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碳化硅:一种新的金刚石工具工业用镀覆系统原著斯里得哈 康佩纳,迈克尔齐默曼,GE公司超硬磨料部,应用开发组姜荣超编译提要:本文时一种新的碳化硅镀覆金刚石 的特性及其应用进行了讨论研制的镀覆技术对化学侵蚀提供了良好的保护,同时不影响与降低金刚石在工具上的把持性能这使得工具制造商在使用不太贵的,而化学上侵蚀性较大胎体材料时能有效的节省费用同时还发现,碳化硅镀覆的金刚石能很好地适用于高温下金刚石工具的制造,实验数据表明,用碳化硅镀覆的金刚石工具能改善不 同使用条件下的工具性能 与寿命最后,该研究还确定了这种新的镀覆技术给工具制造商提供最大效益的应用范围一、目 U青人造金刚石是使用圆锯片、薄壁钻、孕镶勘探地质钻头、排锯及绳锯切割石材、混凝土和沥青的通用磨料最常用于表征工具性能的参数是切割锋利度、所需功率和工具寿命采用完整金刚石,破碎金刚石和脱落金刚石的数量百分比进行磨损模式的分析〔1 ],通过这些数据分析以确定合理的胎体,金刚石特性(粒度、级别与浓度),进而确定改进工具性能的途径最近十年来推出的镀覆金刚石设想有助于提高金刚石的把持力,延长工具寿命现在的结果表明,碳化钦与碳化铬镀覆有利于提高工具寿命[ z l o像钻一类的典型金属胎体粉末越来越明显地成本过高,不得不寻求替代的胎体材料。

铁被认为是成本低的胎体替代材料但铁对金刚石强度的负作用,使金刚石工具制造商不敢更多地广泛采用而现有的钦基和铬基镀覆材料不足以保护高铁胎体中的金刚石为适应这一要求,研制开发了一种新的碳化硅镀覆技术其目的是提供一种常规的有益于提高金刚石把持力,同时又可用于在高温下加工时对金刚石仍具有 良·44·《石材》2 00 5年,期好浸蚀性的金属胎体本文将讨论碳化硅的镀覆特性与应用及其良好性能的实验实例最后,将重点论述高铁胎体中使用碳化硅镀覆金刚石可能获得的成本优势二、碳化硅镀覆的特性碳化硅镀覆可在相对较低温度下应用因此,任何涉及处理金刚石引起的性能降低将减少到最低程度进而,不管金刚石的热稳定性如何,镀覆工艺 皆可应用宽广的使用性能使镀覆可用于所有级别的金刚石,从低强的脆性金刚石到六八面体,韧性金刚石(对韧性指数 T l值影响较小的优质单晶)用热重分析法测定了碳化硅镀覆金刚石的氧化温度,该值为980℃,做为比较,镀钦金刚石的氧化温度为 7 80℃这种镀层破坏温度的不 同,提供了极大的不损坏镀层性能的工具在加工时具有了适应性与灵活性这也可排除烧结时需要气氛控制的问题,对工具制 造商来说,有可能节约成本通 常金刚石在常规条件下是碳的亚稳态1 3 1,而在高温下,或当有铁类触媒元素时,或在富铁坏境下金刚石易氧化,或转变为更为稳定的石墨 态[ 4 l。

因此,STON E枷12 0 05在高温下通常在人造金刚石内部形成金属夹杂,其膨胀将引起金刚石强度下降叽对比原始未镀覆金刚石 晶体,对采用碳化硅镀覆提供的保护作用进行了探讨分别用S IC镀覆的和未镀覆的金 刚石加工刀头,采用1 00%铁粉胎体,在9 00℃,5分钟保温条件下进行烧结图1中扫描电镀显微照片显示未镀覆与镀覆碳化硅金刚石的对比图1( a )显示在铁与温度综合作用下未镀覆金刚石有明显的损坏但是S I C镀覆的金刚石质量并未下降见图1( b ),晶体表面平整光滑,晶体棱角清晰,尖锐锋利可观察到S ic镀层对晶体提S I C镀覆的金刚石基本上未受到损害S IC镀覆有助于内部金刚石阻挡铁 的有害作用将未镀覆的金刚石和S IC镀覆的金刚石在无触媒元素情况下,对高的烧结温度的作用进行了对比实验发现在高达11 00℃温度下S ic镀覆对金刚石晶体提供了显著的保护作用然后采用x射 线能谱仪(ele et r ondispe rsiv ex一r a vspeetr os e叩y)对SIC镀层进行了实验观察,在其他通用胎体组分中采用铁、铜、钻、铬和锰进行热压烧结,S I C镀层对其有良好的润湿性。

图3中表明x射线图显示出S IC镀覆的金刚石为铁、钻、镍和铜所润湿 a ) 未镀覆的金刚石向镀覆si C的金刚石图1100%铁胎体,900℃烧结,保温5分钟金刚石破坏表面 图象供了明显 的保护作用图1( a ) 未镀覆的金刚石表面受到损坏,图l间SI C镀覆的金刚石未受到温度和胎体的作用与影响将胎体溶解,使一些金刚石复原,再将Si c镀覆金刚石的镀层 剥离图2为光学显微镜图象图2( a )中回收复原的未镀覆的金刚石显示金刚石受到明显浸蚀及表面石墨化的范围另一方面图2(b )中图3X射线图证明胎体元素润湿S I C镀覆金刚石晶体( a )未镀金刚石间镀覆SI C金刚石 图2从90 0℃烧结,保温5分,10 0%铁胎体中回收的金 刚石《石材》25年1期在常规金属胎体烧结温度下铁、钻、铜和镍与s i c镀层作用 良好,si C镀覆的金刚石 晶体轮廓清晰,胎体清晰可见三、实验完成两组材料(混凝土和石英) 的切割实验,用以评价碳化硅镀覆的金刚石在富铁胎体中的有效性,最主要测定的因素之一是碳化硅镀覆的金刚石在富铁胎体中的性能四、混凝土切割在专用铁基胎体中加上碳化硅镀覆的金刚石加工成锯片,与常规金刚石加土的锯片在钢筋混凝土中进STON EN g,2 0 05·4 5·行锯切对比。

实验的目的是确定碳化硅镀覆在这种富铁胎体中的锋利度与磨损特性刀头破坏表面分析表明,镀覆层与胎体两者的适应性和相容性很好(见图3 ),通常,这种镀层与胎体的相互作用是单晶把持力提高与完善的标识,回收S IC镀覆的金刚石仅略有或没有明显 的损害与弱化采用齿高约0 .2”的刀头,4 6齿的直径为26 ’’的锯片,一开始,s iC镀覆金 刚石的级别保持与通用常规锯片一致实验采用9 0马力Vo r te c发动机的专用后移式切割机切割深度为9 ’’锯切操作者报告,S ic镀覆金刚石锯片的锋利度比常规锯片略好一些,但在总切割进尺上,S记镀覆金刚石锯片的寿命比常规锯片提高1 4%实验中使用锯片磨损模式的对比见图4锯片上完整金刚石的比例较高,而大多数完整金刚石有磨平抛光的标识,这种抛光作用可能是S I C镀覆的金刚石锯片金刚石脱落比例较高的原因抛光效应可归因于金刚石级别比使用所要求的过高所致因此,在第二轮实验 中,锯 片调整金刚石级别后仍使用相同的胎体锯切操作者报告,s ic镀覆金刚石的锯片比常规锯片锋利度明显提高因此,金刚石单晶级别上的改变导至s i亡镀覆金刚石的锯片寿命提高 2 4%,两次实验锯片寿命对比见图5。

S IC镀覆金刚石的锯片 中较多数的完整金刚石有常规锯片MB SSI C镀覆金刚石的锯 片图5混凝土锯切进尺比较常规锯片乳C镀覆金刚石的锯片图4钢筋混凝土中使用的锯片分析(实验I )大部晶体抛光这种抛光效应也导致S IC镀覆金刚石脱落百分比较高富铁胎体S I C镀覆金刚石锯片比常规锯片锯切进尺始终要高,第二轮实验中,调整s iC镀覆金刚石级别后,锋利度比常规锯片更好第二次实验锯片锋利度的改进与提高是调整金刚石级别所致s i c镀覆可防止铁的浸蚀起到保护作用,为强化富铁胎体锯片寿命是可靠的进而,除降低胎体成本外,使用该镀层有可能采用较低级别的金 刚石五、石英岩取芯钻进石英岩难于钻进,但磨蚀性不大因此,取芯钻头中的金刚石不象通常那样很快碎裂这通常能导致工具上的金刚石抛光磨平,并导致随着时间增加,需要更高的功率当钻头的锋利度降低,功率将升高,一直达到发动机的额定值不正常的取芯钻进可能导致种种不规范的岩石表面,将减少与降低取芯量通常操作工将钻头提上,使功率下降,然后再向下钻进,这样操作将使取芯钻进的接头磨损工具制造商的任务是加工的钻具必须耐磨,并能提高钻进效率进行了两组岩芯钻进实验,其目的是提高钻头的锋利度,同时又能降低工具成本。

一种 实验用取芯钻头,由直径为11”,镶有1 6个1’‘长,0.125”厚的刀头,用s iC镀覆的金刚石和富铁胎体加工而成,用它和未《石材》2s年,期$TON〔枷,2 0 05镀覆的金刚石常规钻头进行对比为便于以后分析,采用带模/数转换器的计算机记录钻进功率比能(钻进单位体积岩芯消耗的功率) 的对比见图6实验表明,常规(未镀覆金刚石)钻头要求操作者不断采取措施缓和功率上升(比能测量时产生周期性的波动)钻进功率上升,直至操作者采取措施短暂地提升钻具而S I C镀覆的金刚石取芯钻头在对比11”钻头时,不需要纠正措施功率测定在整个钻进中相对比较稳定图6中数据表明,SI C镀覆的金刚石钻头比能仅为未镀覆的金刚石常规头所需功率的一半这直接说明,S IC镀覆金刚石的富铁胎体钻头其钻进效率提高一倍间的变量提供的结果资料进行回归分析表1评价金刚石完整性的实验金属胎体粘结剂变变量量设定值值胎胎体成份份10 0%F e e e7 7 7 7 70%Fe一30%Co o o3 3 3 3 30%Fe一70%Co o o1 1 1 1 100%Co o o烧烧结温度度700℃℃9 9 9 9 900℃℃1 1 1 1 110 0℃℃金金刚石种类类未镀金刚石石 镀镀镀钦金刚石石 镀镀镀铬金刚石石 镀镀镀碳化硅金刚石石. 11.、.J. llJJ.!!⋯.司 ‘,一一”一一未镀覆金刚石 \、对未镀覆金刚石、T i镀覆金刚石、碳化硅S I C镀覆金刚石烧结后金刚石单晶状况的分析评价可在胎体—温度范围内选用见图7。

随着烧结温度的升高和含铁比例的增加,未镀覆金刚石最有可能受到损害在 中、高温下和适中的含铁量时,T i镀覆金刚石是适用的特别是在高温和高比例含铁胎体中以及两者组合下,S IC镀覆金刚布提供的保护作用明显优于T i镀覆金刚石万 2 万12岂撅燕称耀五s i C镀覆金刚石加黝锄珊秒公相的锄图6石英岩取芯钻进六、与其它镀覆金刚石的对比分析商业上可提供其它几种镀覆的金刚石产品,其中包括钦基与铬基镀覆金刚石产品加工了由铁基胎体、钻基胎体及两者组合的胎体构成的实验金属胎体粘结剂(表 1 ),用以研究每种镀层提供的保护作用绘制了未镀覆的金刚石和对比用镀覆的金刚石保护指数图 (表l )根据胎体—温度范围和金刚石完整性的排列次序对其保护特性进行了可视评价胎体变化由1 00%钻递降到1 00%铁,还包括两个中间铁—钻组合胎体工具基体在70 0℃、90 0℃和11 00℃三种温度下进行烧结根据保护指数和胎体—温度之《石材》2 00 5年,期胎体中的铁钻图7镀覆金刚石胎体一烧结温度的关系与制造范围的选用 钦镀覆金刚石获得广泛接受与应用,主要是由于改善了金刚石的把持力但是,si c镀覆金刚石在更为广泛的胎体材料中和加工范围内可提供同样的把持力优势。

还有,在胎体中平衡材料是钻七、成本节约’STONE枷,2 0 0 5s i C镀覆对金刚石单晶明显的保护作用为胎体研发开辟了一种新的途径,使得工具制造商有可能显著节约成本为探讨这方面的问题,设计研制了一种成本模型,它涉及并考虑到金刚石单晶重量,胎体的组成及各自成本在假设刀头完全致密化的情况下,该模型依据金属—胎体刀头的用量和胎体密度而建立的通常金属胎体工具制造商选用的金属粉末组分为1 00%钻粉,特别是在石材和建筑工程市场更是如此但是,钻和淡基铁粉粉末金属价格之间大约相差5倍经研究表明,用铁代替 7 0%钻生产出相应硬度的刀头是可行的进而,以铁代钻再加上使用常规微米级钻粉,在环保上有好处,可使工具制造商降低成本图8是根据现行使用的钻粉量而编制的工具制造商可实现的予计成本节约图X轴表示工具制造商常用的钻粉量(以kg计),Y轴表示可用铁代替钻粉的比例例如,工具制 造 商以价格为5 0美元瓜g购 进6 00 0 0 kg钻粉,每年可用铁取代 4 0%的钻,则可望直接材料成本节约1 00万美元例如:工具制度商现每年购进60000kg钻粉( 价格为5 0美元瓜g ),由于采用s ic镀覆金刚石,导致用铁取代4 0%的钻,则直接材料成本每年节约近10 0万美元。