钎焊金刚石线锯的制备工艺可以优化到这种程度?

点击量:356 发布时间:2017-01-21 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
依据磨粒的工作方式,金刚石线锯可以分为游 离磨粒线锯和固结磨料线锯两种。与游离磨料金刚 石线锯相比,固结磨料线锯具有切缝窄、线速度高、 工件表面切割质量好、线锯工作寿命长等优点。
 
目前在实际加工领域应用的固结磨料线锯主要有树脂结合剂金刚石线锯和电镀金刚石线锯, 两者都是通过机械镶嵌的方式将金刚石磨粒固定在线锯基体上,因此磨粒与基体之间的结合强度低,切 割过程中金刚石磨粒很容易发生脱落,脱落的金刚石磨粒进入切割加工区域,对基体和工件表面产生 机械滚压和刻划作用,势必会降低线锯的使用寿命 和工件的切割表面质量。
 
钎焊金刚石固结磨料线锯 是近几年研制的一种新型固结磨料线锯,其基本原 理是利用钎焊技术,在钢丝基体表面高温焊接单层 金刚石颗粒,以实现金刚石磨粒与钎料层之间牢固 的化学键合。与树脂结合剂固结磨料线锯和电镀金刚石固结磨料线锯相比,钎焊金刚石线锯具有 以下优势:金刚石磨粒与线锯钎料层的结合强度高, 金刚石露出充分,容屑空间大,切割过程中线锯不易 堵塞,切割效率髙,线锯寿命长;线锯使用切割过程 中的切割力小,功率低,切割温度低,工件切割表面 质量髙。
 
目前,虽然学者们尝试利用不同钎焊加热方法和合金粉体钎料制备金刚石线锯,实现 了金刚石磨粒与钢丝基体之间的牢固连接,但是没有从根本上解决高温加热过程中钢丝基体的热损伤问题,也没有揭示钎焊加热过程中各参数对线锯力 学性能和显微组织的影响机制,制备的线锯要实现 实际加工应用还有很长的一段探索过程。
 
为解决此问题,作者利用两种不同的钎焊工艺方案,制备了钎焊金刚石固结磨料线锯,检测了线锯 的力学性能,观察线锯的宏观形貌和显微组织,并在 线锯切割机上进行实际运转疲劳试验,比较了不同 钎焊加热方式和不同钎料制备金刚石线锯性能的优 劣,力图揭示钎焊各参数对线锯力学性能的影响,为 实现钎焊金刚石固结磨料线锯的实际切割应用奠定基础。
 
  1 试样制备与试验方法
 
1.1试样制备
所用钎料为高熔点的镍基合金粉体钎料和低熔 点的银-铜-钛合金粉体钎料;线锯基体选用65Mn 弹簧钢丝,直径0. 2mm;金刚石磨粒选用PDA989 金刚石,平均粒径45um。分别在QHL850型真空钎焊炉中及SK-G06143-3型管式加热炉中加热进行钎焊,两种钎焊工艺路线如下所示。
 
工艺一:
 
采用加热时间长的QHL850型真空钎焊炉进行电阻加热钎焊,配以高熔点的镍基合金粉为钎料,其主要化学成分(质量分数,下同)为72% Ni,10%Cr,余(B、Si)。先去除钢丝基体表面的油污,烘干后在钢丝基体上涂覆钎料,种金刚石磨粒, 烘干;然后将钢丝置于真空炉腔体内,机械泵抽真空 至100-2 Pa;开始加热,离子泵抽真空;温度达到预定值1020 °C后保温15 min;停止加热,随炉冷却, 制备得到的线锯记为线锯1。
 
工艺二:
 
采用加热时间短的SK-G06143-3型管式炉进行加热钎焊,配以低熔点的银-铜-钛合金粉 为钎料,其主要化学成分为68.8%Ag,26.2%Cu,
5%Ti。先去除钢丝基体表面的油污,烘干后在钢丝 基体上涂覆钎料,种金刚石磨粒,烘干;管式炉开始 加热,达到预定值850 °C后通人氩气15 min;钢丝入炉,通过控制钢丝走速来控制钢丝钎焊加热时间; 钢丝出炉,并将该线锯记为线锯2。此工艺方法的 优点在于钢丝无须随炉一起加热,而是等炉温达到 预定值后,钢丝再人炉,实现了类似于高频感应快速 钎焊之目的。
 
 
1.2试验方法
线锯的拉伸性能测试在岛津EZ-LX型台式试 验机上,按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸 试验方法》进行,线锯试样标准间距为100 mm,每 组10根,取其平均值;线锯的抗弯性能在自制的设 备上进行,每组10根,以每根钢丝或线锯断裂前的 90°弯折次数来表示其抗弯性能,取10根的平均值; 线锯的疲劳性能测试在STX-202型金刚石线锯切 割机上进行,分别截取20m的钢丝、线锯1和线锯2,无载荷运转,以钢丝或线锯断裂前的实际运转时 间为其疲劳寿命,取10次的平均值:在VHX-1000 型基恩士三维形貌光学显微镜上观察线锯的表面形 貌;在OLYMPUS GX51型倒置式数码光学显微镜 上观察线锯的显微组织。
  2 试验结果与讨论
 
2.1表面形貌和结合面形貌
线锯1的直径为0. 30 mm,极差为0. 017 mm; 线锯2的直径为0. 30 mm,极差为0. 015 mm。由 图1可见,线锯1的钎料层铺展均匀,钎料融化充 分,金刚石磨粒周围的钎料有明显的爬升现象,磨粒 出露高度高。由图2可见,线锯2的钎料融化充分, 但钎料层在钢丝基体表面的铺展流动性和均勻性较 差,经常会出现断续的钎料层;单颗金刚石磨粒和钎料浸润良好,磨粒周围的钎料爬升显著,磨粒出露高 度高。
 
 
 
从图3中可以看出,线锯1中的钎料和基体间 出现了白色丝状组织,而且丝状组织已经渗人至基生共价键,结合强度比线锯1的强度差。
 
 
2.2力学性能
由拉伸试验可知,两种线锯的抗拉强度相对于钢 丝基体而言均有很大幅度的降低,线锯1下降的最为 严重,最大断裂载荷仅为为41N,换算成抗拉强度为 591 MPa;线锯2的最大断裂载荷为80N,换算成抗 拉强度为1132MPa。根据文献可知,固结磨料线锯在切割加工过程中张紧机构提供的拉力一般小 于30N,对于循环往复式切割方式来说,切割过程中还存在加减速环节,长20m、线速度为1 m • s-1、加减速时间为0.5s的线锯在切割过程中承受的拉力约 为35N。因此,采用两种钎焊工艺制备的钎焊金刚 石线锯理论上都能用于一般的切割加工。
 
钢丝的伸长率为4.01%,线锯1的伸长率为 6.4%,而线锯2的则为3. 27%。根据文献可 知,线锯的伸长率不能太大,否则在实际切割过程 中,线锯将在拉力的作用下被拉长,导致线锯表层出体内部,提高了基体与钎料层的结合强度;线锯2中 的钎料和基体之间的结合部界限清晰,没有相互渗 透现象,说明铜基合金钎料与基体之间的结合力较 弱,钎料层和基体之间主要是以分子力结合,没有产现裂纹甚至被拉断,一般商业用电镀金刚石线锯的 伸长率为2%。因此,就伸长率而言,线锯2比线锯1更加适合实际切割加工。
 
由弯曲试验可知,钢丝基体的抗弯性能最佳,其 弯折次数可达110次,线锯2次之,为41次,线锯1 的仅为18次。抗弯性能在很大程度上影响着线锯 的使用寿命,如果抗弯性能过差,线锯工作一段时间 后,就会由于弯曲疲劳破坏而断裂,从而失去切割功能。
2.3显微组织
钎焊加热前,钢丝为冷拉状,组织为长条形铁素 体+珠光体,如图4(a)所示;经1 020 °C以上的缓慢 升温和降温后,线锯1的基体组织发生显著变化,为 高温退火组织,晶粒明显长大,如图4 (b)所示;经 850 °C左右的较快升温和降温后,线锯2的基体组 织为索氏体+块状铁素体,晶粒有所长大,如图4 (C)所示。
 
 
2.4疲劳性能
钢丝在连续运转了48h后仍然没有发生疲劳 断裂;线锯1在张紧弹簧未充分张紧的情况下就发 生了断裂,或者在主轴启动和停止时即发生了断裂, 故其疲劳寿命为0;线锯2实际运转时间最长的为15h,最短的为8 h,其平均疲劳寿命为12h。因此, 就疲劳寿命指标而言,管式炉中钎焊制备工艺比较 合适制备小直径的线锯。
  3 结论
(1)两种钎焊工艺制备的线锯钎料层充分融化,钎料与金刚石浸润良好;线锯1钎料层与基体之间的结合更好,钎料层在钢丝基体表面铺展的连续 性和均匀性较好;线锯1基体组织为高温退火组织, 线锯2基体组织为回火索氏体组织。
 
(2)线锯2的抗拉强度约为线锯1的2倍,伸长率为线锯1的1/2,抗弯性能为线锯1的2倍,线 锯2的疲劳寿命为12 h,而线锯1的为0。
 
(3)以银铜钛合金粉为钎料,在管式炉中氩气 保护气氛下制备的钎焊金刚石线锯性能较好,能满 足线锯的基本性能要求,有望应用于实际切割加工。
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