金刚石与金属连接的主要困难在于:一是焊接温度受到金刚石石墨化转变温度的限制,难以实现真正意义上的化学冶金结合,焊接接头强度很低;二是大多数低碳钢基体材料或者胎体材料对金刚石难以浸润或者不能浸润,焊接后基体对金刚石的把握能力非常差,造成制品在使用过程中金刚石脱离,不能充分发挥金刚石的优良性能;三是金刚石的线膨胀系数低于大多数金属材料或者合金,焊接时容易出现裂纹。

       因此,传统的金刚石工具的制造一般都是采用化学镀或者低温钎焊的方法,没有实现金刚石与基体的冶金结合,焊接强度较低,使用性能差,对金刚石的利用程度也非常低。只有综合解决好以上这三方面的焊接难点,才能真正发挥金刚石的高性能。目前,金刚石高温焊接技术受到有关焊接技术人员的关注,焊接金刚石时不妨借鉴。

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       金刚石工具使用过程中,胎体材料的性能是影响金刚石工具使用性能的关键因素之一。国外研究发现,采用胎体材料的预合金化工艺,金刚石工具的使用效果较好。国内在这方面的工艺还只在烧结金刚石制品上少量采用,而焊接用的胎体合金采用预合金粉末工艺还鲜有报道。

       由于金刚石在高温下极容易石墨化,故在焊接时采用在低碳钢基体上喷焊一层低熔点的胎体材料,其性能要求为:(1)能与金刚石金属化表面合金形成低熔点的共晶体,以降低金刚石的焊接温度,避免石墨化;(2)能与低碳钢基体有良好的焊接性;(3)有较高的硬度,能有效地支撑金刚石;(4)与金刚石金属化后的过渡层TiC层及低碳钢基体的膨胀系数差异较小,以减少焊接应力,避免焊接裂纹。为达到上述四个方面的要求,胎体合金可以以镍、钴为主要成分,再加入适量的钛、微量的稀土及少量的硼、硅等,稀土、硼、硅等在降低合金熔点的同时能提高合金流动性与浸润性。

       可以将预选合金进行金属粉末的预合金化,即先按设计配方将其熔炼成合金,然后雾化成为所需粒度的胎体粉末。试验证明,通过预合金化的方法可制备出组织均匀、熔点低、易烧结、对金刚石具有良好浸润性与黏结性的预合金粉末。将其喷焊在钢基体上,重熔时加热到稍高于预合金粉末的液相线温度,预合金粉末熔化后与金刚石实现冶金结合,不会出现机械混合粉末胎体焊接时经常出现的密度偏析、低熔点金属先熔化富集和流失、易氧化或者易挥发的金属在重熔的过程中难以控制等缺陷,有利于焊接工艺的稳定。

       为减少金刚石的石墨化倾向,要求金刚石有尽可能好的热稳定性。由研究可知,一般条件下随金刚石磁性的减弱,其热稳定性显著提高。鉴于金刚石的磁性与其热稳定性之间的密切关系,可用于焊接的金刚石最好采用测量其磁性的方法来优选。

       为改善金属及其合金对金刚石的浸润性和焊接性以前研究大都停留在采用金刚石表面镀覆工艺上,这种工艺只是在金刚石表面包裹一薄层金属外衣,并未在金刚石上生成金属碳化物过渡层。

       为了更好的实现焊接,采用在金刚石表面金属化工艺,首先需要把金刚石分别用稀盐酸、丙酮清洗干净并于150℃下烘干,然后在坩埚中与钛粉混合,再以BaCl2+NaCl为主,加少量添加剂的氯基混合盐将其覆盖,把箱式电阻炉加热至混合盐熔点以上100℃~150℃,然后将坩埚放入炉中,保温0.5~1h后随炉冷却,再取出坩埚放入煮沸的清水中,使盐溶解就可得到渗覆了钛的金刚石,而且这种金刚石表面金属化工艺的方法使金刚石表面渗覆均匀、完整。经检测证明,金刚石表面渗覆物主要为钛。

       再将经盐浴渗覆后的金刚石置于真空炉中,在1.33×10-4P2a的真空度下加热900℃(1h)后随炉冷却。由于钛是强碳化物形成元素,在加热过程中与金刚石表面的碳原子结合生成TiC的晶核并逐渐长大,直至在金刚石表面形成一薄层TiC过渡层。

       采用热绝缘剂能保护金刚石在高温焊接时免受热侵蚀,避免金刚石的高温石墨化。相关研究表明,TiH2粉末的导热率为0.5W/(m·K),且TiH2分解反应的焓变是125.4kJ/mol,利用其来吸收并带走金刚石周围的热量,可以屏蔽胎体熔化时金刚石出现过热而石墨化。有些有机聚合物高温可分解成烷、烃类小分子气体和游离碳,吸收热量约为105kJ/kg。

       如果按1kg合金中涂覆有机热绝缘剂用量为10g计算,则在金属液滴形成阶段,绝缘剂的理论吸热量可达1000kJ,而形成1kg过热熔融金属液滴(1000℃)需要提供热量约3000kJ。因此,热绝缘剂在防止金属化金刚石升温的同时,也可以降低胎体的过热度,从而可以有效地防止金刚石的过热导致的石墨化。此外,金属氢化物TiH2分解残留的钛可以与有机聚合物高温分解物中的残余碳形成TiC层起到对金刚石的金属化作用。

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       因此,先将金属化的金刚石清洗,再用TiH2粉末包裹金属化金刚石表面薄薄一层,然后再涂覆有机聚合物,可做到涂层厚度合适、均匀性好,涂覆后应烘干,除水分。由于涂覆的成本低,故可应用于工业生产,将胎体合金预合金化,然后喷焊在低碳钢基体上,将喷焊层磨平、清洗后,用水玻璃将涂覆金刚石粘在喷焊层上,并烘干,焊接时采用氧乙炔气焊,采用偏于碳化焰的火焰进行焊接,使金刚石与胎体的焊接处处于还原性气氛中,有利于防止金刚石石墨化。

       焊接金刚石要注意焊后缓冷,避免出现焊接裂纹。金刚石与胎体的焊接质量好坏最重要的指标就是焊接件的耐磨性能。相同条件下,采用其他传统的焊接工艺焊接后试样的磨损量为330g左右,采用高温焊接技术试样的磨损量为40.5g。由此可见,高温焊接技术这一新的焊接工艺保持了金刚石高的耐磨性,以上观点仅供参考。

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