專利名稱：一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法，可以用于評價孕鑲釬焊 金剛石鉆頭中釬焊金剛石磨粒的制作質(zhì)量，對其釬焊金剛石磨粒冷卻過程中釬焊層開裂范 圍的評估、預測。
背景技術：
孕鑲釬焊金剛石工具由于金剛石與胎體結合強度較高而深受人們關注，但對于制 造釬焊金剛石顆粒，仍然存在質(zhì)量問題。實際制作及應用發(fā)現(xiàn)，雖然釬焊金剛石與胎體結合強度較好，但是少數(shù)釬焊金剛 石磨粒表面存在微小裂紋或引起金剛石穿晶破裂。實驗表明金剛石經(jīng)歷多次真空高溫過 程并不會產(chǎn)生裂紋或破裂；由于釬焊金剛石的釬料合金與金剛石的熱物性參數(shù)存在較大差 異，如熱膨脹系數(shù)相差較大，使得釬焊冷卻過程中變形收縮不一致產(chǎn)生較大的熱殘余應力， 拉裂釬焊金剛石外層的釬焊合金層，導致金剛石的破裂，降低釬焊后金剛石的質(zhì)量，從而降 低釬焊金剛石工具的使用壽命。為了解決這些問題，我們提出了一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法。由 于釬焊工藝過程以及材料熱物性參數(shù)隨著溫度變化的復雜性，利用彈性熱應力理論的數(shù)值 計算方法，進行釬焊合金層開裂進行評價和預測，能夠改進釬焊工藝及釬焊金剛石磨粒質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法。本發(fā)明能夠有 效地從理論上評價釬焊金剛石磨粒質(zhì)量，預測釬焊金剛石磨粒開裂的可能性，與實際評價 結果具有很好的一致性。本發(fā)明可以提高釬焊金剛石的質(zhì)量，改進釬焊金剛石磨粒的工藝 方法。本發(fā)明的技術方案大致如下包括如下幾個基本步驟(a)首先確立釬焊金剛石釬焊合金層開裂的評價指標； (b)建立釬焊金剛石的熱彈性數(shù)學模型；(c)采用相關軟件進行釬焊表層切應力編程計算 并提取數(shù)據(jù)；(d)進行數(shù)據(jù)處理分析釬焊金剛石釬焊合金層開裂的范圍。本發(fā)明能夠有效 從理論上評價釬焊金剛石質(zhì)量，預測釬焊金剛石開裂的可能性，與實際評價結果具有很好 的一致性。上述方案中，具體操作如下(a)釬焊金剛石釬焊合金層開裂標準是當釬焊合金層表層切向應力 >抗拉強度。(b)建立釬焊金剛石的熱彈性模型。基于金剛石顆粒半徑很小(一般小于0.4mm)， 顆粒形狀雖然較復雜，近似為球體，在釬焊爐加熱過程中釬焊金剛石顆粒溫度場是均勻的， 并按一定的降溫速度降溫，降溫溫差為AT，金剛石和鎳鉻合金均符合材料的連續(xù)、均勻和 各向同性的彈性力學相關規(guī)定。根據(jù)熱應力公式在(r,久的球坐標中，由于球?qū)ΨQ性，根據(jù)彈
3性力學有如下方程運動學平衡方程^ 幾何方程 廣義胡克定律方程 式中Or為徑向應力；0 0、 為切向應力；ε r為徑向應變；ε θ為切向應變；U為 徑向位移；r為半徑；E為楊氏模量；μ為泊松比。由于球?qū)ΨQ性，σ 0 = σ ρ、= ε 0。根據(jù)金剛石及釬焊合金層邊界條件及變形協(xié)調(diào)條件，得出釬焊金剛石合金層表層 切向應力滿足如下判據(jù) 式⑷中a為金剛石半徑，單位為mm ;t為釬焊合金層厚度，單位為mm ； α。α2 分別為金剛石、釬焊合金層熱膨脹系數(shù)，單位(IO-6K-1) ； μρ μ 2分別為金剛石、釬焊合金層 泊松比；Ei、E2分別為金剛石、釬焊合金層彈性模量，單位為(IO11Pa) ； ΔΤ為降溫溫差，單位 為V。(c)當釬料合金抗拉強度0(Ni_&)max—定時，釬焊合金層不開裂標準為 O0^O (Ni_&)max，即依據(jù)公式⑷計算開裂臨界判據(jù)。根據(jù)上述計算判據(jù)，若已知金剛石半徑及降溫溫差，對于各種材料的釬焊合金層， 若已知其材料屬性，在制作釬焊金剛石磨粒前，均可使用該公式進行釬焊合金層開裂的臨 界值計算，從而達到提高釬焊金剛石磨粒質(zhì)量的目的。本發(fā)明的評價方法，在制作釬焊金剛石磨粒前，能方便對釬焊金剛石磨粒合金層 開裂可能性進行快速預測，從而對釬焊工藝給予指導，減少釬焊金剛石磨粒開裂幾率，提高 釬焊金剛石磨粒的質(zhì)量，能用于不同粒度金剛石磨料、不同釬焊合金和釬焊溫度的釬焊合 金層開裂的評價和預測。


圖1不計碳化物層釬焊金剛石磨粒結構示意圖。圖2為釬焊合金層開裂區(qū)間圖。
具體實施例方式下面按實例詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。1、采用Ni-Cr合金為釬料制作釬焊金剛石磨粒，忽略過渡層。2、其中釬焊合金層Ni-Cr合金抗拉強度σ (Ni_&)max = 280_330Mpa。3、建立釬焊金剛石的熱彈性模型，基于金剛石顆粒半徑很小(一般小于0. 4mm)， 顆粒形狀雖然較復雜，近似認為球體，在釬焊爐加熱過程中釬焊金剛石顆粒溫度場是均勻 的，并按一定的降溫速度降溫，降溫溫差為△ T，金剛石和鎳鉻合金均符合材料的連續(xù)、均勻 和各向同性的彈性力學相關規(guī)定。釬焊金剛石磨粒簡化示意圖如附圖1。4、根據(jù)下表1提供金剛石及Ni-Cr合金相關熱物性參數(shù)，根據(jù)公式(4)采用 MATLAB軟件進行編程計算σ 0，提取不同釬焊層厚度t對應相同溫差下的σ 0。表1材料物性參數(shù) 表1為計算σ 0所需參數(shù)，其中Ε、μ、α分別為彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)。 由于金剛石在加熱冷卻過程中，基本不產(chǎn)生塑性變形，熱應力產(chǎn)生基本在釬料凝固后產(chǎn)生 的，所以表1中參數(shù)取低溫階段100°c -600°c之間穩(wěn)定數(shù)值進行計算。其中，金剛石半徑 0. 2mm，溫度由1000°C降至室溫(20°C )。忽略碳化物層，釬焊合金層厚度0-0. 5mm范圍變 化。5、令σ 0≥ο (Ni_Cr)max = 280-330Mpa時，為零；繪制三維圖形(如附圖2)，根據(jù)附 圖2，可以看出，在降溫溫差Δ T范圍為200°C-1000°C范圍內(nèi)，厚度t范圍為≤0. 2mm范 圍內(nèi)時，釬焊合金層表層σ 0會超過σ (Ni-&)max范圍，從而產(chǎn)生開裂。這種評價方法，對分析釬焊金剛石磨粒合金層開裂臨界范圍，制定完善釬焊金剛 石磨粒工藝有非常實用的指導意義。
權利要求
一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法，其特征在于包括以下步驟(a)首先確立釬焊金剛石釬焊合金層開裂的評價指標；(b)建立釬焊金剛石的熱彈性數(shù)學模型；(c)采用相關軟件進行釬焊表層切應力編程計算并提取數(shù)據(jù)；(d)進行數(shù)據(jù)處理分析釬焊金剛石釬焊合金層開裂的范圍。
2.按權利1所述，其特征在于(a)釬焊金剛石釬焊合金層開裂標準是當釬焊合金層表層切向應力 >抗拉強度，本專利釬焊合金層鎳鉻合金抗拉強度o(Ni-Cr)ir=280MPa-330MPa ；(b)建立釬焊金剛石的熱彈性模型，基于金剛石顆粒半徑很小(一般小于0. 4mm)，顆粒 形狀雖然較復雜，近似為球體，在釬焊爐加熱過程中釬焊金剛石顆粒溫度場是均勻的，并按 一定的降溫速度降溫，降溫溫差為AT，金剛石和鎳鉻合金均符合材料的連續(xù)、均勻和各向 同性的彈性力學相關規(guī)定；根據(jù)熱應力公式在(r,《約球坐標中，由于球?qū)ΨQ性，根據(jù)彈性力學有如下方程 運動學平衡方程| + - )=0公式⑴ dr r幾何方程duw . xsr 二了 , —公式(2) drr廣義胡克定律方程 =去[(1_")( n)]￡j式中為徑向應力；0 0、 為切向應力；、為徑向應變；￡ 0為切向應變；U為徑向 位移；r為半徑；E為楊氏模量；y為泊松比；由于球?qū)ΨQ性，o 0 = 0 ,，、= ￡ 0 ；根據(jù)金剛石及釬焊合金層邊界條件及變形協(xié)調(diào)條件，得出釬焊金剛石合金層表層切向 應力滿足如下判據(jù)公式(3)_ 3a3 (a2 -a,)M l(t2 +3a2 +3at)i+ —~2//2)g31^2A ,' E2(t2 + 3a2 +3at)i(l + //2)(g + f)3 2E2(t2 +3a2 +3at)i+<a,(M-Cr)max 公式⑷式(4)中a為金剛石半徑，單位為mm ;t為釬焊合金層厚度，單位為mm; a p a 2分別 為金剛石、釬焊合金層熱膨脹系數(shù)，單位為(lO—H ； i^、分別為金剛石、釬焊合金層泊 松比；Ei、E2分別為金剛石、釬焊合金層彈性模量，單位為(10"Pa) ； AT為降溫溫差，單位 為。C ；(c)采用MATLAB編程軟件進行計算0 0，分析a為定值時，提取t與A T對應釬焊合金 層切向應力數(shù)據(jù)，得出開裂厚度范圍。全文摘要
本發(fā)明涉及一種釬焊金剛石磨粒合金層開裂的評價方法。包括如下幾個基本步驟1)首先確立釬焊金剛石熱損傷的評價指標；2)建立釬焊金剛石磨粒熱彈性數(shù)學模型；3)采用特定軟件進行數(shù)據(jù)處理，分析釬焊金剛石開裂的范圍。本發(fā)明能夠有效地從理論上評價釬焊金剛石質(zhì)量，預測不同金剛石粒度、不同釬焊合金和釬焊溫度的釬釬焊金剛石開裂的可能性，與實際評價結果具有很好的一致性。本發(fā)明可以提高釬焊金剛石質(zhì)量，改進釬焊金剛石工藝方法。
文檔編號G06F17/50GK101859337SQ201010192418
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權日2010年6月4日
發(fā)明者余慶玲, 卜長根, 葉赟, 曾輝 申請人:中國地質(zhì)大學(北京)