لحام النحاس بالنحاس: الأساسيات التي يجب أن تعرفها
هل تساءلت يوماً عن سبب أهمية النحاس وسبائكه في حياتنا اليومية؟ تستكشف هذه المقالة الخصائص الرائعة للنحاس، بدءاً من توصيله الكهربائي المذهل إلى...
تخيل تحويل المواد الأكثر صلابة بدقة وكفاءة - هذا هو الوعد الذي يحمله اللحام بالنحاس واللحام بالانتشار في تصنيع أدوات الألماس. في هذه المقالة، سوف تستكشف كيف تخلق هذه التقنيات المتقدمة أدوات ألماس أقوى وأطول عمراً من خلال ربطها بالمعادن تحت درجات حرارة عالية. اكتشف العلم الكامن وراء هذه الأساليب وتطبيقاتها العملية في صناعات تتراوح من قطع الأحجار إلى الفضاء. وفي النهاية، ستفهم لماذا تُغيّر هذه العمليات قواعد اللعبة في عالم التصنيع.
مقدمة
يشتهر الماس بصلابته العالية، ومقاومته القوية للتآكل، وموصلية حرارية عالية، ومعامل تمدد حراري منخفض، مما يجعله المادة المثلى لأدوات القطع والطحن.
تُستخدم أدوات الماس على نطاق واسع لقطع وطحن المواد الصلبة والهشة، بما في ذلك شفرات المنشار، ولقم الثقب، وأدوات التشطيب، وقوالب سحب الأسلاك. وهي تُستخدم عادةً في صناعات مثل قطع الأحجار، والمعالجة ثلاثية الجوانب، والتنقيب الجيولوجي، وتصنيع السيارات، وصناعة الدفاع.
قراءة ذات صلة: أساسيات أدوات القطع
أدوات الماس الأكثر استخدامًا في الوقت الحالي هي أدوات الماس أحادية البلورة (SD)، وأدوات الماس متعدد الكريستالات (PCD)، وأدوات الماس أدوات مطلية (CVD).
يمكن صنع أدوات الألماس أحادية البلورة من كل من الألماس أحادي البلورة الطبيعي والاصطناعي. ومن ناحية أخرى، تُصنع أدوات الألماس متعدد البلورات عادةً من الألماس الاصطناعي.
تنقسم الأدوات المطلية بالماس إلى فئتين استناداً إلى سُمك الطلاء الماسي: أدوات ذات غشاء ماسي سميك (بسُمك غشاء ماسي أكبر من 300 ميكرومتر) وأدوات ذات غشاء ماسي (بسُمك غشاء ماسي أقل من 20 ميكرومتر).
يوضح الشكل 1 تصنيف أدوات الألماس، ويعرض الشكل 2 بعض أدوات الألماس الشائعة.
تعتبر عملية تحويل الماس إلى أدوات ماسية ذات خصائص محددة تقنية بالغة الأهمية. يلخص هذا المقال الأساليب الحالية لإعداد أدوات الماس ويقدم لمحة عامة عن التقدم البحثي في لحام أدوات الماس بالنحاس ولحامها بالنشر على الصعيدين المحلي والدولي. كما يبحث أيضاً في الآفاق المستقبلية للماس تكنولوجيا اللحام.
الشكل 1 تصنيف أدوات الماس
الشكل 2 أدوات الماس الشائعة الاستخدام
لا يعتبر الماس المفرد أداة مناسبة بمفرده ويجب ربطه بمواد ذات صلابة عالية. ويستخدم في إنتاج أدوات الماس عادةً أساليب مثل التلبيد والطلاء بالكهرباء واللحام بالنحاس واللحام بالانتشار.
تتضمن عملية التلبيد خلط مسحوق المصفوفة والماس بنسبة محددة ثم تلبيد الخليط بالضغط في فرن التلبيد لإنتاج أدوات الماس.
الصحافة الساخنة التلبيد هو تقنية شائعة تُستخدم لتصنيع أدوات الماس متعددة الطبقات مثل رؤوس القطع الماسية وعجلات الطحن والمناشير السلكية.
تتسم مصفوفة الماس التي يتم إنشاؤها من خلال التلبيد بقوة ترابط منخفضة مع الماس ويتم تضمين المزيد من جزيئات الماس داخل المصفوفة. وتُستخدم هذه الطريقة غالباً لقطع وطحن المواد الصلبة والهشة على حد سواء.
تُصنع أدوات الماس المطلية بالكهرباء باستخدام عملية الطلاء بالكهرباء لتثبيت جزيئات الماس على الطلاء المعدني المودع على الركيزة. ومع ذلك، فإن معدن الطلاء المستخدم في هذه الأدوات له قبضة ضعيفة على الماس، مما يؤدي إلى انخفاض الارتفاع المكشوف وميل حبيبات الماس الكاشطة إلى السقوط تحت أحمال الطحن الثقيلة.
ومن ناحية أخرى، يتم تصنيع أدوات الألماس الملحومة من خلال ربط الألماس والمصفوفة باستخدام اللحام بالنحاس. وتكون الرابطة بين الألماس والمصفوفة قوية ومتينة، مما يقلل من احتمالية سقوط الألماس أثناء الاستخدام.
بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أدوات الماس الملحومة بالعديد من المزايا، بما في ذلك الارتفاع الكبير المكشوف لجزيئات الكشط (بحد أقصى نظري يزيد عن 701 تيرابايت 3 تيرابايت من ارتفاع جزيئات الكشط)، ومساحة واسعة للبُرادة وتبديد فعال للحرارة. هذه الأدوات قادرة على التعامل مع الأحمال الثقيلة ويمكن استخدامها للطحن عالي السرعة والكفاءة.
تم تسجيل براءة اختراع طريقة اللحام بالنحاس لصنع أدوات الماس في وقت مبكر من عام 1975، ومنذ ذلك الحين حظيت باهتمام الباحثين على الصعيدين المحلي والدولي. وتعتبر تقنية واعدة لتحسين الربط بين الماس الاصطناعي.
أما اللحام بالانتشار، من ناحية أخرى، فهو طريقة توصيل في الحالة الصلبة تتضمن انتشار الذرات على سطح منطقة التلامس تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين، مما يؤدي إلى اتحاد الذرات وتوصيل آمن.
يتم اللحام بالانتشار الفراغي عادةً عند درجة حرارة تتراوح من 0.6 إلى 0.8 ضعف درجة حرارة انصهار (Tm) المعدن الأساسي الذي يتم لحامه. هذه الطريقة مناسبة ل مواد اللحام مع وجود اختلاف كبير في معاملات التمدد الحراري، مثل صفائح الكربيد الأسمنتي والصفائح المركبة PDC إلى مصفوفات عمود القطع.
يلخص الجدول 1 مزايا وعيوب طرق التحضير المختلفة.
الجدول 1 مقارنة بين العديد من طرق التحضير
| طريقة التحضير | الميزة | العيب |
| تلبيد المسحوق المعدني | طريقة التحضير ناضجة; عملية تشغيل عملية بسيطة; تكلفة إنتاج منخفضة; معظمها أدوات ماسية متعددة الطبقات. | جزيئات الماس موزعة بشكل غير منتظم والارتفاع المكشوف غير متساوٍ; يتم تغليف المصفوفة المعدنية ميكانيكيًا بالماس، لذا فإن قوة التثبيت ضعيفة، ومن السهل سقوط جزيئات الماس قبل الأوان. |
| الطلاء الكهربائي | الارتفاع المكشوف لجزيئات الذراعين ثابت نسبيًا. | يصل عمق الجسيمات المضمنة في المصفوفة إلى 2/3، ويكون عمر خدمة الأداة قصيرًا. |
| طريقة اللحام بالنحاس | التصاق قوي بين الماس والمصفوفة; يصل الارتفاع المكشوف للجسيمات إلى 2/3، وعمر الخدمة طويل; يمكن التحكم في توزيع الجسيمات في المصفوفة. | الأداء النحاسي للماس ضعيف; متطلبات تقنية عالية لتشغيل العملية; يتم رسم الماس بسهولة. |
| اللحام بالانتشار | الجزء السفلي درجة حرارة اللحام مناسب للمواد ذات الاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري. | تكلفة المعدات مرتفعة ونطاق التطبيق ضيق. |
في الوقت الحاضر، تتوفر طرق لحام نحاسية مختلفة لأدوات الماس، بما في ذلك اللحام بالنحاس في الفراغ، واللحام بالنحاس في الفرن، واللحام بالنحاس في حمام الملح، واللحام بالنحاس باللهب, اللحام النحاسي بالليزرواللحام بالنحاس النحاسي المقاوم، واللحام بالنحاس النحاسي عالي التردد واللحام بالنحاس بالحث بالتفريغ وغيرها.
تُعد قوة الترابط لأداة الماس حاسمة في تحديد أدائها وعمرها الافتراضي.
لتجنب أكسدة اللحام، عادةً ما يتم لحام الأدوات الماسية في تفريغ عالي أو بيئة غاز خامل.
ويتطلب ذلك فرنًا متخصصًا يمكنه الحفاظ على بيئة لحام مفرغة أو محمية بالغاز.
يستخدم اللحام بالنحاس في الفرن عادةً التسخين بالإشعاع المقاوم لتوزيع الحرارة بشكل موحد، مما يسمح بلحام الأدوات الماسية ذات الهياكل المعقدة أو الأحجام الكبيرة.
تُستخدم الأدوات الماسية أحادية الطبقة الملحومة في الفراغ بشكل أساسي في إنتاج أدوات التضميد وعجلات الطحن والأدوات الحجرية والأدوات الزجاجية.
يُعد كل من اللحام بالنحاس المفرغ من الهواء واللحام بالنحاس في الفرن مناسبين للإنتاج بكميات كبيرة.
يشيع استخدام غاز الأمونيا المتحلل في عملية اللحام بالنحاس في فرن الغلاف الجوي المستمر كعامل اختزال. تُعرف هذه الطريقة بسرعة تسخينها البطيئة، مما يؤدي إلى توزيع موحد لدرجة الحرارة. تتميز الوصلة الملحومة المنتجة بأنها مبهجة من الناحية الجمالية وموثوقة من حيث الجودة ولها سطح لامع لقطعة العمل. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه الطريقة بكفاءة إنتاج عالية وتكلفة لحام منخفضة.
يُستخدم عادةً في إنتاج شفرات المناشير الصغيرة وأدوات الماس ذات الشكل الخاص.
ومن ناحية أخرى، يتميز اللحام بالنحاس الملحي، من ناحية أخرى، بدرجة حرارة منخفضة وسرعة تسخين سريعة وموحدة، مما يؤدي إلى انخفاض درجة جرافيت الماس، مما يجعله مناسبًا للإنتاج بكميات كبيرة.
ومع ذلك، فإن عملية اللحام بالنحاس في الحمام الملحي مرهقة وتؤدي إلى وجود تدفق متبقي على قطعة العمل بعد اللحام. بالإضافة إلى ذلك، تولد العملية كمية كبيرة من مياه الصرف الصحي أثناء التنظيف، مما يتسبب في تلوث البيئة. كما أن معدات اللحام بالنحاس في حمام الملح باهظة الثمن ودورة الإنتاج طويلة. لا تتماشى هذه الطريقة في لحام الأدوات الماسية بالنحاس الأصفر مع مفهوم التصنيع الأخضر.
يتطلب اللحام بالنحاس، وهي طريقة تم تطويرها في وقت مبكر، معدات بسيطة وخفيفة الوزن ولها تكلفة عملية منخفضة مع مجموعة واسعة من مصادر الغاز. ومع ذلك، من الصعب التحكم في درجة حرارة التسخين، مما أدى إلى استبعادها تدريجيًا من السوق السائدة.
أثناء عملية اللحام بالليزر، يكون التسخين الموضعي بالليزر سريعاً ويكون وقت تعرض الماس في درجات الحرارة المرتفعة قصيراً، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الجرافيتة. وتتميز هذه الطريقة بالعديد من المزايا، بما في ذلك كفاءة التسخين العالية، وسهولة التحكم في درجة الحرارة، وصغر المنطقة المتأثرة بالحرارة، والقدرة على معالجة الأسطح المعقدة، والترتيب المنظم لجزيئات الماس، ودرجة عالية من الأتمتة، وبيئة عمل مواتية.
وعلاوة على ذلك، يساعد اللحام بالنحاس النحاسي بالليزر على تجنب تأثيرات القرب والجلد الناتجة عن اللحام بالنحاس بالحث عالي التردد عند لحام قطع العمل الكبيرة والمعقدة. ومع ذلك، فإن وقت التسخين القصير قد لا يسمح بتكوين طبقة تفاعل مستمر أو طبقة انتشار بين جزيئات الماس الكاشطة ومعدن الحشو، أو بين معدن الحشو والمصفوفة، مما يقلل من قوة تثبيت معدن الحشو على جزيئات الماس.
غالبًا ما يُستخدم لحام المقاومة بالنحاس النحاسي في لحام قضبان الشحذ، وينتج عنه جودة اللحام. ومع ذلك، ونظرًا لارتفاع درجة حرارة رأس القاطع نسبيًا أثناء عملية اللحاممما يؤثر على العمر التشغيلي للماس، لا تستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع من قبل العديد من الشركات.
من ناحية أخرى، يُعرف اللحام بالنحاس بالحث الحثي عالي التردد بسرعة التسخين السريع، وكفاءة اللحام بالنحاس العالية، وتكلفة الإنتاج المنخفضة، والتشغيل البسيط، وكثافة العمالة المنخفضة، والقدرة على لحام مختلف الأشكال المعقدة وقطع العمل متعددة الأسنان. عند دمجها مع التغذية الأوتوماتيكية، أو الحماية من الغلاف الجوي، أو اللحام بالنحاس بالحث الفراغي، فإن الوصلة تتمتع بمظهر جيد وجودة لحام بالنحاس.
وختامًا، يُعد اللحام بالنحاس الحثي طريقة لحام نحاسي واعدة لأدوات الألماس.
فرن التفريغ بالنحاس هو أكثر المعدات المستخدمة على نطاق واسع في تصنيع أدوات الماس. وهو يسمح بالإنتاج على دفعات ويوفر عملية تشغيل مستقرة وقابلة للتكرار.
ومع ذلك، فإن فرن التفريغ التقليدي له مساحة تجويف محدودة ومعظم النماذج المحلية تتميز بغرفة واحدة فقط، مما يجعلها مناسبة فقط للإنتاج على نطاق صغير.
وبفضل التقدم في التكنولوجيا، تم تطوير أفران تفريغ الهواء متعددة الوظائف، مثل أفران اللحام بالنحاس المفرغ المستمر، وأفران اللحام بالنحاس بالحث الفراغي، وأفران اللحام بالنحاس المفرغ بالجدار الساخن.
إذا أخذنا فرن النفق المستمر ذو الحزام الشبكي كممثل، فإن هذا النوع من المعدات الكاملة يستخدم على نطاق واسع في التلدين وعمليات المعالجة الحرارية اللامعة. يتكون الفرن من مناطق تغذية وتسخين وتبريد وتفريغ. أثناء عملية اللحام بالنحاس، تكون قطعة العمل محمية بجو من تحلل الأمونيا.
تقدم هذه المعدات العديد من المزايا، بما في ذلك التسخين المستمر، ووقت التسخين القابل للتعديل لقطعة العمل، وكفاءة الإنتاج العالية، وسهولة الإنتاج بكميات كبيرة، وتقليل كثافة العمالة للعمال، والأتمتة.
تدمج معدات اللحام بالنحاس المستمر في الغلاف الجوي التي يمكن التحكم فيها بالكامل تقنيات احترافية مختلفة، مثل تلك الخاصة بالصناعة الكيميائية والآلات والتحكم واللحام بالنحاس في الأفران الكهربائية، مما يوفر الدعم الفني لإنتاج اللحام بالنحاس الأوتوماتيكي والمستمر وعالي الكفاءة والجودة العالية ومنخفض التكلفة بكميات كبيرة.
اللحام بالنحاس النحاسي بالليزر هي تقنية لحام بالنحاس تستخدم الليزر كمصدر للحرارة، والليزر هو مكونها الأساسي.
استناداً إلى نوع المواد العاملة، يمكن تصنيف الليزر إلى عدة أنواع بما في ذلك الليزر الغازي (مثل ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون)، والليزر السائل، وليزر أشباه الموصلات، وليزر الحالة الصلبة (مثل ليزر Nd: YAG)، وليزر الألياف، وليزر الإلكترونات الحرة، إلخ.
من بينها، شهدت ليزرات الألياف الليزرية تطورًا سريعًا وتستخدم على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الاتصالات والاستشعار ومعالجة المواد الليزرية وغيرها.
ستركز الأبحاث المستقبلية على ليزر الألياف الليزرية على تحسين كفاءة التحويل والجودة والثبات وجعلها أكثر إحكامًا في الحجم.
ستشمل مجالات التركيز البحثية في ليزر الألياف الليزرية ليزر الألياف الليزرية ذات النبضات القصيرة للغاية ذات دورات العمل الأصغر، والليزر الليزري عالي الطاقة فيمتو ثانية ليزر الألياف النبضية، وليزر الألياف الليفية عريضة النطاق، وليزر الألياف الليفية القابلة للضبط.
تطور شعاع الليزر المستخدم في اللحام من شكل موجي نبضي إلى شكل موجي مستمر.
في البداية، تم استخدام ليزر الحالة الصلبة مع مخرجات نبضية في اللحام، ولكن في السنوات الأخيرة، أصبحت أشعة ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون المستمر عالي الطاقة وليزر Nd: YAG الصلب شائعة في حرارة اللحام المصادر.
يتميز الماس بقدرة امتصاص أقل لأشعة الليزر مقارنةً بمعدن الحشو المصنوع من سبيكة معدنية، ولذلك، بالنسبة لأدوات لحام الماس بالنحاس، يجب اختيار أشعة الليزر ذات الكثافة العالية للطاقة.
عند استخدام الليزر النبضي كـ حرارة اللحام المصدر، تكون معلمات العملية أكثر تعقيدًا.
في الوقت الحالي، يستخدم البحث في مجال لحام الماس بالليزر النحاسي بالليزر بشكل أساسي ليزر ثاني أكسيد الكربون المستمر، ولكن هناك أبحاث محدودة في هذا المجال.
المكون الأساسي لمعدات اللحام بالنحاس بالحث الحثي عالي التردد هو مصدر طاقة التسخين بالحث.
تتطور إمدادات طاقة التدفئة بالحث الحديثة نحو طاقة أعلى وتردد أعلى وذكاء متزايد.
والهدف في المستقبل هو تطوير نظام إمداد طاقة مصغر للتدفئة بالحث الحثي يكون مناسبًا للتشغيل الميداني وعالي الكفاءة وموفرًا للطاقة.
نظرًا لارتفاع تكلفة العمالة في تصنيع أدوات نشر الماس والحاجة إلى تحسين الاستقرار في جودة لحام أدوات الماس بالنحاس، أصبح اللحام بالنحاس بالحث الأوتوماتيكي الطريقة الأساسية للحام أدوات نشر الماس.
يسمح الحث الأوتوماتيكي لأدوات اللحام الماسية بالنحاس الأوتوماتيكي بتقسيم الأسنان أوتوماتيكيًا، وتحديد واختيار رؤوس القاطع أوتوماتيكيًا، والتوصيل الأوتوماتيكي لوسادات اللحام.
توفر هذه الطريقة دقة لحام عالية ووصلات لحام نحاسية قوية وعمر خدمة طويل. يمكن لمشغل واحد إدارة ماكينات متعددة، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف العمالة.
المبدأ وراء أدوات لحام الماس بالنحاس هو استخدام عناصر ذات تقارب كبير مع الكربون (مثل تيتانيوموالكروم والزركونيوم والزركونيوم، إلخ) لإنتاج الكربيدات من خلال تفاعل كيميائي أثناء اللحام بالنحاس، من أجل تحقيق رابطة معدنية بين الماس ومعدن الحشو والمصفوفة.
عند لحام أدوات الألماس بالنحاس، تكون تقنية اللحام بالنحاس والمواد المستخدمة في اللحام بالنحاس ذات أهمية قصوى.
تُعد عملية لحام الماس بالنحاس صعبة لأنه من الصعب أن تلتصق معادن الحشو المعدنية الشائعة بسطح الماس.
حاليا، نشط لحام المعادن بالنحاس الأصفر أو تمعدن سطح الماس هي الطرق الرئيسية المستخدمة لتحسين أداء اللحام بالنحاس بين الماس والمعدن.
تربط طريقة اللحام بالنحاس المعدني النشط الماس من خلال دمج عناصر نشطة مثل التيتانيوم والزركونيوم والكروم والفاناديوم في معدن الحشو. وتتفاعل هذه العناصر، المعروفة بتكوين كربيدات قوية، كيميائياً مع معدن الحشو لتكوين كربيدات ورابطة معدنية بين الماس ومعدن الحشو. يتم بعد ذلك ربط الماس بالركيزة المعدنية من خلال معدن الحشو الملحوم.
ارجع إلى الشكل 3 للاطلاع على تصميم الوصلة الماسية الملحومة بهذه الطريقة.
الشكل.3 واجهة الوصلة الماسية الملحومة بالنحاس
يشيع استخدام السبائك التي تحتوي على Ti، مثل Ag Cu Ti وCu Sn Ti، كجنود نشطين. وفي الوقت نفسه، يتم لحام سبائك Ag Cu Cr وNi Cr التي تحتوي على الكروم باستخدام الغاز الخامل أو التفريغ.
ونظرًا لتقاربها الكيميائي العالي نسبيًا، يلعب كل من Ti وC وC دورًا مهمًا في تشكيل الكربيدات، مثل TiC وC Cr-C، في الواجهة البينية. وهذا ما يؤدي في النهاية إلى الربط المعدني بين الماس ومعدن الحشو والمصفوفة.
تُضفي معالجة تنشيط المعادن على سطح الماس خصائص شبيهة بالمعدن، مما يسهل ارتباط الماس بالحشوات المعدنية.
يمكن تحقيق عملية تمعدن السطح من خلال عدة طرق، بما في ذلك الطلاء الكيميائي والطلاء الكهربائي، والتبخير بالتفريغ، والتبخير بالتفريغ الكهربائي، والرش بالبلازما، والرش المغنطروني، والترسيب بالبخار الكيميائي، والترسيب بالبخار الفيزيائي، والطلاء الميكانيكي.
الطلاء الكيميائي والطلاء الكهربائي، وكذلك التبخير بالتفريغ، هي الطرق الأكثر استخدامًا.
وعادةً ما يتم اختيار المعادن عالية النشاط مثل Ti وCr وW وM للتعدين.
يعمل الطلاء المعدني على تعزيز الرابطة المعدنية بين الماس والمصفوفة، وبالتالي تحسين الاحتفاظ بجزيئات الماس في مصفوفة الأداة.
يتم تحديد قوة الوصلة أو الواجهة الملحومة بالنحاس بشكل أساسي من خلال عنصرين: مادة اللحام بالنحاس وعملية اللحام بالنحاس.
يواجه لحام المعادن الشائعة صعوبة في الترطيب والانتشار على أسطح الماس، كما أن زاوية ترطيب النيكل على أسطح الماس محدودة في درجات الحرارة العالية.
لا يبلل النحاس أسطح الألماس في درجات الحرارة العالية، ولكن قابليته للبلل على أسطح الألماس تتحسن بشكل كبير عند إضافة التيتانيوم إلى النحاس.
في الوقت الحالي، تُستخدم معادن الحشو النحاسية المستخدمة في لحام الماس أداة اللحام بالنحاس الأصفر يمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى فئتين: معادن الحشو النحاسية ذات نقطة الانصهار العالية القائمة على النيكل (مثل Ni-Cr) ومعادن الحشو النحاسية ذات نقطة الانصهار المنخفضة القائمة على النحاس والنحاس القائمة على Ag وCu-Cu-Ti وAg-Cu-Ti وAg-Cu-Cr).
تتميز طبقة معدن الحشو المصنوعة من النيكل المستخدمة في اللحام بالنحاس بصلابة عالية، ومقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة تآكل متميزة، وأداء فائق في درجات الحرارة العالية، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران.
منذ نشأتها، أُجريت العديد من الدراسات حول اللحامات القائمة على النيكل، سواء من حيث خصائصها الأساسية أو تطبيقاتها، مع إيلاء الكثير من الاهتمام لتطويرها التجاري.
واحدة من معادن الحشو الأكثر استخدامًا لأدوات لحام الماس بالنحاس هي سبيكة Ni-Cr.
من خلال الجمع بين مزايا كل من الأدوات الماسية ومعادن الحشو القائمة على النيكل، ينتج عن اللحام بهذه المواد أدوات مثالية للقطع والطحن والقطع عالي القوة الحفر.
في عام 1975، بدأ ج. ت. لودر وزملاؤه بحثًا عن أدوات لحام الماس بالنحاس باستخدام معادن حشو من سبيكة Ni-Cr.
وفي وقت لاحق، بحث فياند وآخرون في تأثير المساحيق المعدنية المختلفة (مثل النيكل والكروم والبولي بروبيلين والسيليكون والحديد والمويد، إلخ) ومعاملات اللحام بالنحاس (درجة الحرارة ووقت التثبيت، إلخ) على قوة الماس المطلي بالتفريغ النحاسي.
قام فريق من الباحثين بقيادة ك. تشاتوبادياي في سويسرا أولاً برش لهب سبيكة Ni-Cr على ركيزة من الفولاذ، ثم استخدموا اللحام بالنحاس بالحث لربط الماس والركيزة الفولاذية تحت حماية الأرجون. وقاموا بدراسة العلاقة بين كمية معدن الحشو وقابلية الترطيب والقوة.
في الصين، استخدم لين زينغدونغ وزملاؤه معادن حشو Ni-Cr-P في الصين لحام أدوات الماس ووصفوا عملية اللحام بالنحاس.
تشير النتائج إلى أن درجة حرارة اللحام بالنحاس يجب أن تكون أعلى من درجة حرارة انصهار سبيكة اللحام بمقدار 50-100 درجة مئوية، ويجب أن يكون وقت التثبيت قصيرًا، وأن يكون ارتفاع الماس المكشوف متناسبًا عكسيًا مع كمية اللحام المستخدمة.
وجد كل من شياو بينغ وفينغ بوجيانغ وعلماء آخرون أنه عند لحام الماس بالنحاس مع معدن حشو Ni-Cr، فإن الواجهة البينية تقدم بنية مزدوجة الطبقة، مع طبقة داخلية من الكروم3C2 وطبقة خارجية من Cr7C3.
أظهر لو جين بين وفريقه أنه عندما يتم لحام الماس بمعدن حشو Ni-Cr، فإن Cr7C3 المتولِّدة عند السطح البيني تأخذ شكلًا شبيهًا بالبراعم، في حين أن Cr3C2 يأخذ شكلًا يشبه الصفيحة.
ينطوي استخدام معدن الحشو القائم على النيكل في اللحام بالنحاس على عيب لأنه يتطلب درجة عالية من درجات حرارة اللحام بالنحاس التي يمكن أن تؤدي إلى جرافيت الماس وتضر باستقراره الحراري.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب بيئة عمل جيدة ومقاومة منخفضة للتآكل، تُعد معادن الحشو القائمة على النحاس أو الفضة خيارًا أفضل، حيث إنها تقلل من جرافيت الماس.
في دراسة أجراها أ. خالد وآخرون من باكستان، استُخدم معدن حشو نشط قائم على النحاس (Cu-14.3Sn-10.2Ti-1.5Zr) لتحقيق لحام الماس بالنحاس في الفراغ.
وجد البحث أن الواجهة البينية بين الماس ومعدن الحشو أنتجت بنية TiC مزدوجة الطبقة بسماكة 200 نانومتر. ويتألف هذا الهيكل من جسيمات TiC بسماكة 50-70 نانومتر بالقرب من الماس و100-200 نانومتر من جسيمات TiC العمودية السميكة بالقرب من معدن الحشو.
مع زيادة درجة الحرارة أو وقت التفاعل، تنمو طبقة TiC العمودية على جانب معدن الحشو، بينما تظل طبقة جسيمات TiC على جانب الماس دون تغيير.
S. Buhl وزملاؤه باستخدام معدن الحشو Cu-14.4Sn-10.2Ti-1.5Zr لتحقيق لحام الماس أحادي البلورة بالنحاس الأحادي البلورة، وبحثوا العلاقة بين معاملات اللحام بالنحاس و الإجهاد المتبقي وقوة المفصل.
ومع رفع درجة حرارة اللحام بالنحاس من 880 درجة مئوية إلى 930 درجة مئوية، انخفضت قوة القص للوصلات الماسية من 321 ميجا باسكال إلى 78 ميجا باسكال.
W. لي وزملاؤه لحام سبيكة Cu-10Sn-15Ti في لحام الماس بالنحاس في درجات حرارة 925 ℃/5 دقائق و1050 ℃/5 دقائق، مما أدى إلى تكوين طبقة متواصلة من TiC بسماكة 500 نانومتر تقريبًا عند الواجهة البينية. قارن S. F. Huang وزملاؤه تأثيرات التفريغ واللحام بالنحاس بالليزر على البنية المجهرية للوصلة البينية للماس باستخدام معدن الحشو Cu-10Sn-15Ti.
في ظل ظروف التفريغ، تكون الطبقة الانتقالية TiC مستمرة. ومع ذلك، نظرًا لقصر وقت التفاعل أثناء اللحام بالنحاس بالليزر، ينتج عدد أقل من نواتج التفاعل في الماس.
استخدم منغ ويرو وزملاؤه من جامعة شيان جياوتونغ معادن الحشو مثل BNi-2 وBNi-7 وCuSnNiTi لتحقيق لحام الأدوات الماسية بالنحاس في الفراغ.
من خلال المقارنة، وجد أن معدن الحشو CuSnNiNiTi له درجة حرارة انصهار منخفضة، وقابلية ترطيب جيدة على سطح الماس، ويتسبب في الحد الأدنى من الضرر الحراري للماس، ويتمتع بقوة تثبيت عالية، ويمكن استخدامه بدرجة كبيرة في أدوات الماس.
عادةً ما يكون معدن الحشو النحاسي المستخدم في أدوات الماس عبارة عن سبيكة سهلة الانصهار قائمة على الفضة من الأجاج والنحاس، مع إضافة عناصر نشطة مثل Ti وZr. وتتميز هذه السبيكة القائمة على الأجاج بنقطة انصهار منخفضة وقدرة جيدة على ترطيب الماس.
وأجرى باحثون من جامعة هاربين للعلوم والتكنولوجيا وجامعة يانشان وجامعة هاربين للتكنولوجيا وجامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية دراسات على لحام الماس بالنحاس مع معادن الحشو القائمة على الأجاج وتوصلوا إلى نتيجة مماثلة: في ظل ظروف اللحام بالنحاس، يحدث تفاعل كيميائي بين Ti وC، مما يؤدي إلى تكوين مركبات TiC التي تخلق رابطة معدنية بين معدن الحشو والماس.
قام فريق من مختبر الدولة الرئيسي للنحاس في معهد تشنغتشو لأبحاث الماكينات المحدود بتحليل اللحامات الشائعة الاستخدام القائمة على عنصر Ag. واستنادًا إلى أدوار وخصائص عناصر مثل Ag، والنحاس، والزنك، والزنك Cd، والنيكل، والكوبالت، والمنغنيز في اللحامات، تم تحضير أكثر من 10 لحامات ودراسة درجة حرارة انصهارها وقوتها وعملية اللحام بالنحاس.
تم تطوير سلسلة من اللحامات المناسبة للحام أدوات PCD بالنحاس في ظروف عمل مختلفة. ومع ذلك، فإن ارتفاع تكلفة معدن Ag وارتفاع تكلفة اللحام بالنحاس بسبب المتطلبات الصارمة لعنصر Ti من حيث درجة التفريغ قد حد من تطبيقه.
وبالإضافة إلى ذلك، يكون تماسك معدن الحشو على الماس ضعيفًا، مما يجعله عرضة للسقوط أثناء الاستخدام، مما يحد من استخدامه في لحام الأدوات الماسية بالنحاس. يتم استخدام اللحامات ذات الأساس الفضي في حالات استثنائية حيث تكون مقاومة التآكل منخفضة مطلوبة. يقارن الجدول 2 بين إيجابيات وسلبيات العديد من أنواع اللحام المختلفة.
الجدول 2 مزايا وعيوب العديد من المزايا والعيوب المختلفة معادن الحشو النحاسية
| النوع | الميزة | العيب |
| سبيكة Ni Cr | مقاومة ممتازة للتآكل ومقاومة ممتازة للأكسدة. يتفاعل الكروم مع C في الماس لتكوين Cr3C2 و Cr7C3، مع قوة ترابط عالية وقوة تماسك عالية على الماس. | عندما تكون درجة حرارة اللحام بالنحاس أعلى من 1000 درجة مئوية، يسهل رسم الماس بيانيًا ويحدث تلف حراري. |
| لحام سبيكة C-Sn Ti | عندما يتم توليد TiC، يمكن أن يحقق معدن الحشو النحاسي اتصالاً عالي القوة مع الماس، وتكون درجة حرارة اللحام بالنحاس منخفضة، ويكون الضرر الحراري للماس صغيرًا. | نشاط عنصر Ti مرتفع، ويتطلب اللحام بالنحاس النحاسي جوًا عاليًا. |
| لحام سبيكة Ag Cu Cr | يشكل الكروم و C في الماس مركب Cr-C، ويتمتع معدن الحشو النحاسي بقدرة عالية على التماسك على الماس. | يجب أن تكون درجة حرارة اللحام بالنحاس أقل من 800 درجة مئوية لتجنب الجرافيت وأكسدة الماس؛ تؤدي درجة الحرارة المنخفضة جدًا إلى وقت لحام طويل جدًا وإهدار الطاقة. |
| لحام سبيكة Ag Cu Ti | يتم توليد TiC، ويتم توصيل معدن الحشو النحاسي بشكل معدني بالماس. لا تسبب درجة حرارة اللحام بالنحاس المنخفضة أي ضرر حراري للماس. | محتوى الأجاج مرتفع وتكلفة اللحام مرتفعة؛ ونشاط عنصر Ti مرتفع، ويتطلب اللحام بالنحاس أجواءً عالية. |
| لحام مسبق السبائك يحتوي على النحاس والمنغنيز والنحاس الأصفر | يتم توليد TiC لتحقيق الترابط الذهبي، وتكون قوة تماسك الماس عالية. | تكون سماكة طبقة TiC كبيرة أو تكون طبقة TiC موزعة باستمرار، مما يسهل إنتاج تشققات ويجعل جزيئات الماس تتساقط. |
يتميز اللحام بالانتشار بخصائص مفصلية مماثلة لخصائص المعدن الأساسي، مما يجعله مثاليًا لـ لحام المواد غير المتشابهة. الانتشار الفراغي وصلة اللحام تتميز بالقوة العالية والثبات الحراري الاستثنائي والمقاومة القوية للزلازل.
في إنتاج الأدوات الماسية، يشيع استخدام لحام الانتشار في توصيل لقمات PDC الجيولوجية. هذا لا يعزز جودة اللقم ويحسن من جودة اللقم فقط قوة اللحامولكنه يزيد أيضًا من عمق لقطات البت.
يعد اللحام بالانتشار طريقة فعالة لتعزيز الأداء وإطالة عمر خدمة لقم PDC. قام فارنادو وزملاؤه بتغليف لقم PDC بطبقة سمكها 25-50 ميكرومتر من معدن النيكل وأجروا لحام الانتشار بالتفريغ عند 650 ℃ و214 ميجا باسكال لمدة 4 ساعات، مما أدى إلى قوة قص مشتركة تتراوح بين 413 و551 ميجا باسكال.
استخدم تشيو هويتشونغ وفريق العمل لحام الانتشار بالضغط أحادي الاتجاه ولحام الانتشار بالضغط المتساوي الضغط الساخن لتحقيق اتصال عالي القوة بين PDC وعمود كربيد التنجستن، مما يلبي متطلبات لقمات PDC.
بلغت قوة التوصيل بين PDC وكربيد التنجستن حوالي 500 ميجا باسكال عند 680 ℃ مع لحام الانتشار بالضغط أحادي الاتجاه، وضمن لحام الانتشار بالضغط المتساوي الضغط الساخن استقرار وموثوقية أسنان القطع مع عدم تقليل مقاومة لقمة الحفر النهائية للتآكل بشكل كبير. وقد أثبتت الاختبارات الميدانية الجودة الممتازة للمنتج.
أجرى ليو جي وزملاؤه اختبار اللحام بالانتشار الفراغي على لقم PDC (مركبات الماس متعدد الكريستالات) بهدف معالجة المشاكل وتحسين أداء هذه اللقم وعمرها الافتراضي. وتحققت دراستهم من جدوى استخدام اللحام بالانتشار الفراغي لتوصيل اللقم بالمركبات.
استخدم سون فنغليان وزملاؤه مزيجًا من اللحام بالانتشار واللحام بالنحاس لتوصيل طبقة سميكة من الماس بالترسيب الكيميائي بالبخار CVD (الترسيب الكيميائي للبخار) إلى كربيد أسمنتي. واستخدموا رقائق Ti ورقائق النحاس Ag Cu كمادة بينية وأجروا عملية اللحام تحت تسخين إشعاعي بالتفريغ.
في الواجهة البينية بين الماس والطبقة البينية، كان هناك انتشار متبادل لعنصري C وTi، مما أدى إلى تكوين مركب TiC.
قام تشياو بيكسين وزملاؤه بتحسين الاتصال بين الماس وسبيكة المصفوفة عن طريق إضافة مسحوق مسبوق السبائك من خلال التلبيد بالضغط الساخن بالتفريغ. ووجدوا أن هذا الاتصال النحاسي المنتشر باستخدام مسحوق مسبوق السبائك هو طريقة فعالة لتعزيز أدوات الماس.
عملية اللحام بالانتشار معقدة وتستغرق وقتًا طويلاً، كما أن المعدات اللازمة باهظة الثمن، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف اللحام.
في الوقت الحالي، يُستخدم اللحام بالانتشار الفراغي بشكل رئيسي في لحام لقم الثقب الجيولوجي عالي القوة مع متطلبات اهتزازية صعبة، ولم يتم تطبيقه بعد لإنتاج أدوات الماس العامة على نطاق واسع.
يمتاز اللحام بالنحاس واللحام بالانتشار بمزايا فريدة في ربط المواد غير المتجانسة، مثل الكربون والمعدن، نظرًا لخصائص العملية الاستثنائية. ومن المتوقع أن تصبح هذه الطرق مجالاً بحثياً رئيسياً في تطوير أدوات الماس.
تزدهر الأبحاث في مجال أدوات لحام الماس بالنحاس الأصفر ولها العديد من الأساليب. وتتجه حاليًا نحو الأتمتة والاستدامة وتكامل العمليات والتركيز على الجودة والفعالية من حيث التكلفة.
لا يزال لحام أدوات الماس بالانتشار يقتصر على وصلات الأدوات الخاصة ويتطلب المزيد من التطوير.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR