Điểm kiến thức của các công cụ kim cương hàn (Phần 1)

 

Từ khóa: kim cương, dụng cụ kim cương, vật liệu hàn, công nghệ hàn, ứng dụng công nghệ hàn trong các công cụ kim cương

 

 

 

Kim cương là một vật liệu chức năng kết hợp nhiều tính chất tuyệt vời. Nó là vật liệu tự nhiên khó nhất được phát hiện cho đến nay, và các tính chất quang học, nhiệt và cơ học độc đáo của nó giúp tăng cường tình trạng của nó như là một vật liệu chức năng. Kim cương được chia thành hai loại chính: kim cương tự nhiên và kim cương tổng hợp. Kim cương tổng hợp được chia thành kim cương tinh thể đơn và đa tinh thể đơn. Tất cả ba loại kim cương có thể được sử dụng để làm các công cụ kim cương.

 

Trong những năm gần đây, sản xuất kim cương tổng hợp toàn cầu đã đạt 15 tỷ carat, với Trung Quốc luôn xếp hạng đầu tiên trong sản xuất kim cương tổng hợp. Trung Quốc, một người đi đường vào thị trường, đã trải nghiệm sự phát triển nhanh chóng trong ngành công cụ kim cương trong hai thập kỷ qua, không chỉ đạt được sản xuất cao nhất thế giới mà còn phát triển một loạt các công cụ mới.

Các công cụ kim cương có một loạt các ứng dụng, chủ yếu trong xử lý đá, sửa đổi gốm, khoan địa chất, khoan dầu và khai thác. Họ cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc xây dựng, vật liệu xây dựng, gia công, chế biến kính và kính quang học, và các ngành công nghiệp điện tử và điện. Sản xuất hiện đại đang ngày càng đòi hỏi các công cụ kim cương, và sản xuất thiết bị cao cấp ngày càng phụ thuộc vào sự phát triển của các công cụ cắt kim cương. Tốc độ cao, tốc độ cực cao, độ chính xác cao và cắt và mài cực kỳ chính xác, đặc biệt là để xử lý các vật liệu cứng, giòn và cực kỳ khó khăn, hiện không thể tách rời khỏi các công cụ kim cương. Các công cụ kim cương có thể được phân loại theo ứng dụng, bao gồm các công cụ cưa, dụng cụ mài và đánh bóng, dụng cụ cắt, dụng cụ khoan và các công cụ vẽ dây.

 

 

Các công cụ cưa kim cương được phân loại theo hình dạng, bao gồm lưỡi cưa tròn kim cương, cưa băng kim cương, cưa dây kim cương, cưa dây kim cương và cưa kim cương. Lưỡi cưa tròn kim cương hiện là công cụ cưa phổ biến nhất trong ngành công nghiệp đá và xây dựng, được sử dụng rộng rãi để cắt các sản phẩm như đá granit, đá cẩm thạch, gốm sứ và bê tông. Trong bối cảnh sản xuất màu xanh lá cây, các lưỡi cưa tròn kim cương đang phát triển theo hướng kết hợp đa loại, với cưa kết hợp và cưa băng đảng là những ví dụ điển hình. Gang cưa có hàng chục lưỡi cưa kim cương được gắn bên cạnh trên khung cưa, đạt được hiệu quả cắt cao hơn nhiều lần so với cưa mài mòn thông thường. Các vết cắt kết quả tạo ra các mặt cắt mịn, thậm chí, giảm đáng kể khối lượng công việc mài và đánh bóng. Mang dây kim cương thường được sử dụng để khai thác đá granit và đá cẩm thạch, cắt bê tông cốt thép hoặc cắt các cấu trúc kim loại, và đang dần chuyển sang xử lý đá và tấm có hình dạng đặc biệt. Mang dây kim cương có khả năng cắt chính xác, hẹp kép của các vật liệu cứng và giòn, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong việc cắt tế bào bán dẫn và quang điện quang. Họ cũng thể hiện những lợi thế độc đáo trong chế biến gốm, thạch anh, gỗ và các vật liệu khác.

 

Các công cụ mài và đánh bóng kim cương là một thuật ngữ chung cho chất mài mòn hình dạng hình học liên kết với kim cương bằng cách sử dụng chất kết dính. Khai thác kim cương cung cấp hoàn thiện mài cao, hiệu quả cao, chi phí chế biến thấp và tuổi thọ sản phẩm dài. Các dụng cụ mài kim cương phổ biến bao gồm đĩa mài, khối mài, đầu mài, cốc mài, trống, con lăn, bánh xe bình phương, bánh xe phay, bánh xe tiếp tuyến, bánh xe mài, gậy mài, và khối mài.

 

Các công cụ kim cương được đặc trưng bởi độ cứng cực kỳ cao và khả năng chống mài mòn, mô đun đàn hồi cao, hệ số ma sát thấp, hệ số giãn nở nhiệt thấp, truyền nhiệt tuyệt vời và độ bám dính thấp vào kim loại màu không chất. Các công cụ kim cương có thể được sử dụng để gia công các vật liệu phi kim loại cứng và giòn (như gốm sứ, than chì và vật liệu composite), cũng như gia công chính xác của các vật liệu màu không cứng (như hợp kim đồng và hợp kim nhôm). Các công cụ kim cương có nhiều loại khác nhau, mỗi loại có hiệu suất, cấu trúc, phương pháp chuẩn bị và các khu vực ứng dụng khác nhau đáng kể. Các công cụ kim cương phổ biến bao gồm các công cụ quay kim cương, máy cắt phay kim cương, dụng cụ nhàm chán kim cương, cá ông kim cương, bit khoan kim cương và dụng cụ tạo kim cương.

 

Các bit khoan kim cương là các công cụ khoan tiên tiến, cung cấp hiệu quả khoan cao, chất lượng lỗ cao, cường độ lao động tối thiểu và chi phí khoan thấp. Các bit kim cương được phân loại chủ yếu theo ứng dụng, bao gồm các bit khoan dầu, bit khoan than, bit khoan khám phá địa chất, bit khoan khám phá kỹ thuật, bit khoan kỹ thuật mỏng, bit khoan thủy tinh và bit khoan vật liệu composite.

 

 

 

Do những hạn chế trong công nghệ sản xuất kim cương, các hạt kim cương riêng lẻ tương đối nhỏ, thường được cung cấp dưới dạng các hạt mịn hoặc thậm chí là bột. Điều này đưa ra những thách thức trong ứng dụng kim cương. Vì Diamond chỉ có thể nhận ra đầy đủ các thuộc tính tuyệt vời của nó khi được gắn vào vật liệu ma trận, liên kết với ma trận là rất quan trọng cho ứng dụng của nó.

 

Kim cương vốn không tương thích với hầu hết các kim loại. Về mặt vật lý, tính chất kim cương không tương thích với các vật liệu khác, và về mặt hóa học, về mặt luyện kim, chúng không tương thích, hạn chế liên kết kim cương.

 

Trong những ngày đầu của ứng dụng công nghiệp kim cương, thiết lập cơ học là phương pháp chính, như đã thấy trong các công cụ như bút kim cương và máy cắt thủy tinh. Những công cụ này đòi hỏi các hạt kim cương lớn.

 

Đối với các hạt kim cương nhỏ hơn, cài đặt cơ học là gần như không thể, dẫn đến sự phát triển của các phương pháp cài đặt cố định được mạ điện. Quá trình chung cho các công cụ kim cương mạ điện như sau: gia công cơ thể công cụ, kiểm tra kích thước, xử lý cơ học, tẩy nhờn, ngâm, xử lý cách nhiệt, loại bỏ rỉ sét, rửa nước nóng và lạnh, khắc anodic, rửa nước nóng và lạnh, ứng dụng kim cương, làm dày lớp đệm.

 

Kim cương mạ điện có độ bền giữ thấp và phơi nhiễm kim cương thấp, ảnh hưởng đến lực cắt và độ sắc nét. Các công cụ kim cương hàn được giải quyết những thiếu sót này. Các công cụ kim cương hàn được phân loại là bề mặt và tẩm. Các công cụ tập hợp bề mặt liên quan đến kim cương hàn trực tiếp lên bề mặt chất nền, trong khi các công cụ được tẩm liên quan đến việc thiêu kết kim cương với các vật liệu khác để tạo thành một hỗn hợp. Quá trình thiêu kết của hỗn hợp kim cương về cơ bản là một quá trình hàn khuếch tán giữa kim cương và chất nền. Bằng cách nhấn nóng kim cương và cacbua thành một compact (PDC), liên kết kim cương được chuyển thành một liên kết cacbua.

 

 

Quá trình thiêu kết của ma trận kim cương (thường được gọi là lưỡi dao) cũng là một quá trình hàn khuếch tán. Công cụ kim cương hàn có thể được phân loại thành ba loại chính: hàn công cụ kim cương một lớp, hàn kim cương và hàn tấm tổng hợp PDC.

 

Việc thiêu kết ép nóng hoặc lạnh của lưỡi kim cương là một quá trình hàn khuếch tán điển hình. Trong những ngày đầu của sản xuất lưỡi kim cương, bột kim loại nhiệt độ thấp thường được làm tan chảy được hàn bằng bột kim loại nhiệt độ cao để bảo vệ thêm kim cương. Với những tiến bộ công nghệ, các loại bột hợp kim hoạt động có chứa các yếu tố hình thành cacbua (như crom, titan, vanadi và molypden) đã xuất hiện. Hà lan hoặc hàn bằng cách đạt được bằng cách phản ứng với bột hợp kim hoạt động với kim cương để tạo thành cacbua. Sự hình thành cacbua chậm, xuất phát từ sự khuếch tán lẫn nhau và di chuyển các yếu tố hoạt động trong bột được hợp kim trước và carbon trong kim cương. Quá trình này đòi hỏi một thời gian dài ở một nhiệt độ nhất định để khuếch tán nguyên tử và phản ứng xảy ra, khiến cho việc thiêu kết ép nóng dễ dàng đạt được quá trình khuếch tán này.

 

Các công cụ kim cương một lớp hàn thường sử dụng kim loại phụ hàn dựa trên niken hoặc niken. Quá trình này, thông qua sự hiện diện của các yếu tố hoặc hợp kim tạo cacbua mạnh, tạo ra một liên kết luyện kim hóa học giữa vật liệu ma trận và kim cương, tăng cường độ bám của lớp hàn trên kim cương. Các công cụ hàn một lớp có tỷ lệ cao các viên kim cương tiếp xúc chống lại việc rụng, dẫn đến cắt sắc nét và loại bỏ chip tuyệt vời. Sự sắp xếp có trật tự của kim cương không chỉ đảm bảo phân bố hợp lý lớp kim cương trên bề mặt dụng cụ, tối đa hóa công suất cắt của kim cương, mà còn giảm đáng kể việc sử dụng kim cương, giảm chi phí công cụ và cải thiện hiệu quả cắt.

 

Mẹo công cụ kim cương brazing trình bày những thách thức độc đáo. Đầu tiên, mẹo công cụ là các sản phẩm luyện kim bột với nhiều mao quản. Thứ hai, các đầu công cụ được thiêu kết, dẫn đến sự hiện diện của các oxit trên cả bề mặt và bên trong. Thứ ba, các thành phần đầu công cụ khác nhau, đặt nhu cầu đáng kể vào các vật liệu và quy trình hàn.

 

Do nhiệt độ sưởi ấm cho phép của PCD bị hạn chế (thường là nhiệt độ chịu nhiệt không vượt quá 720-780 độ), các vật liệu hàn dựa trên bạc chủ yếu được sử dụng. Tuy nhiên, các vật liệu hàn bằng bạc phổ biến có khả năng chịu nhiệt thấp và độ ẩm kém đối với kim cương và cacbua. Hiện tại, các vật liệu hàn công cụ PDC chuyên dụng có sẵn có thể đáp ứng các yêu cầu của việc hàn PDC bằng cách cải thiện sức mạnh nhiệt độ cao và tính chất mệt mỏi của vật liệu hàn và tối ưu hóa quá trình hàn.

 

 

 

Sau những năm 1930, các nguyên tắc luyện kim bột bắt đầu được sử dụng để sản xuất lưỡi cưa tròn kim cương. Các công cụ ban đầu chủ yếu được thiêu kết từ kim cương, bột kim loại bộ xương điểm cao, bột kim loại nguyên tố đặc điểm thấp và vật liệu phụ, với bột kim loại có động lực thấp đóng vai trò là chất làm đầy. Sau những năm 1960, các công cụ kim cương phát triển nhanh chóng và ngày càng nhiều tổ chức bắt đầu nghiên cứu một cách có hệ thống các loại bột ma trận. Đặc biệt, đặc biệt, các chất làm đầy sữa được hợp kim, đặc biệt, thu hút sự chú ý ngày càng tăng cho các đặc tính hàn khuếch tán của chúng trong các công cụ kim cương.

 

Trong quá trình sử dụng các công cụ kim cương, một lượng kim cương đáng kể bị mất do hao mòn ma trận, thay vì hao mòn và thất bại của chính kim cương. Điều này dẫn đến tỷ lệ sử dụng kim cương tương đối thấp. Điều này là do sản xuất phân khúc kim cương truyền thống phụ thuộc vào sự đóng gói cơ học của kim cương trong ma trận. Vì kim cương không làm ướt vật liệu ma trận kim loại, một khi ma trận đeo ở độ cao nhất định, nên kim cương dễ dàng tách biệt với ma trận kim loại, làm giảm đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của công cụ kim cương. Cải thiện khả năng đóng gói kim cương của ma trận là biện pháp kỹ thuật hiệu quả nhất để ngăn ngừa mất kim cương sớm. Ban đầu, phương pháp này chủ yếu tập trung vào việc cải thiện độ bám thông qua quá trình đùn và đóng gói cơ học, kết quả từ các biến đổi pha trong bột ma trận. Trong hai thập kỷ qua, nghiên cứu về liên kết luyện kim hóa học của các loại bột hợp kim hoạt động với kim cương đã tăng cường.

 

Thêm các yếu tố tạo cacbua mạnh như niken, titan, zirconium, vanadi, crom, molybden và vonfram để các loại bột được căn hộ trước giúp cải thiện khả năng ẩm ướt của hợp kim với kim cương và thông qua việc hàn lan tỏa trong quá trình loại trừ, tăng cường liên kết hóa học giữa các liên kết hóa học và đường kính. Điều này làm tăng chiều cao cạnh của kim cương trong quá trình mài, cải thiện hiệu quả cắt và sử dụng kim cương. Hơn nữa, bột được hợp kim trước, hoạt động như một kim loại làm đầy hàn, giúp tăng cường độ ổn định và tính nhất quán của các bit cắt kim cương. Phòng thí nghiệm chính của nhà nước của các vật liệu và công nghệ hàn mới đã nghiên cứu một cách có hệ thống các kim loại chất độn bột dựa trên cơ chế hàn khuếch tán bột, phát triển một loạt các kim loại trễ bột bằng bạc và đồng, bao gồm FbAg625, FbAg737, FBCU14, FBCU17.

Bởi vì phạm vi nhiệt độ nóng chảy của các loại bột hợp nhất trước tương thích với nhiệt độ thiêu kết của các bit công cụ kim cương, việc ép nóng và thiêu kết là các quá trình hàn khuếch tán, trong khi ép lạnh và thiêu kết là các quá trình hàn khuếch tán pha lỏng thoáng qua. Cả hai quá trình ép nóng và lạnh cho phép các phản ứng làm ướt giữa các yếu tố đặc điểm cao và kim cương ở nhiệt độ vừa phải.

 

Các loại bột được hợp kim trước phản ứng, thay thế bột kim loại nguyên tố, được sử dụng trong quá trình thiêu kết hàn của vật liệu tổng hợp kim cương ngâm tẩm, giải quyết các tắc nghẽn kỹ thuật như trộn không đồng đều, các yếu tố tạo ra các yếu tố tăng tốc độ cao các thành phần, và sức mạnh liên kết không ổn định. Hiệu ứng giữ cơ học của ma trận trên lớp phủ kim cương được tối ưu hóa thành kết nối composite inlay/brazing, giúp cải thiện chiều cao lưỡi kim cương và độ sắc nét. Khi cắt đá granit bằng một lưỡi được điều chế bằng bột được hợp kim trước được phát triển bởi phòng thí nghiệm chính của nhà nước về các vật liệu và công nghệ hàn mới, tốc độ cắt có thể được tăng thêm 1,5 đến 2 lần và tuổi thọ lưỡi cưa có thể được kéo dài 1,2 đến 1,6 lần.

 

 

Việc hàn trực tiếp các công cụ kim cương một lớp chủ yếu được sử dụng trong việc sản xuất bút thay đồ bánh xe, dụng cụ đo, dụng cụ đá, dụng cụ khắc đá quý hoặc kính, và bánh xe kim cương, bánh xe kim cương và tệp kim cương. Quá trình hàn đạt được một liên kết luyện kim giữa kim cương, kim loại chất độn và chất nền kim loại, dẫn đến cường độ liên kết cao. Chiều cao cạnh của kim cương lớn hơn đáng kể so với đạt được khi mạ điện. Do đó, các công cụ kim cương một lớp được hàn rất sắc nét, có độ thanh thải chip lớn, ít bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng và đạt được việc sử dụng kim cương cao.

 

Hầu hết các hợp kim kim loại filler hàn đều gặp khó khăn trong việc làm ướt kim cương, và kim cương dễ bị ảnh hưởng bởi graphit hóa và oxy hóa ở nhiệt độ cao. Do nhiệt độ chuyển tiếp đồ họa của kim cương, nhiệt độ hàn không được vượt quá 1050 độ, ngay cả trong môi trường chân không. Kim cương hàn có một lựa chọn hạn chế các kim loại làm đầy hàn. Kim loại phụ được chọn phải đảm bảo làm ướt tốt với kim cương và tạo thành một liên kết hóa học và luyện kim với nó. Nó cũng phải duy trì độ sắc nét và tránh ăn mòn quá mức. Hơn nữa, các đặc tính hao mòn của kim loại filler phải tương thích với vật liệu đang được làm việc để đảm bảo tiếp xúc với kim cương tối ưu và tuổi thọ dài.

 

Các yếu tố hình thành cacbua như titan, zirconium, crom và kim cương ướt vanadi, nhưng nhiệt độ nóng chảy của chúng quá cao, khiến kim cương bị graphit hóa nghiêm trọng ở nhiệt độ cao. Cobalt, sắt và nhôm kim cương ướt một cách hiệu quả ở trạng thái lỏng của chúng, nhưng chúng bị ăn mòn nghiêm trọng trong phạm vi nhiệt độ rất thích hợp của chúng. Hiện tại, hai quy trình phổ biến được sử dụng để cải thiện độ ẩm kim cương và giảm thiệt hại nhiệt. Một liên quan đến việc thêm các yếu tố hoạt động vào các hợp kim hàn thông thường để cải thiện tính ẩm ướt và ái lực của chúng đối với kim cương. Khác liên quan đến việc phủ bề mặt kim cương bằng kim loại. Khi hàn với các hợp kim hàn điểm cao, kim loại bề mặt bảo vệ hiệu quả kim cương, giảm thiểu thiệt hại nhiệt và cải thiện độ ẩm của nó.

 

Hai loại hợp kim hàn mới được tạo ra bằng cách thêm các yếu tố hoạt động vào các hợp kim hàn thông thường: các hợp kim hàn dựa trên đồng và bạc như Ag-Cu, Cu-SN và NI-Cr. Các hợp kim hàn điểm thấp Ag-Cu và Cu-SN được thiết kế chủ yếu để giảm thiểu thiệt hại nhiệt cho viên kim cương, nhưng công cụ hàn kết quả là yếu, gây khó khăn để đạt được mài mạnh. Các công cụ kim cương được hàn với hợp kim NI-CR thể hiện khả năng chống mài mòn tuyệt vời và khả năng chống nhiệt độ cao.

Các quy trình để hàn các công cụ kim cương đơn tinh thể hoặc một lớp bao gồm hàn lò chân không, hàn bằng laser và hàn khí cao tần số cao. Brazing trong lò chân không có hiệu quả sản xuất cao và sưởi ấm đồng đều, và có thể hàn phôi làm việc với các cấu trúc phức tạp và kích thước lớn. Laser Brazing sử dụng chùm tia laser làm nguồn nhiệt hàn. Trong quá trình hàn, phôi được làm nóng cục bộ nhanh chóng và kim cương ở trong trạng thái nhiệt độ cao trong một thời gian ngắn, điều này có thể ngăn chặn hiệu quả kim cương trải qua đồ họa. Việc hàn cảm ứng tần số cao được che chắn bằng khí sử dụng cảm ứng tần số cao để làm nóng chất nền và hợp kim hàn cùng một lúc. Nó có nhiệt độ sưởi ấm cao, tốc độ gia nhiệt nhanh và dễ kiểm soát nhiệt độ. Nó cũng có thể làm nóng cục bộ và dễ dàng đạt được điều khiển tự động.

 

Bài viết này thảo luận về các nguyên tắc của công nghệ hàn được sử dụng trong các công cụ kim cương hàn, phát triển công nghệ hàn và thông tin về các vật liệu, quy trình và thiết bị hàn. Nó cũng đề xuất định hướng trong tương lai của công nghệ hàn trong ngành công cụ kim cương.

 

(Pad đánh bóng nhung được hàn bằng kim cương được hàn gắn này kết hợp hiệu quả quá trình hàn với công nghệ đánh bóng kim cương linh hoạt. Làm cho mài sắc nét và hiệu quả hơn về chi phí.)

 

 

Nội dung của bài viết này:

• 1. Công cụ kim cương và phân loại của chúng
• 2. Các hình thức kết nối kim cương
• 3. Các ứng dụng của công nghệ hàn trong các công cụ kim cương
• 4. Cơn lau khuếch tán trong quá trình thiêu kết ma trận kim cương
• 5. Việc hàn các công cụ kim cương một lớp
• 6. Brazing của các phân đoạn kim cương để ma trận
• 7. Brazing của vật liệu tổng hợp kim cương
• 8. Thiết bị và quy trình hàn công cụ kim cương
• 9. Xu hướng phát triển trong công cụ kim cương hàn
• 10. Kết luận

Do không gian hạn chế, trang web này được chia thành hai phần để bạn tham khảo.

 

Điểm kiến thức của các công cụ kim cương hàn (Phần 2)