釬焊法制造多層均布金剛石薄壁鉆及其性能研究①

周玉梅,劉燕,呂智

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510225;2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004)

釬焊法制造多層均布金剛石薄壁鉆及其性能研究①

周玉梅1,劉燕2,呂智2

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510225;2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004)

采用釬焊法制造多層均布金剛石薄壁鉆,觀察了金剛石的出刃高度以及胎體與金剛石的微觀形貌,并對多層均布鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗。結(jié)果表明:釬焊金剛石的出刃高度可達(dá)70%。在釬焊過程中,N i-Cr合金釬料中的活性元素Cr向金剛石表面富集,N i-Cr合金釬料中的N i、Cr原子和胎體中的Co原子相互擴(kuò)散使得胎體與金剛石結(jié)合牢固。釬焊多層均布鉆頭在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石的自銳,具備連續(xù)加工能力。

釬焊;多層均布;金剛石薄壁鉆頭;性能

Abstract:The multilayer array thin-walled diamond drill bit was fabricated by brazing in this paper.The protrusion of diamond grits and morphology of diamond and matrix were observed and the drilling experiment was carried out. The results showed that the protrusion of brazed diamond grits was more than 70%.The diamond and matrix have high bonding strength due to the m igration of Cr to diamond surface and the co-diffusion of N i,Cr and Co in the brazing.The multilayer array drill bit could achieve the selfsharpening of diamond grits to obtain continuous drilling ability.

Keywords:brazing;multilayer array;thin-walled diamond drill bit;performance

1 引言

近年來,釬焊法制造的金剛石工具由于金剛石出刃高,容屑空間大,金剛石和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高而成為國內(nèi)外超硬材料工具的熱門研究領(lǐng)域[1,2]。其中,工具上金剛石磨料的均勻分布/有序排布被認(rèn)為是改善工具性能和提高壽命的有效途徑,并引起了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。金剛石的均勻分布/有序排布能夠使金剛石在工具中得到充分有效的利用,既提高了工具的加工效率,又延長了工具壽命,同時降低了金剛石濃度,節(jié)約了成本。此外,由于有序排布金剛石能夠在工具表面形成理想的磨削形貌,可以保證合理的磨粒裸露高度和合理的磨粒間距,從而具有提高加工對象光潔度的效果[3,4]。但目前釬焊單層排布金剛石工具研究較多,比如我國臺灣的中國砂輪公司推出的單層均布金剛石高溫釬焊串珠,在不降低工具壽命的前提下,可使金剛石用量減少一半,切割速度增加兩倍[5]。美國和日本Noritake公司研制的單層均布釬焊金剛石磨輪用于精密磨削加工時,其工作表面粗糙度明顯改善,表面粗糙度小于0.2μm[6]。蘇黎世ETH開發(fā)研究的新型釬焊單層均布搪磨刀具的壽命為電鍍刀具的10～20倍,即使在進(jìn)刀量提高一倍的情況下,刀具壽命也明顯地高于電鍍刀具[7]。然而,釬焊多層均布金剛石工具卻未見報道。

本文采用釬焊法制備多層均布金剛石孕鑲薄壁鉆,并檢測金剛石的出刃高度、觀察金剛石與胎體微觀形貌以及對鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗檢測其使用性能。

2 試驗方法

本實(shí)驗采用的原材料主要有N i82CrBSi釬料合金薄片,厚度為 0.2mm,40/50目(平均粒徑為0.36mm)JR3金剛石,粒度為75μm 的Co粉。將金剛石和釬料片浸泡在丙酮溶液中進(jìn)行表面除油去污處理,烘干。首先在釬料片上均勻排布好金剛石,稱取Co粉冷壓成塊待用,然后將粘有金剛石的釬料片和Co片層層裝入石墨模具中,使單層金剛石在橫向平面有序排布,再通過疊層法在縱向呈錯落排布結(jié)構(gòu),圖1為金剛石在胎體中的排布示意圖。然后在熱壓燒結(jié)爐上完成釬焊,鉆齒試樣的尺寸為18×8.5×4mm。拆模取出鉆齒試樣,對其進(jìn)行表面處理后用銀焊片焊接在45鋼筒基體上,制成Φ63金剛石薄壁鉆。

圖1 金剛石在胎體中的排布示意圖Fig.1 A rrangement of diamond grits in matrix

設(shè)計如下開刃實(shí)驗,測量金剛石出刃高度從而檢驗胎體對金剛石的包鑲能力:

(1)制備釬焊單層金剛石鉆頭試樣,用剛玉砂輪對其進(jìn)行開刃實(shí)驗,用偏光顯微鏡每次均取10個點(diǎn)測其平均出刃值,直至金剛石的出刃值達(dá)穩(wěn)定值,從而確定金剛石的最大平均出刃值。

(2)制備釬焊多層均布金剛石鉆頭試樣,用紅磚在ZZH-200K實(shí)驗鉆機(jī)上進(jìn)行開刃,用D iaInspect.OSM 金剛石粒度檢測儀隨機(jī)測十個點(diǎn)取其平均值。

將制備的多層均布金剛石薄壁鉆在ZZH-200K實(shí)驗鉆機(jī)上對鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)混凝土實(shí)驗,觀察鉆頭在工作中能否實(shí)現(xiàn)金剛石的自銳,具備連續(xù)工作能力,從而進(jìn)一步檢驗胎體對金剛石的把持力。混凝土塊高度為300mm,每鉆進(jìn)兩個孔測量鉆齒的磨耗量及鉆進(jìn)時間,共鉆進(jìn)20個孔,鉆進(jìn)速度用ΔM/t計算。采用掃描電鏡觀察胎體與金剛石表面微觀形貌以及鉆頭磨削后金剛石表面微觀形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 金剛石出刃高度

3.1.1 釬焊單層鉆頭金剛石的最大出刃高度

釬焊單層鉆頭金剛石的出刃率如圖2所示,可以看出,鉆頭在前5次開刃時金剛石的出刃率逐漸升高,且在第6次開刃后,金剛石的出刃率基本穩(wěn)定,形成最大出刃值。金剛石的出刃高度可高達(dá)70%,說明釬料基體對金剛石有較強(qiáng)的把持力,即胎體對金剛石的包鑲能力很強(qiáng)。

圖2 釬焊單層鉆頭金剛石的出刃Fig.2 Protrusion of diamond grits of brazed monolayer drill bit

3.1.2 釬焊多層均布鉆頭金剛石的出刃高度

在已開刃的鉆頭的唇面上隨機(jī)取十個點(diǎn)測得金剛石的出刃值如表1所示?？梢钥闯?金剛石的出刃率達(dá)56.47%左右。由于在實(shí)驗過程中只開刃了一次,并沒有開刃到最大的限度,并且從圖3可以看出,在第一次開刃中,金剛石已經(jīng)具有足夠的出刃高度,而且也明顯參與了加工。這也說明胎體對金剛石具有良好的包鑲能力。

表1 釬焊多層均布鉆頭金剛石的出刃值Table 1 Protrusion value of diamond grits of brazed multilayer array drill bit

圖3 金剛石出刃高度測試圖Fig.3 M easurement of protrusion height of diamond grit

3.2 金剛石與胎體表面微觀形貌

圖4分別是釬焊單層金剛石6次開刃后,并鉆進(jìn)300mm混凝土后的鉆齒及單顆金剛石的表面微觀形貌?？梢钥闯?在鉆頭唇面上實(shí)現(xiàn)了金剛石的有序排布,在開刃過程中金剛石沒有脫落,形成了較高的出刃。釬料的毛細(xì)堆積作用使金剛石包鑲穩(wěn)定,具有較好的把持力和鉆削能力。

圖5是金剛石與N i-Cr合金釬料、胎體界面的SEM 照片及元素線掃描圖。可以看出,在界面處(212.5～225μm)可明顯看到有Cr富集,C呈過渡趨勢,這說明兩者之間在界面區(qū)域存在明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象。N i-Cr合金與Co胎體之間也存在明顯的相互擴(kuò)散現(xiàn)象。由N i-Co、Co-Cr相圖[8]可知N i、Co 之間可形成無限固溶體,Co、Cr之間可以形成有限固溶體,從而N i、Co、Cr三者之間形成冶金結(jié)合。這與張鳳林等在單層釬焊鉆頭研究中發(fā)現(xiàn)的金剛石與N i-Cr釬料之間反應(yīng)生成Cr的碳化物基本一致[9]。

圖4 金剛石與胎體表面微觀形貌(a)鉆齒表面(b)圖a中箭頭所指金剛石的放大形貌Fig.4 SEM images of surface morphologies of diamond and matrix(a)drill tooth(b)magnified morphology of diamond grit arrowed in(a)

3.3 鉆進(jìn)實(shí)驗

表2為多層均布金剛石薄壁鉆鉆進(jìn)實(shí)驗結(jié)果。可以看出,鉆頭在鉆進(jìn)20個孔之后,鉆齒的總磨耗量(鉆齒磨耗高度)為1.533mm,而金剛石的平均粒徑為0.36mm,從理論上講,有三層金剛石參與了工作。鉆頭的鉆進(jìn)時間與鉆進(jìn)速度和磨耗量的變化如圖6所示?？梢钥闯?鉆進(jìn)速度和磨耗量基本上呈周期性變化,每一個波峰代表一層新出露金剛石的最佳工作狀態(tài),此時,鉆頭的鉆進(jìn)速度最大,金剛石的鋒利度最高,相應(yīng)磨耗量也最大。隨著磨削時間的延長,金剛石越來越鈍,鋒利度下降,鉆進(jìn)速度就降低,相應(yīng)的磨耗量也小,當(dāng)磨耗量達(dá)到約為粒徑的1/2時,新一層金剛石出露,金剛石又恢復(fù)到原來的工作狀態(tài),如此循環(huán)下去,就實(shí)現(xiàn)了金剛石的連續(xù)工作。由圖可明顯看出的確有三層金剛石參與了工作?？蓴喽ū緦?shí)驗所制備的多層工具具有連續(xù)工作的能力,自銳性較好。

圖7為鉆進(jìn)20個孔之后金剛石顆粒的微觀形貌,可以看出金剛石表面有微破碎的痕跡,同時存在明顯的磨粒磨損的特征,在胎體與金剛石之間未發(fā)現(xiàn)任何裂紋和縫隙,說明了加工20個孔后金剛石與釬料之間結(jié)合牢固。而且鉆齒在整個工作過程中未出現(xiàn)分層現(xiàn)象,層與層之間的結(jié)合較好。

圖5 釬焊金剛石微觀形貌及界面元素線掃描圖Fig.5 SEM image of brazed diamond grit and elements distribution in the interface between diamond and matrix

表2 鉆進(jìn)實(shí)驗結(jié)果Table 2 Results of drilling exper iment

圖6 鉆進(jìn)速度和磨耗量與鉆進(jìn)時間的關(guān)系Fig.6 Relationship among drilling velocity,wear amount and drilling t ime

圖7 鉆進(jìn)實(shí)驗后鉆齒唇面金剛石微觀形貌Fig.7 SEM image of diamond grit on surface of drill tooth after drilling

4 結(jié)論

釬焊金剛石的出刃率可高達(dá)70%,胎體對金剛石的包鑲能力較好。在釬焊過程中,N i-Cr合金釬料中的活性元素Cr向金剛石表面富集,N i-Cr合金釬料中的N i、Cr原子和胎體中的Co原子相互擴(kuò)散使得胎體與金剛石結(jié)合牢固。釬焊多層均布金剛石薄壁鉆在鉆進(jìn)混凝土實(shí)驗中能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石的自銳,具備連續(xù)加工能力。鉆齒在整個加工過程中未出現(xiàn)分層現(xiàn)象,層與層之間的結(jié)合較好。

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Study on fabrication of brazed multilayer array thin-walled diamond drill bit and its performance

ZHOU Yu-mei1,L I U Yan2,LV Zhi2
(1.College of M echanical and E lectronic Eng ineering,Zhongkai U niversity of A g riculture and
Eng ineering,Guangzhou510225;2.Guilin R esearch Institute of Geology f orM ineral R esources,Guilin541004)

TQ 164

A

1673-1433(2010)01-0040-05

2009-12-20

周玉梅(1977-),女,仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師,主要研究方向為超硬材料工具制造及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備研究。E-mail:zym tky@163.com

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院博士啟動項目(G2360290)資助