Soldadura fuerte y por difusión en la fabricación de herramientas de diamante

Prefacio

El diamante es conocido por su elevada dureza, gran resistencia al desgaste, alta conductividad térmica y bajo coeficiente de dilatación térmica, lo que lo convierte en el material óptimo para herramientas de corte y rectificado.

Las herramientas de diamante se utilizan ampliamente para cortar y rectificar materiales duros y quebradizos, como hojas de sierra, brocas, herramientas de acabado y matrices de trefilado. Se utilizan habitualmente en industrias como el corte de piedra, el procesamiento 3C, la exploración geológica, la fabricación de automóviles y la industria de defensa.

Lectura relacionada: Herramientas de corte básicas

En la actualidad, las herramientas de diamante más utilizadas son las de diamante monocristalino (SD), las de diamante policristalino (PCD) y las de diamante herramientas revestidas (CVD).

Las herramientas de diamante monocristalino pueden fabricarse con diamantes monocristalinos naturales y artificiales. Las herramientas de diamante policristalino, en cambio, suelen fabricarse con diamantes sintéticos.

Las herramientas recubiertas de diamante se dividen en dos categorías en función del grosor del recubrimiento de diamante: herramientas de película gruesa de diamante (con un grosor de película de diamante superior a 300 µm) y herramientas de película de diamante (con un grosor de película de diamante inferior a 20 µm).

La figura 1 ilustra la clasificación de las herramientas diamantadas, y la figura 2 muestra algunas herramientas diamantadas comunes.

El proceso de convertir diamantes en herramientas diamantadas con propiedades específicas es una tecnología crucial. Este artículo resume los métodos actuales de preparación de herramientas de diamante y ofrece una visión general de los avances de la investigación en soldadura fuerte y por difusión de herramientas de diamante tanto a nivel nacional como internacional. También examina las perspectivas de futuro del diamante. tecnología de soldadura.

Fig.1 Clasificación de las herramientas diamantadas

Fig.2 Herramientas diamantadas de uso común

1. Principales métodos de preparación de herramientas diamantadas

Un solo diamante no es una herramienta adecuada por sí solo y debe unirse a materiales de gran tenacidad. Para fabricar herramientas de diamante se suelen utilizar métodos como la sinterización, la galvanoplastia, la soldadura fuerte y la soldadura por difusión.

El proceso de sinterización consiste en mezclar polvo de matriz y diamantes en una proporción específica y, a continuación, sinterizar a presión la mezcla en un horno de sinterización para producir herramientas de diamante.

Prensa caliente La sinterización es una técnica habitual para fabricar herramientas de diamante multicapa, como cabezales de corte de diamante, muelas abrasivas y sierras de hilo.

La matriz de diamante creada mediante sinterización tiene una baja fuerza de enlace con los diamantes y se incrustan más partículas de diamante dentro de la matriz. Este método se utiliza a menudo para cortar y rectificar materiales que son a la vez duros y quebradizos.

Las herramientas de diamante galvánico se fabrican utilizando el proceso galvánico para fijar las partículas de diamante al recubrimiento metálico depositado sobre el sustrato. Sin embargo, el metal de recubrimiento utilizado en estas herramientas tiene un agarre débil sobre los diamantes, lo que da lugar a una baja altura expuesta y una tendencia a que los granos abrasivos de diamante se desprendan bajo fuertes cargas de rectificado.

Por otro lado, las herramientas de diamante soldado se crean conectando diamantes y una matriz mediante soldadura fuerte. La unión entre el diamante y la matriz es fuerte y duradera, por lo que es menos probable que los diamantes se desprendan durante el uso.

Además, las herramientas de diamante soldadas presentan varias ventajas, como una gran altura expuesta de las partículas abrasivas (con un máximo teórico de más de 70% de altura de la partícula abrasiva), un amplio espacio para las virutas y una disipación eficaz del calor. Estas herramientas son capaces de soportar cargas pesadas y pueden utilizarse para un rectificado eficaz y de alta velocidad.

El método de soldadura fuerte para crear herramientas de diamante se patentó ya en 1975 y desde entonces ha atraído la atención de los investigadores tanto nacionales como internacionales. Se considera una tecnología prometedora para mejorar la conexión entre diamantes sintéticos.

La soldadura por difusión, por su parte, es un método de conexión en estado sólido que implica la difusión de átomos en la superficie de la zona de contacto a alta temperatura y presión, lo que da lugar a la combinación de átomos y a una conexión segura.

La soldadura por difusión en vacío suele realizarse a una temperatura de 0,6 a 0,8 veces la temperatura de fusión (Tm) del metal base que se está soldando. Este método es adecuado para materiales de soldadura con una gran diferencia en los coeficientes de dilatación térmica, como el carburo cementado y las láminas compuestas de PDC a las matrices de los postes de corte.

El cuadro 1 resume las ventajas e inconvenientes de los distintos métodos de preparación.

Cuadro 1 Comparación de varios métodos de preparación

Método de preparaciónVentajaDesventaja
Sinterización pulvimetalúrgicaEl método de preparación es maduro;
Funcionamiento sencillo del proceso;
Bajo coste de producción;
La mayoría son herramientas diamantadas multicapa.
Las partículas de diamante están distribuidas irregularmente y la altura expuesta es desigual;
La matriz metálica se envuelve mecánicamente con diamante, por lo que la fuerza de sujeción es débil y las partículas de diamante se desprenden con facilidad antes de tiempo.
GalvanoplastiaLa altura expuesta de las partículas de los brazos es relativamente constante.La profundidad de las partículas incrustadas en la matriz es de hasta 2/3, y la vida útil de la herramienta es corta.
Método de soldaduraFuerte adherencia entre el diamante y la matriz;
La altura expuesta de las partículas alcanza 2/3, y la vida útil es larga;
La distribución de las partículas en la matriz es controlable.
El rendimiento de la soldadura fuerte del diamante es deficiente;
Altos requisitos técnicos para el funcionamiento del proceso;
El diamante se grafitiza fácilmente.
Soldadura por difusiónLa parte inferior temperatura de soldadura es adecuado para materiales con gran diferencia de coeficiente de dilatación térmica.El coste de los equipos es elevado y el ámbito de aplicación es reducido.

2. Proceso de soldadura fuerte de herramientas diamantadas

En la actualidad, existen varios métodos de soldadura fuerte para las herramientas diamantadas, como la soldadura fuerte al vacío, la soldadura fuerte en horno, la soldadura fuerte en baño salino y la soldadura fuerte a la llama, soldadura lásersoldadura por resistencia, soldadura por inducción de alta frecuencia y vacío, etc.

La fuerza de adherencia de la herramienta de diamante es crucial para determinar su rendimiento y vida útil.

Para evitar la oxidación de la soldadura, las herramientas de diamante suelen soldarse en alto vacío o en un entorno de gas inerte.

Esto requiere un horno especializado que pueda mantener un entorno de soldadura al vacío o con protección de gas.

La soldadura fuerte en horno suele utilizar el calentamiento por radiación de resistencia para una distribución uniforme del calor, lo que permite la soldadura fuerte de herramientas de diamante con estructuras complejas o de gran tamaño.

Las herramientas diamantadas monocapa soldadas en vacío se utilizan principalmente en la fabricación de herramientas de reavivado, muelas abrasivas, herramientas para piedra y herramientas para vidrio.

Tanto la soldadura al vacío como la soldadura en horno son adecuadas para la producción en serie.

El gas de descomposición amoniaco se utiliza habitualmente en la soldadura fuerte en horno de atmósfera continua como agente reductor. Este método es conocido por su lenta velocidad de calentamiento, que da lugar a una distribución uniforme de la temperatura. La unión soldada producida es estéticamente agradable, de calidad fiable y tiene una superficie de pieza brillante. Además, este método tiene una alta eficiencia de producción y un bajo coste de soldadura.

Se aplica comúnmente en la producción de pequeñas hojas de sierra y herramientas diamantadas de formas especiales.

La soldadura fuerte en baño salino, por el contrario, tiene una temperatura baja y una velocidad de calentamiento rápida y uniforme, lo que conduce a un bajo grado de grafitización de los diamantes, haciéndola adecuada para la producción en serie.

Sin embargo, el proceso de soldadura fuerte en baño salino es engorroso y da lugar a fundentes residuales en la pieza tras la soldadura. Además, el proceso genera una gran cantidad de aguas residuales durante la limpieza, lo que contamina el medio ambiente. El equipo para la soldadura fuerte en baño salino también es caro, y el ciclo de producción es largo. Este método de soldadura fuerte de herramientas de diamante no se ajusta al concepto de fabricación ecológica.

La soldadura por llama, uno de los primeros métodos desarrollados, requiere equipos sencillos y ligeros y tiene un bajo coste de proceso con una amplia gama de fuentes de gas. Sin embargo, su temperatura de calentamiento es difícil de controlar, lo que ha provocado su eliminación gradual del mercado general.

Durante la soldadura por láser, el calentamiento local por el láser es rápido y el tiempo de exposición de los diamantes a altas temperaturas es corto, lo que da como resultado un bajo grado de grafitización. Este método tiene varias ventajas, entre las que se incluyen una alta eficacia de calentamiento, un fácil control de la temperatura, una pequeña zona afectada por el calor, la capacidad de procesar superficies complejas, una disposición ordenada de las partículas de diamante, un alto grado de automatización y un entorno de trabajo favorable.

Además, la soldadura fuerte por láser ayuda a evitar los efectos de proximidad y de piel de la soldadura fuerte por inducción de alta frecuencia cuando se sueldan piezas grandes y complejas. Sin embargo, el breve tiempo de calentamiento puede no permitir la formación de una capa de reacción continua o una capa de difusión entre las partículas abrasivas de diamante y el metal de aportación, o entre el metal de aportación y la matriz, lo que reduce la fuerza de retención del metal de aportación sobre las partículas de diamante.

La soldadura por resistencia se utiliza a menudo para soldar barras de bruñido y produce buenos calidad de la soldadura. Sin embargo, debido a la temperatura relativamente alta del cabezal de corte durante la proceso de soldaduraDebido a que la vida útil de los diamantes se ve afectada, este método no es muy utilizado en muchas empresas.

Por otra parte, la soldadura por inducción de alta frecuencia es conocida por su rápida velocidad de calentamiento, su alta eficacia de soldadura, su bajo coste de producción, su sencillo manejo, su baja intensidad de mano de obra y su capacidad para soldar diversos materiales. formas complejas y piezas de varios dientes. Cuando se combina con alimentación automática, protección atmosférica o soldadura por inducción al vacío, la unión tiene un buen aspecto y calidad de soldadura.

En conclusión, la soldadura por inducción es un método de soldadura prometedor para las herramientas de diamante.

3. Equipos de soldadura fuerte para herramientas diamantadas

3.1 Equipo del horno de soldadura al vacío

El horno de soldadura al vacío es el equipo más utilizado en la fabricación de herramientas diamantadas. Permite la producción por lotes y proporciona un proceso de funcionamiento estable y repetible.

Sin embargo, el horno de vacío tradicional tiene un espacio de cavidad limitado y la mayoría de los modelos domésticos sólo cuentan con una única cámara, por lo que sólo son adecuados para la producción a pequeña escala.

Gracias a los avances tecnológicos, se han desarrollado hornos de vacío multifuncionales, como los hornos de soldadura al vacío continuos, los hornos de soldadura al vacío por inducción y los hornos de soldadura al vacío de pared caliente.

3.2 Equipo completo para soldadura continua en atmósfera controlada

Tomando el horno túnel continuo de cinta de malla como representante, este tipo de equipo completo se utiliza ampliamente en recocido y procesos de tratamiento térmico brillante. El horno consta de zonas de alimentación, calentamiento, enfriamiento y descarga. Durante el proceso de soldadura fuerte, la pieza está protegida por una atmósfera de descomposición de amoníaco.

Este equipo ofrece varias ventajas, como el calentamiento continuo, el tiempo de calentamiento ajustable para la pieza de trabajo, la alta eficiencia de producción, la facilidad de producción en masa, la reducción de la intensidad de trabajo de los operarios y la automatización.

El equipo de soldadura continua en atmósfera totalmente controlable integra diversas tecnologías profesionales, como las de la industria química, maquinaria, control y soldadura en horno eléctrico, proporcionando soporte técnico para la producción de soldadura automática, continua, de alta eficiencia, alta calidad y bajo coste en grandes cantidades.

3.3 Equipos de soldadura láser

La soldadura por láser es una tecnología de soldadura que utiliza un láser como fuente de calor, y el láser es su componente principal.

Según el tipo de materiales de trabajo, los láseres pueden clasificarse en varios tipos: láseres de gas (como los láseres de gas CO2), láseres líquidos, láseres semiconductores, láseres de estado sólido (como los láseres Nd:YAG), láseres de fibra, láseres de electrones libres, etc.

De ellos, los láseres de fibra han experimentado un rápido desarrollo y se utilizan ampliamente en diversos campos como las comunicaciones, la detección, el procesamiento de materiales por láser, etc.

La investigación futura sobre láseres de fibra se centrará en mejorar su eficiencia de conversión, calidad, estabilidad y hacerlos más compactos en tamaño.

Las áreas de investigación en láseres de fibra se centrarán en láseres de fibra de pulso ultracorto con ciclos de trabajo más pequeños, láseres de fibra de alta potencia y láseres de fibra de alta potencia. femtosegundo láseres de fibra de impulsos, láseres de fibra de salida de banda ancha y láseres de fibra sintonizables.

El rayo láser utilizado para soldar ha evolucionado de una forma de onda pulsada a una forma de onda continua.

Inicialmente, los láseres de estado sólido con salida de impulsos se utilizaban para soldar, pero en los últimos años se han popularizado los láseres continuos de gas CO2 de alta potencia y los láseres sólidos Nd: YAG como calor de soldadura fuentes.

El diamante tiene una menor capacidad de absorción de los rayos láser que el metal de aportación aleado, por lo que, para soldar herramientas de diamante, deben seleccionarse láseres de alta densidad de energía.

Cuando se utiliza un láser pulsado como calor de soldadura fuente, los parámetros del proceso son más complejos.

En la actualidad, la investigación sobre el diamante de soldadura fuerte por láser utiliza principalmente láseres continuos de CO2, pero la investigación en este campo es limitada.

3.4 Equipo de soldadura por inducción de alta frecuencia

El componente central de los equipos de soldadura por inducción de alta frecuencia es una fuente de alimentación de calentamiento por inducción.

Las fuentes de alimentación modernas para calentamiento por inducción están evolucionando hacia una mayor potencia, una frecuencia más alta y una mayor inteligencia.

En el futuro, el objetivo es desarrollar un sistema miniaturizado de alimentación eléctrica para calentamiento por inducción que sea adecuado para el funcionamiento sobre el terreno, altamente eficiente y que ahorre energía.

Debido al aumento del coste de la mano de obra en la fabricación de herramientas de diamante y a la necesidad de mejorar la estabilidad de la calidad de la soldadura de las herramientas de diamante, la soldadura automática por inducción se ha convertido en el método principal para soldar herramientas de corte de diamante.

La soldadura automática por inducción de herramientas diamantadas permite la división automática de los dientes, la identificación y selección automáticas de los cabezales de corte y el suministro automático de almohadillas de soldadura.

Este método ofrece una gran precisión de soldadura, uniones de soldadura fuertes y una larga vida útil. Un solo operario puede manejar varias máquinas, lo que reduce considerablemente los costes de mano de obra.

4. Mecanismo de soldadura fuerte de las herramientas diamantadas

El principio en el que se basan las herramientas de diamante para soldadura fuerte consiste en utilizar elementos con una gran afinidad por el carbono (como el titaniocromo, circonio, etc.) para producir carburos mediante una reacción química durante la soldadura fuerte, a fin de lograr una unión metalúrgica entre el diamante, el metal de aportación y la matriz.

Al soldar herramientas diamantadas, la tecnología y los materiales de soldadura son de suma importancia.

La soldadura fuerte del diamante es un reto porque es difícil que los metales de aportación comunes se adhieran a la superficie del diamante.

Actualmente, activo soldadura de metales o la metalización de la superficie del diamante son los principales métodos utilizados para mejorar el rendimiento de la soldadura fuerte entre el diamante y el metal.

4.1 Soldadura fuerte de metales activos

El método de soldadura fuerte con metal activo une diamantes incorporando al metal de aportación elementos activos como titanio, circonio, cromo y vanadio. Estos elementos, conocidos por formar fuertes carburos, reaccionan químicamente con el metal de aportación para formar carburos y un enlace metalúrgico entre el diamante y el metal de aportación. A continuación, el diamante se une al sustrato metálico a través del metal de aportación soldado.

Consulte la figura 3 para ver el diseño de la junta de diamante soldada con este método.

Fig.3 Junta diamantada de interfaz soldada

Las aleaciones que contienen Ti, como Ag Cu Ti y Cu Sn Ti, se utilizan habitualmente como soldaduras activas. Mientras tanto, las aleaciones Ag Cu Cr y Ni Cr que contienen Cr se sueldan utilizando gas inerte o vacío.

Debido a su afinidad química relativamente alta, el Ti, el Cr y el C desempeñan un papel importante en la formación de carburos, como el TiC y el Cr-C, en la interfaz. Esto es lo que conduce en última instancia a la conexión metalúrgica entre el diamante, el metal de aportación y la matriz.

4.2 Tratamiento de metalización de la superficie del diamante

El tratamiento de activación metálica de la superficie del diamante le confiere propiedades similares a las del metal, lo que facilita su unión con los rellenos metálicos.

El proceso de metalización de la superficie puede lograrse mediante varios métodos, como el chapado químico y la galvanoplastia, la evaporación al vacío, el pulverizado por plasma, el pulverizado por magnetrón, la deposición química en fase vapor, la deposición física en fase vapor y el recubrimiento mecánico.

El chapado químico y la galvanoplastia, así como la evaporación al vacío, son los métodos más utilizados.

Normalmente, para la metalización se seleccionan metales altamente activos como Ti, Cr, W y Mo.

El revestimiento metálico mejora la unión metalúrgica entre el diamante y la matriz, mejorando así la retención de las partículas de diamante en la matriz de la herramienta.

5. Soldadura fuerte para herramientas diamantadas

La resistencia de una unión o interfaz soldada viene determinada principalmente por dos elementos: el material de soldadura y el proceso de soldadura.

Las soldaduras tienen dificultades para humedecerse y extenderse sobre superficies de diamante, y el ángulo de humectación del níquel sobre superficies de diamante es limitado a altas temperaturas.

El cobre no humedece las superficies de diamante a altas temperaturas, pero su humectabilidad en superficies de diamante mejora significativamente cuando se añade titanio al cobre.

En la actualidad, los metales de aportación utilizados para la soldadura fuerte del diamante soldadura fuerte de herramientas pueden dividirse a grandes rasgos en dos categorías: Metales de aportación de aleación de alto punto de fusión basados en Ni (como Ni-Cr) y metales de aportación de aleación de bajo punto de fusión basados en Ag y Cu (como Cu-Sn-Ti, Ag-Cu-Ti y Ag-Cu-Cr).

5.1 Soldadura base níquel

La capa de metal de aportación a base de níquel utilizada en la soldadura fuerte tiene una gran dureza, una excelente resistencia a la corrosión, una extraordinaria resistencia al desgaste y un rendimiento superior a altas temperaturas, por lo que se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial.

Desde sus inicios, se han realizado numerosos estudios sobre las soldaduras a base de níquel, tanto en lo que respecta a sus propiedades básicas como a sus aplicaciones, y se ha prestado mucha atención a su desarrollo comercial.

Uno de los metales de aportación más utilizados para la soldadura fuerte de herramientas diamantadas es la aleación Ni-Cr.

Combinando las ventajas de las herramientas de diamante y de los metales de aportación a base de níquel, la soldadura fuerte con estos materiales da como resultado herramientas ideales para el corte de alta resistencia, el rectificado y el perforación.

En 1975, J.T. Lowder y sus colegas iniciaron una investigación sobre la soldadura fuerte de herramientas de diamante utilizando metales de aportación de aleación Ni-Cr.

Posteriormente, Wiand y otros investigaron el impacto de diferentes polvos metálicos (como Ni, Cr, B, Si, Fe, Mo, etc.) y parámetros de soldadura fuerte (temperatura, tiempo de mantenimiento, etc.) sobre la resistencia de los diamantes recubiertos con soldadura fuerte al vacío.

Un equipo de investigadores dirigido por K. Chatopadhyay en Suiza roció primero una llama de aleación de Ni-Cr sobre un sustrato de acero y, a continuación, utilizó soldadura por inducción para unir el diamante y el sustrato de acero bajo protección de argón. Estudiaron la relación entre la cantidad de metal de aportación y la humectabilidad y resistencia.

En China, Lin Zengdong y sus colegas utilizaron metales de aportación Ni-Cr-P para soldar herramientas de diamante y describieron el proceso de soldadura.

Los resultados indican que la temperatura de soldadura fuerte debe ser 50-100°C superior a la temperatura de fusión de la aleación de soldadura, el tiempo de mantenimiento debe ser breve y la altura del diamante expuesto es inversamente proporcional a la cantidad de soldadura utilizada.

Xiao Bing, Feng Bojiang y otros investigadores descubrieron que al soldar diamantes con un metal de aportación Ni-Cr, la interfaz presenta una estructura de doble capa, con una capa interna de Cr3C2 y una capa exterior de Cr7C3.

Lu Jinbin y su equipo demostraron que cuando se sueldan diamantes con un metal de aportación Ni-Cr, el Cr7C3 generado en la interfase adopta una morfología en forma de brote, mientras que el Cr3C2 adopta una morfología en forma de lámina.

5.2 Soldadura a base de cobre

El uso de metal de aportación a base de níquel para la soldadura fuerte tiene un inconveniente, ya que requiere un elevado temperaturas de soldadura que puede provocar la grafitización de los diamantes y perjudicar su estabilidad térmica.

Para aplicaciones que exigen un buen entorno de trabajo y una baja resistencia al desgaste, los metales de aportación a base de cobre o plata son una mejor elección, ya que reducen la grafitización de los diamantes.

En un estudio realizado por A. Khalid et al. de Pakistán, se utilizó un metal de aportación activo a base de cobre (Cu-14,3Sn-10,2Ti-1,5Zr) para conseguir la soldadura fuerte en vacío de diamantes.

La investigación descubrió que la interfaz entre el diamante y el metal de relleno producía una estructura de TiC de doble capa de 200 nm de grosor. Esta estructura consistía en partículas de TiC de 50-70 nm de grosor cerca del diamante y TiC columnar de 100-200 nm cerca del metal de aportación.

Con un aumento de la temperatura o del tiempo de reacción, el TiC columnar crece en el lado del metal de aportación, mientras que la capa de partículas de TiC en el lado del diamante permanece inalterada.

S. Buhl y sus colegas utilizaron el metal de aportación Cu-14,4Sn-10,2Ti-1,5Zr para lograr la soldadura fuerte de diamantes monocristalinos e investigaron la relación entre los parámetros de soldadura fuerte y la tensión residual y la resistencia de la articulación.

Al aumentar la temperatura de soldadura fuerte de 880 ℃ a 930 ℃, la resistencia al cizallamiento de las uniones de diamante disminuyó de 321 MPa a 78 MPa.

W. C. Li y sus colegas utilizaron la soldadura de aleación Cu-10Sn-15Ti para soldar diamantes a temperaturas de 925 ℃/5 min y 1050 ℃/5 min, formando una capa continua de TiC de aproximadamente 500 nm de grosor en la interfaz. S. F. Huang y sus colegas compararon los efectos de la soldadura fuerte al vacío y con láser en la microestructura de la interfaz del diamante utilizando el metal de aportación Cu-10Sn-15Ti.

En condiciones de vacío, la capa de transición de TiC es continua. Sin embargo, debido al breve tiempo de reacción durante la soldadura fuerte con láser, se producen menos productos de reacción en el diamante.

Meng Weiru y sus colegas de la Universidad Jiaotong de Xi'an utilizaron metales de aportación como BNi-2, BNi-7 y CuSnNiTi para conseguir la soldadura fuerte en vacío de herramientas de diamante.

Mediante comparación, se descubrió que el metal de aportación CuSnNiTi tenía una baja temperatura de fusión, buena humectabilidad en la superficie de diamante, causaba un daño térmico mínimo al diamante, tenía un alto poder de sujeción y era muy utilizable para herramientas de diamante.

5.3 Soldadura con base de plata

El metal de aportación para soldadura fuerte utilizado en las herramientas de diamante suele ser una aleación eutéctica de Ag y Cu con base de plata, a la que se añaden elementos activos como Ti y Zr. Esta aleación con base de Ag tiene un punto de fusión bajo y una buena capacidad de humectación con diamantes.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harbin, la Universidad de Yanshan, la Universidad de Tecnología de Harbin y la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing han realizado estudios sobre la soldadura fuerte de diamantes con metales de aportación basados en Ag y han llegado a una conclusión similar: en condiciones de soldadura fuerte, se produce una reacción química entre el Ti y el C, que da lugar a la formación de compuestos de TiC que crean un enlace metalúrgico entre el metal de aportación y el diamante.

El equipo del Laboratorio Estatal Clave de Soldadura Fuerte del Instituto de Investigación de Maquinaria de Zhengzhou Co., Ltd. analizó las soldaduras de Ag más utilizadas. Basándose en el papel y las características de elementos como Ag, Cu, Zn, Cd, Ni, Co y Mn en las soldaduras, se prepararon más de 10 soldaduras y se estudiaron su temperatura de fusión, resistencia y proceso de soldadura fuerte.

Se han desarrollado una serie de soldaduras adecuadas para la soldadura fuerte de herramientas PCD en diversas condiciones de trabajo. Sin embargo, el elevado coste del metal Ag y el alto coste de la soldadura fuerte debido a los estrictos requisitos del elemento Ti en cuanto al grado de vacío han limitado su aplicación.

Además, el agarre del metal de aportación al diamante es débil, por lo que es propenso a caerse durante su uso, limitando así su empleo en la soldadura fuerte con herramienta de diamante. Las soldaduras con base de plata se utilizan en casos excepcionales en los que se requiere una baja resistencia al desgaste. En la tabla 2 se comparan los pros y los contras de las distintas soldaduras.

Cuadro 2 Ventajas y desventajas de los distintos metales de aportación para soldadura fuerte

TipoVentajaDesventaja
Aleación Ni CrExcelente resistencia a la corrosión y a la oxidación. El Cr reacciona con el C en el diamante para formar Cr3C2 y Cr7C3, con gran fuerza de adherencia y alto poder de sujeción en el diamante.Cuando la temperatura de soldadura fuerte es superior a 1000 ℃, el diamante se grafitiza con facilidad y se producen daños térmicos.
Soldadura de aleación C-Sn TiCuando se genera TiC, el metal de aportación de soldadura fuerte puede realizar una conexión de alta resistencia con el diamante, la temperatura de soldadura fuerte es baja y el daño térmico al diamante es pequeño. La actividad del elemento Ti es elevada, y la soldadura fuerte requiere una atmósfera elevada.
Soldadura de aleación Ag Cu CrEl Cr y el C en el diamante forman el compuesto Cr-C, y el metal de aportación para soldadura fuerte tiene un alto poder de sujeción en el diamante.  La temperatura de soldadura debe ser inferior a 800 ℃ para evitar la grafitización y la oxidación del diamante;Una temperatura demasiado baja conduce a un tiempo de soldadura demasiado largo y al desperdicio de energía.
Soldadura de aleación Ag Cu TiSe genera TiC, y el metal de aportación de la soldadura fuerte se conecta metalúrgicamente con el diamante. La baja temperatura de soldadura fuerte no produce daños térmicos en el diamante. El contenido de Ag es alto y el coste de la soldadura es elevado; La actividad del elemento Ti es alta, y la soldadura fuerte requiere una atmósfera elevada.
Soldadura prealeada a base de CuMn y TiEl TiC se genera para lograr la unión del oro, y el poder de sujeción del diamante es alto. El grosor de la capa de TiC es grande o el TiC está distribuido de forma continua, lo que es fácil que produzca grietas y que las partículas de diamante se desprendan.

6. Conexión por soldadura por difusión de herramientas diamantadas

La soldadura por difusión tiene unas propiedades de unión comparables a las del metal base, por lo que es ideal para soldadura de materiales distintos. La difusión en vacío junta de soldadura presenta una gran resistencia, una excepcional estabilidad térmica y una sólida resistencia sísmica.

En la producción de herramientas diamantadas, la soldadura por difusión se utiliza habitualmente para conectar las brocas geológicas de PDC. Esto no sólo aumenta la calidad de la broca y mejora resistencia a la soldadurapero también aumenta la profundidad de metraje del bit.

La soldadura por difusión es un método eficaz para mejorar el rendimiento y prolongar la vida útil de las brocas de PDC. Varnado y sus colegas recubrieron PDC con una capa de 25-50 μm de espesor de níquel metálico y realizaron una soldadura por difusión en vacío a 650 ℃ y 214 MPa durante 4 horas, lo que dio como resultado una resistencia al cizallamiento de la unión de 413-551 MPa.

Qiu Huizhong y su equipo utilizaron la soldadura por difusión de presión unidireccional y la soldadura por difusión de presión isostática en caliente para lograr una conexión de alta resistencia entre el PDC y el pilar de carburo de tungsteno, cumpliendo los requisitos de las brocas de PDC.

La resistencia de la conexión entre el PDC y el carburo de tungsteno alcanzó aproximadamente 500 MPa a 680 ℃ con soldadura por difusión de presión unidireccional, y la soldadura por difusión de presión isostática en caliente garantizó la estabilidad y fiabilidad de los dientes de corte sin reducir significativamente la resistencia a la abrasión de la broca acabada. Las pruebas de campo han verificado la excelente calidad del producto.

Liu Jie y sus colegas realizaron una prueba de soldadura por difusión en vacío en brocas de PDC (compuestos de diamante policristalino) con el objetivo de resolver problemas y mejorar el rendimiento y la vida útil de estas brocas. Su estudio verificó la viabilidad de la soldadura por difusión en vacío para conectar los compuestos a las brocas.

Sun Fenglian y sus colegas utilizaron una combinación de soldadura por difusión y soldadura fuerte para conectar una gruesa película de diamante CVD (deposición química de vapor) a carburo de cemento. Utilizaron lámina de Ti y lámina de Ag Cu como material intercalado y realizaron el proceso de soldadura bajo calentamiento por radiación en vacío.

En la interfaz entre el diamante y la capa intermedia, se produjo una difusión mutua de los elementos C y Ti, lo que dio lugar a la formación del compuesto TiC.

Qiao Peixin y sus colegas mejoraron la conexión entre el diamante y la aleación matriz añadiendo polvo prealeado mediante sinterización por prensado en caliente al vacío. Descubrieron que esta conexión de soldadura por difusión mediante polvo prealeado es un método eficaz para mejorar las herramientas de diamante.

El proceso de soldadura por difusión es complejo y requiere mucho tiempo, y el equipo necesario es caro, por lo que los costes de soldadura son elevados.

En la actualidad, la soldadura por difusión en vacío se utiliza principalmente para soldar brocas geológicas de alta resistencia con exigentes requisitos de vibración, y aún no se ha aplicado a la producción en serie de herramientas diamantadas en general.

La soldadura fuerte y la soldadura por difusión poseen ventajas únicas en la conexión de materiales heterogéneos, como el carbono y el metal, debido a sus excepcionales características de proceso. Estos métodos están llamados a convertirse en un importante campo de investigación en el desarrollo de herramientas diamantadas.

La investigación sobre herramientas de diamante para soldadura fuerte está floreciendo y tiene numerosos enfoques. Actualmente, avanza hacia la automatización, la sostenibilidad, la integración de procesos y la atención a la calidad y la rentabilidad.

La soldadura por difusión de herramientas de diamante sigue estando limitada a conexiones de herramientas especiales y requiere un mayor desarrollo.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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