擇優(yōu)取向?qū)︹F焊金剛石薄壁鉆性能影響

楊合丹,劉一波,陳哲,劉勝

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京 102200)

擇優(yōu)取向?qū)︹F焊金剛石薄壁鉆性能影響

楊合丹,劉一波,陳哲,劉勝

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京 102200)

釬焊金剛石薄壁鉆是一種采用真空釬焊技術(shù)進(jìn)行的高性能超硬材料鉆削工具。根據(jù)鉆削工具的固有特征,將頂部磨料擇優(yōu)取向,取金剛石岀刃點(diǎn)為(111)面與(110)面結(jié)合晶棱,在鉆削過程中刃口鋒利,排屑順暢,摩擦生熱少,顯示出極高的鉆進(jìn)效率和使用壽命。通過實(shí)際鉆進(jìn)驗(yàn)證可知:擇優(yōu)取向Φ6小鉆頭壽命比普通鉆頭提高接近1倍,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn);擇優(yōu)取向Φ32mm常規(guī)鉆頭壽命比普通鉆頭提高1倍以上,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn);擇優(yōu)取向Φ32mm常規(guī)鉆頭壽命比均布鉆頭提高30%以上,鉆進(jìn)平穩(wěn)性相當(dāng)。

釬焊金剛石;薄壁鉆;擇優(yōu)取向;性能影響

釬焊金剛石薄壁鉆是一種采用真空釬焊技術(shù)焊接的高性能超硬材料鉆削工具,具有金剛石岀刃高、容屑空間大,把持力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,超硬材料工具一般都采用有序排布和擇優(yōu)取向工藝,以最大潛能發(fā)揮超硬材料各個(gè)方面的固有特征。

但目前有序排布技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)平面均布的批量化生產(chǎn),在曲面上實(shí)現(xiàn)均布僅停留在實(shí)驗(yàn)開發(fā)層面;再加上鉆削工具的固有特征,頂部磨料起鉆進(jìn)加工作用,受力狀況極其惡劣,側(cè)面磨料僅是減少鉆進(jìn)過程的摩擦,受力狀況一般;如果采用有序排布技術(shù),頂部和側(cè)面磨料采用不同的濃度排布,難度成倍提高,即使這樣,但由于均布技術(shù)的固有缺陷,也實(shí)現(xiàn)不了頂部金剛石濃度在50%以上。

根據(jù)鉆削工具的固有特征,僅將頂部磨料擇優(yōu)取向,取金剛石岀刃點(diǎn)為(111)面與(110)面結(jié)合晶棱,在鉆削過程中刃口鋒利,排屑順暢,摩擦生熱少,顯示出極高的鉆進(jìn)效率和使用壽命。

1 釬焊金剛石薄壁鉆

金剛石薄壁鉆釬焊是一種采用真空釬焊技術(shù)進(jìn)行釬焊的高性能金剛石工具制造技術(shù)。國(guó)外在20世紀(jì)80年代后期開始,研究用釬焊工藝開發(fā)新一代單層釬焊金剛石工具。其原理是藉高溫釬焊來實(shí)現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑和金屬基體界面上的化學(xué)冶金結(jié)合,采用這種工藝制作的工具具有較高的結(jié)合強(qiáng)度,磨粒的裸露高度可達(dá)70%～80%,釬焊工具鋒利、容屑空間大,不易堵塞,磨料的利用更加充分。與電鍍和燒結(jié)鉆頭相比,釬焊薄壁鉆頭的鉆削過程穩(wěn)定,鉆頭壽命長(zhǎng),鉆削的工件質(zhì)量明顯提高,在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給條件下加工優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

釬焊金剛石薄壁鉆加工對(duì)象廣泛,如鋼筋混凝土、石材、陶瓷、碳纖維、玻璃纖維、塑料、鋼材、木材、PVC等。作為具有卓越切削性能的新一代金剛石工具,金剛石出露高度可根據(jù)被加工材料的硬度、磨蝕性、配套設(shè)備參數(shù)、要求的加工效率、工作過程受力狀況、金剛石的粒度和濃度等一系列靜、動(dòng)態(tài)參數(shù)和幾何參數(shù)設(shè)計(jì),可以控制出露1/3、1/2、2/3等,能實(shí)現(xiàn)更寬泛材料的高效低耗加工。

2 選用金剛石原則

人造金剛石是用碳在高溫、高壓下形成的,是石墨的同素異形體。金剛石的晶形變化很大,常見晶形有八面體、菱形十二面體、立方體、四面體和六八面體等。金剛石晶體屬于平面立方晶系,由于每個(gè)晶面上的原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同,所以形成了天然金剛石晶體的各向異性。

天然金剛石晶體有三個(gè)主要晶面(100)、(110)、(1l1),各晶面各向異性的程度不同,其中(100)晶面各向異性最嚴(yán)重.初始金剛石中,結(jié)晶完好的晶體不多,相當(dāng)一部分金剛石顆粒表面有不同程度的缺陷。如結(jié)晶發(fā)育不好、晶面凹陷、晶面上有孔洞,而孔洞有的很深,有的位于淺表面,類似層片狀脫落,這樣缺陷的晶面為(111)面。通常應(yīng)根據(jù)工具的要求來進(jìn)行金剛石工具的晶面選擇,這些要求都需要借助晶體擇優(yōu)取向技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖1 初始金剛石結(jié)晶完整、棱角清晰圖Fig.1 photo of the original diamond with perfect crystalline and clear edges

圖2 初始金剛石在右下(100)和(111)交界處有初始孔洞圖Fig.2 photo shows initial voids of the original diamond at the junction of(100)and(111)

金剛石的晶形與性能之間存在著一定的關(guān)系。不規(guī)則形狀的和有棱角的晶粒占比例大的則適合于較輕負(fù)荷的應(yīng)用;晶形完整、飽滿結(jié)實(shí)的金剛石晶粒更適用在較重的負(fù)荷情況下使用。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)晶粒承受重負(fù)荷時(shí),最合適的產(chǎn)品是選用非常結(jié)實(shí)的、完整的立方-八面體晶形的金剛石。這種晶形的金剛石在工作過程中接觸面積最小,而抗破碎能力最強(qiáng),能降低設(shè)備功率消耗,延長(zhǎng)工具壽命。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),金剛石不僅各晶面表現(xiàn)的物理機(jī)械性能不同、其制造難易程度和使用壽命也不相同。且同一晶面不同方向的耐磨性也不同。因此,在制造工具時(shí),如果晶向選擇不當(dāng),即使晶面選擇正確,刃磨效率也會(huì)大大降低,所以在鉆削過程中要選擇晶面的耐磨方向,因此,金剛石薄壁鉆制造前對(duì)金剛石天然晶體的準(zhǔn)確定向,是合理選擇晶面的基礎(chǔ)技術(shù),是制造性能優(yōu)良工具的必要條件。

3 擇優(yōu)取向鉆頭制備

3.1 原材料

(1)金剛石

釬焊金剛石薄壁鉆用金剛石粒度一般以35/40、40/50、50/60為主,要求是晶形完整、飽滿結(jié)實(shí)的立方-八面體晶形的金剛石,靜壓強(qiáng)度在274.4N以上。

金剛石濃度根據(jù)鉆切機(jī)理,頂部金剛石濃度采用70%,側(cè)面金剛石濃度采用25%。

圖3 選用金剛石晶形圖Fig.3 Crystal shape of the selected diamond

(2)固定劑

固定劑分為金剛石固定劑和釬料固定劑,均為不干膠水與丙酮(乙酸乙酯等稀釋劑),或者去離子水按照不同的比例配制而成。

(3)釬焊料

目前,釬焊金剛石的釬料多使用Ni-Cr、Ag-Cu和Cu-Sn三類合金。其中,Ni-Cr基合金釬料的耐磨削、耐高溫性能好,本身強(qiáng)度高,釬焊后可以獲得很好的把持力,應(yīng)用最為廣泛。本實(shí)驗(yàn)用釬焊料也是Ni-Cr基合金釬料。

3.2 釬焊機(jī)理

Ni-Cr合金釬焊料,其活性元素在釬焊過程中與金剛石之間形成碳化物是金剛石和釬焊料之間形成高強(qiáng)度結(jié)合的根本原因。在一定的溫度下,熔融的釬焊料與金剛石表面開始接觸,由于金剛石表面存在很多晶體缺陷,如生長(zhǎng)臺(tái)階、位錯(cuò)露頭等,C首先向釬焊料中溶解,并與釬料中的Cr生產(chǎn)碳化物Cr3C2,而后Cr3C2以金剛石為晶界開始生長(zhǎng),液相Cr逐漸增多, Cr3C2繼續(xù)長(zhǎng)大,在原來金剛石與釬焊料的方向形成Cr7C3,最后在金剛石與釬焊料的界面形成了金剛石-Cr3C2-Cr7C3-釬焊料的梯度材質(zhì),實(shí)現(xiàn)了Ni-Cr合金與金剛石的冶金化學(xué)結(jié)合。

3.3 擇優(yōu)取向方案

(1)布料工藝

頂部金剛石擇優(yōu)取向采用超聲預(yù)磁化干預(yù)。具體布料工藝路線圖如下。

圖4 布料工藝路線圖Fig.4 process flowchart

(2)釬焊工藝

釬焊加熱溫度選擇應(yīng)高于釬焊合金熔點(diǎn)50℃～100℃,使釬焊合金充分浸潤(rùn)焊接金剛石顆粒。本實(shí)驗(yàn)使用釬焊料熔點(diǎn)為950℃,釬焊溫度為1005℃。

鉆頭在真空燒結(jié)爐中真空釬焊,真空度保持在10-3～10-2MPa;加熱分成4段,第1段:真空內(nèi)加熱至650℃,升溫時(shí)間3小時(shí),保溫60分鐘;第2段:繼續(xù)升溫至900℃,升溫時(shí)間1小時(shí),保溫50分鐘;第3段:繼續(xù)升溫至950℃,升溫時(shí)間40分鐘,保溫20分鐘;第4段:繼續(xù)升溫至1005℃,升溫時(shí)間20分鐘,保溫15分鐘;最后隨爐緩慢冷卻至室溫,出爐即可。

3.4 常用鉆頭鉆進(jìn)(干鉆)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鉆頭規(guī)格選擇市場(chǎng)上常用規(guī)格:Φ6mm小鉆頭和Φ32mm常規(guī)鉆頭,接頭形式為M14。鉆進(jìn)材料為莫氏硬度7～8級(jí)硬瓷磚,厚度為10mm;鉆切設(shè)備為角磨機(jī),功率為1.4k W,轉(zhuǎn)速10000r/min;鉆切手段為干鉆。

圖5 實(shí)驗(yàn)鉆頭外觀圖Fig.5 appearance of the experimental drill bits

3.4.1 Φ6mm小鉆頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鉆頭規(guī)格為Φ6mm,金剛石粒度選擇40/50;

圖6 Ф6mm擇優(yōu)取向鉆頭形貌圖(俯拍圖)Fig.6 Ф6mm preferred orientation drill bit topography(overhead shot)

在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),擇優(yōu)取向鉆頭金剛石岀刃點(diǎn)為基本為(111)面與(110)面結(jié)合晶棱,見圖6;普通鉆頭金剛石多數(shù)為晶面結(jié)構(gòu)出露,見圖7。

圖7 Ф6mm普通鉆頭形貌圖(俯拍圖)Fig.7 Ф6mm conventional drill bits topography(overhead shot)

圖8 擇優(yōu)取向與普通Ф6mm鉆頭鉆進(jìn)對(duì)比Fig.8 contrast of drilling performance of preferred orientation and conventionalФ6mm drill bit

對(duì)鉆進(jìn)孔數(shù)和鉆進(jìn)時(shí)間的影響如圖8所示。從圖8可以看出:擇優(yōu)取向鉆頭可以鉆32孔,平均速度3.6s;普通鉆頭可以鉆18孔,平均速度5.9s。擇優(yōu)取向小鉆頭壽命比普通鉆頭提高接近1倍,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn)。

3.4.2 Ф32mm常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鉆頭規(guī)格為Ф32mm,金剛石粒度選擇30/40;

圖9 Ф32mm擇優(yōu)取向鉆頭形貌圖(俯拍圖)Fig.9 Ф32mm preferred orientation drill bit topography(overhead shot)

圖10 Ф32mm普通鉆頭形貌圖(俯拍圖)Fig.10 Ф32mm conventional drill bits topography(overhead shot)

在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),擇優(yōu)取向鉆頭金剛石岀刃點(diǎn)基本為(111)面與(110)面結(jié)合晶棱,見圖9;普通鉆頭金剛石多數(shù)為晶面結(jié)構(gòu)出露,見圖10。

圖11 擇優(yōu)取向與普通Ф32mm鉆頭鉆進(jìn)對(duì)比Fig.11 contrast of drilling performance of preferred orientation and conventionalФ32mm drill bit

對(duì)鉆進(jìn)孔數(shù)和鉆進(jìn)時(shí)間的影響如圖11所示。從圖11可以看出:擇優(yōu)取向鉆頭可以鉆97孔,平均速度6.34s;均布鉆頭可以鉆70孔,平均速度6.12s;普通鉆頭可以鉆41孔,平均速度9.8s。擇優(yōu)取向小鉆頭壽命比普通鉆頭壽命提高1倍以上,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn);擇優(yōu)取向小鉆頭壽命比均布鉆頭提高30%以上,鉆進(jìn)平穩(wěn)性相當(dāng)。

4 結(jié)論

通過實(shí)際鉆進(jìn)驗(yàn)證可知:擇優(yōu)取向Ф6小鉆頭比普通鉆頭壽命提高接近1倍,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn);擇優(yōu)取向Ф32mm常規(guī)鉆頭比普通鉆頭壽命提高1倍以上,平均鉆速提高50%以上,并且鉆進(jìn)非常平穩(wěn);擇優(yōu)取向Ф32mm常規(guī)鉆頭比均布鉆頭壽命提高30%以上,鉆進(jìn)平穩(wěn)性相當(dāng)。

可以預(yù)見,隨著擇優(yōu)取向技術(shù)在釬焊金剛石薄壁鉆上不斷深化應(yīng)用,將會(huì)很好地解決新材料領(lǐng)域的難加工材料,如:碳纖維材料、玻璃纖維材料、陶瓷纖維材料、稀土磁性材料等的加工問題。在不久的將來,擇優(yōu)取向技術(shù)將是釬焊金剛石薄壁鉆產(chǎn)品的主導(dǎo)先進(jìn)技術(shù),它將帶動(dòng)釬焊單層金剛石工具產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,它將突破傳統(tǒng)釬焊單層金剛石工具的使用界限,在新材料領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 肖冰,徐鴻鈞,武志斌,徐西鵬.N-i Cr合金真空單層釬焊金剛石砂輪[J].焊接學(xué)報(bào),2001,22(2):23-26.

[2] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999-476.

[3] 呂華偉,馬濤,劉志杰,田蔚,田麗.金剛石、cBN有序排列及擇優(yōu)取向工具的研發(fā)及應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2007(2): 44-47. Lv Huawe i,Ma Tao,L iu Zh ijie,Tian W e i,Tia n L i.Research and applica tion of arrayed and optima l or iented diamond and cBN tools[J].Diamond&Abrasives Engineering,2007(2): 44-47.

[4] 徐良,劉一波,楊合丹.釬焊金剛石鉆頭制備及鉆進(jìn)性能研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2013(6):41-43. XU Liang,LIU Yi-bo,YANG He-dan.Preparation and drilling properties research of brazed diamond bits[J].Diamond &Abrasives Engineering,2013(6):41-43.

為退燒而生的超級(jí)散熱新材料——CVD金剛石

不知什么時(shí)候,越來越多電子產(chǎn)品開始以“發(fā)燒”標(biāo)榜自己。一開始,“發(fā)燒”是想凸顯產(chǎn)品的高性能,可到了后來,卻變成了消費(fèi)者調(diào)侃產(chǎn)品溫度過高的貶義詞。

電子產(chǎn)品的性能越高,熱管理就越困難,因?yàn)殡S著半導(dǎo)體元器件功率密度不斷提高,熱通量會(huì)越來越大,有些甚至高達(dá)數(shù)十k W/cm2,是太陽表面的5倍。

這樣大的發(fā)熱量如果不能及時(shí)從元器件中導(dǎo)出發(fā)散,會(huì)嚴(yán)重威脅電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性,有研究表明電子器件中過半數(shù)故障均為熱量相關(guān)問題所致。比如我們最常見的智能手機(jī),雖然已大量采用石墨導(dǎo)熱片和航空合金材料,但還是三天兩頭就看到某某機(jī)皇,因“世界最強(qiáng)手機(jī)處理器”導(dǎo)致過熱燒壞主板一類的新聞……這一切都告訴我們:隨著終端產(chǎn)品對(duì)輕薄化和高效化的要求提升,半導(dǎo)體方案的發(fā)展方向已不僅僅是提升性能而已,發(fā)熱量和散熱表現(xiàn)也成為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的因素。發(fā)熱量主要和芯片制造工藝和溫度控制算法有關(guān),而散熱表現(xiàn)則可以在材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上下功夫。

這里要給大家介紹采用化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石,作為全新高級(jí)熱管理解決方案,它尤其適用于射頻功率放大器。CVD金剛石散熱器經(jīng)證實(shí)能夠降低整體封裝熱阻,其性能遠(yuǎn)超目前其它常用材料。

(電子工程專輯)

Influence of Preferred Orientation on the Performance of Brazing Diamond Core Drill Bit

YANG He-dan,LIU Yi-bo,CHEN Zhe,LIU Sheng
(Beijing Gangyan Diamond products Co.,Ltd.,Beijing 102200,China)

Brazing diamond core drill bit is a type of high-performance superhard material drilling tool which adopts the vacuum brazing technology.In view of the inherent feature of drilling tools,preferred orientation has been adopted for abrasive on the top and combined crystal edges of(111)and(110)face has been taken as blade edge of the diamond. This type of drill has a sharp Cutting-edge,smooth chip evacuation and less friction heat and presents high drilling efficiency and long service life.The actual drilling test shows that service life of preferred orientationФ6 andФ32mm drill bits is almost doubled compared to conventional drill bit and the average drilling rate has been improved by over 50%with a very smooth drilling performance;service life of preferred orientationФ32mm has been increased by over 30%compared to uniform bit and the drilling stability of them is similar.

brazing diamond;core drill bit;preferred orientation;performance influence

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0007-05

2015-05-23

楊合丹(1983-),男,本科學(xué)歷,主要從事真空釬焊金剛石工具研發(fā)工作。E-mail:yanghedan@fonmail.com

楊合丹,劉一波,陳哲,等.擇優(yōu)取向?qū)︹F焊金剛石薄壁鉆性能的影響[J].超硬材料工程,2015,27(4):7-11.