金剛石與金屬怎麼焊接比較牢靠

金剛石因具有極高的硬度和良好的耐磨性，所以是碎巖等硬質材料的理想材料。由於金剛石與一般金屬及其合金之間具有很高的界面能,與金屬及其合金的浸潤性很差,高溫時容易石墨化,致使金剛石焊接性很差。金剛石與金屬連接的主要困難在於:一是焊接溫度受到金剛石石墨化轉變溫度的限制,難以實現真正意義上的化學冶金結合,焊接接頭強度很低;二是大多數低碳鋼基體材料或者胎體材料對金剛石難以浸潤或者不能浸潤,焊接後基體對金剛石的把握能力非常差,造成製品在使用過程中金剛石脫離,不能充分發揮金剛石的優良性能;三是金剛石的線膨脹係數低於大多數金屬材料或者合金,焊接時容易出現裂紋。

因此，傳統的金剛石工具的製造一般都是採用化學鍍或者低溫釺焊的方法,沒有實現金剛石與基體的冶金結合,焊接強度較低,使用性能差,對金剛石的利用程度也非常低。只有綜合解決好以上這三方面的焊接難點,才能真正發揮金剛石的高性能。目前,金剛石高溫焊接技術受到有關焊接技術人員的關注,焊接金剛石時不妨借鑑。

金剛石工具使用過程中,胎體材料的性能是影響金剛石工具使用性能的關鍵因素之一。國外研究發現,採用胎體材料的預合金化工藝,金剛石工具的使用效果較好。國內在這方面的工藝還只在燒結金剛石製品上少量採用,而焊接用的胎體合金採用預合金粉末工藝還鮮有報導。

由於金剛石在高溫下極容易石墨化,故在焊接時採用在低碳鋼基體上噴焊一層低熔點的胎體材料,其性能要求為:(1)能與金剛石金屬化表面合金形成低熔點的共晶體,以降低金剛石的焊接溫度,避免石墨化;(2)能與低碳鋼基體有良好的焊接性;(3)有較高的硬度,能有效地支撐金剛石;(4)與金剛石金屬化後的過渡層TiC層及低碳鋼基體的膨脹係數差異較小,以減少焊接應力,避免焊接裂紋。為達到上述四個方面的要求,胎體合金可以以鎳、鈷為主要成分,再加入適量的鈦、微量的稀土及少量的硼、矽等,稀土、硼、矽等在降低合金熔點的同時能提高合金流動性與浸潤性。

可以將預選合金進行金屬粉末的預合金化,即先按設計配方將其熔煉成合金,然後霧化成為所需粒度的胎體粉末。試驗證明,通過預合金化的方法可製備出組織均勻、熔點低、易燒結、對金剛石具有良好浸潤性與黏結性的預合金粉末。將其噴焊在鋼基體上,重熔時加熱到稍高於預合金粉末的液相線溫度,預合金粉末熔化後與金剛石實現冶金結合,不會出現機械混合粉末胎體焊接時經常出現的密度偏析、低熔點金屬先熔化富集和流失、易氧化或者易揮發的金屬在重熔的過程中難以控制等缺陷,有利於焊接工藝的穩定。

為減少金剛石的石墨化傾向,要求金剛石有儘可能好的熱穩定性。由研究可知,一般條件下隨金剛石磁性的減弱,其熱穩定性顯著提高。鑑於金剛石的磁性與其熱穩定性之間的密切關係，可用於焊接的金剛石最好採用測量其磁性的方法來優選。

為改善金屬及其合金對金剛石的浸潤性和焊接性以前研究大都停留在採用金剛石表面鍍覆工藝上,這種工藝只是在金剛石表面包裹一薄層金屬外衣,並未在金剛石上生成金屬碳化物過渡層。

為了更好的實現焊接,採用在金剛石表面金屬化工藝,首先需要把金剛石分別用稀鹽酸、丙酮清洗乾淨並於150℃下烘乾,然後在坩堝中與鈦粉混合,再以BaCl2+NaCl為主,加少量添加劑的氯基混合鹽將其覆蓋,把箱式電阻爐加熱至混合鹽熔點以上100℃~150℃,然後將坩堝放入爐中,保溫0.5~1h後隨爐冷卻,再取出坩堝放入煮沸的清水中,使鹽溶解就可得到滲覆了鈦的金剛石,而且這種金剛石表面金屬化工藝的方法使金剛石表面滲覆均勻、完整。經檢測證明,金剛石表面滲覆物主要為鈦。

再將經鹽浴滲覆後的金剛石置於真空爐中,在1.33×10-4P2a的真空度下加熱900℃(1h)後隨爐冷卻。由於鈦是強碳化物形成元素,在加熱過程中與金剛石表面的碳原子結合生成TiC的晶核並逐漸長大,直至在金剛石表面形成一薄層TiC過渡層。

採用熱絕緣劑能保護金剛石在高溫焊接時免受熱侵蝕,避免金剛石的高溫石墨化。相關研究表明,TiH2粉末的導熱率為0.5W/(m·K),且TiH2分解反應的焓變是125.4kJ/mol,利用其來吸收並帶走金剛石周圍的熱量,可以屏蔽胎體熔化時金剛石出現過熱而石墨化。有些有機聚合物高溫可分解成烷、烴類小分子氣體和游離碳,吸收熱量約為105kJ/kg。

如果按1kg合金中塗覆有機熱絕緣劑用量為10g計算,則在金屬液滴形成階段,絕緣劑的理論吸熱量可達1000kJ,而形成1kg過熱熔融金屬液滴(1000℃)需要提供熱量約3000kJ。因此,熱絕緣劑在防止金屬化金剛石升溫的同時,也可以降低胎體的過熱度,從而可以有效地防止金剛石的過熱導致的石墨化。此外,金屬氫化物TiH2分解殘留的鈦可以與有機聚合物高溫分解物中的殘餘碳形成TiC層起到對金剛石的金屬化作用。

因此,先將金屬化的金剛石清洗,再用TiH2粉末包裹金屬化金剛石表面薄薄一層,然後再塗覆有機聚合物,可做到塗層厚度合適、均勻性好,塗覆後應烘乾,除水分。由於塗覆的成本低,故可應用於工業生產,將胎體合金預合金化,然後噴焊在低碳鋼基體上,將噴焊層磨平、清洗後,用水玻璃將塗覆金剛石粘在噴焊層上,並烘乾,焊接時採用氧乙炔氣焊,採用偏於碳化焰的火焰進行焊接,使金剛石與胎體的焊接處處於還原性氣氛中,有利於防止金剛石石墨化。

焊接金剛石要注意焊後緩冷,避免出現焊接裂紋。金剛石與胎體的焊接質量好壞最重要的指標就是焊接件的耐磨性能。相同條件下,採用其他傳統的焊接工藝焊接後試樣的磨損量為330g左右,採用高溫焊接技術試樣的磨損量為40.5g。由此可見,高溫焊接技術這一新的焊接工藝保持了金剛石高的耐磨性，以上觀點僅供參考。