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銅基釬料真空釬焊金剛石的知識匯總

文章出處:超硬天地網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2017-09-11 10:45:00

金剛石;釬焊;化學冶金結合
  
  1前言
  
  目前工業中使用單層金剛石磨具大多采用電鍍制品,由于鍍層金屬與基體和磨料的結合界面不存在牢固的冶金化學結合,磨料只是被機械包埋鑲嵌在鍍層金屬中,因而把持力不大,在負荷較重的高效磨削作業中,磨具容易因磨粒脫落或鍍層成片剝落而導致整體失效,為增加把持力就必須增加鍍層厚度,其結果磨粒裸露高度和容屑空間減小,砂輪易堵塞。國外從20世紀90年代初期開始,研究用高溫釬焊替代電鍍開發新一代單層金剛石工具,其出發點就是希望能藉助高溫釬焊時在金剛石、釬料與母材界面上可能發生的諸如溶解、擴散、化合之類的相互作用從根本上改善磨料、 結合劑(釬料合金)和基體三者間的結合強度。高溫釬焊工藝可實現金剛石、結合劑(釬焊合金材料)和金屬基體界面上化學冶金結合,具有較高的結合強度,磨粒的裸露高度可達70%-80%,因而釬焊砂輪鋒利,容屑空間大,不易堵塞,磨料的利用更加充分。在與電鍍砂輪相同條件下,磨削力、功率消耗和磨削溫度更低。由于單層高溫釬焊金剛石砂輪具有較明顯的技術優勢,因而它在今后工業生產實踐中將成為傳統電鍍砂輪的換代產品,且具有節能環保的重要意義,并將產生巨大的社會經濟效益。
  
  金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能,不能被一般低熔點合金所浸潤,可焊性很差。研究發現,Al、Fe、Co在液態時能浸潤金剛石,但在能浸潤的溫度下,它們對金剛石的侵蝕都很嚴重。Ti,Cr,W,Mo等強碳化物活性元素能很好地浸潤金剛石,但其熔化溫度高達1600℃,在這個溫度下金剛石將嚴重石墨化 。所以尋找較低熔點的合金材料作為釬料,并考慮加入某些活性元素以改善對金剛石的浸潤性和親和性,達到既能黏接金剛石又能滿足基體力學性能好的目的是急需解決的問題。本文采用銅基合金釬料,就如何選擇低熔點釬料,對具體釬焊效果進行探討,并運用現代理化分析手段對結合面微結構進行分析,以驗證釬料與金剛石的化學冶金結合。
  
  2 試驗條件及工藝
  
  基體材料為45鋼,釬料為Cu2Sn2Ti合金。試驗釬料配比采用了A、B系兩個系列。再以A、B合金為基礎改變鈦的比例由5%~15%采用五個點進行實驗。釬焊中的金剛石無鍍膜,粒度為45/50目,均勻排布在合金釬料上。釬焊前對鋼基體和金剛石表面去油污處理。釬焊試驗在真空條件進行,釬焊溫度高于熔點30℃左右,保溫一定時間后,隨爐冷卻至室溫。
  
  測試分析方法:SEM及能譜在日本電子JSM25610LV鎢燈絲電子顯微鏡上進行;在濟南試金集團有限公司WDW-E100微機控制電子式萬能試驗機上進行強度試驗;釬料熔煉采用的是真空非自耗電弧爐進行的熔煉。
  
  3釬焊結果與分析
  
  2.1  金剛石與Cu2Sn2Ti合金間界面分析
  
  圖2為真空釬焊后Cu2Sn2Ti合金與金剛石結合形貌SEM、BSE圖。從圖1中可以看出金剛石邊緣被很多白色呈月牙型的合金包覆著,很明顯,Cu2Sn2Ti合金對金剛石磨粒表現出良好的浸潤性,這表明金剛石磨料與熔融釬料發生了潤濕反應。從圖中可以看出金剛石出露高度效果較為理想。如果當釬料層達到一定的厚度,由于毛細作用,整個金剛石磨粒將被釬料包裹起來。然而,金剛石與Cu2Sn2Ti合金之間是否有化學冶金反應發生,僅憑形貌觀察則無法確切判斷。此外,圖中可見釬焊后金剛石磨粒的晶形仍保持完整。無裂紋附加熱損傷現象。



  

  圖1  Cu2Sn2Ti焊接SEM、BSE圖象
  

  表1為金剛石表面的釬料成分能譜分析的結果。金剛石表面金屬中的Ti元素濃度明顯高于釬料本身的濃度,表明釬料中的Ti元素在釬焊溫度的作用下,從釬料中向金剛石表面擴散,并與金剛石中的元素結合生成碳化物 。


  

  表1  Cu2Sn2Ti釬料金剛石表面成分分布(wt%)

  

  為了進一步證明碳化物存在,對釬焊后的金剛石磨粒采用X射線衍射分析,確定了金剛石與釬料的焊接界面處新生化合物的存在形式。圖2為釬焊界面的X射線衍射結果。其中Ti的化合物有TiC、SnTi2C、TiCu和Cu2SnTi,而使得釬料與金剛石之間形成了冶 金連接的主要原因是新生化合物TiC、SnTi2C的形成,它是由釬料中的Ti和組成金剛石的C相結合而形成的。正是由于TiC、SnTi2C的形成,減小了金剛石與釬料的界面張力,相對提高了釬料的潤濕性。


  
  圖2  X射線衍射分析結果

  
  2.2  釬料與鋼基體的作用
  

  為了解在釬焊金剛石過程中,釬料的組織以及釬料與鋼基體的結合,對釬焊后的金剛石試樣作能譜線掃描分析如圖3。在兩者的界面有Ti元素富集,其他元素Cu、Sn在界面處的濃度梯度均呈現緩慢的過渡趨勢。釬焊過程中,釬料與鋼基體在釬焊溫度下發生組元間相互擴散,形成一個固相擴散區,當這個固相擴散區成分接近共晶成分時會出現液相,這時釬料與鋼基體在界面上一起熔化,在隨后的冷卻過程中,釬料與鋼基體聯生結晶,形成了固溶體及其化合物,從而實現釬料與鋼基體的高強度結合。

  

  圖3  釬焊后釬料與鋼基體線掃描

  
  2.3  釬焊工藝
  
  壓剪強度實驗方法:在真空條件下,釬焊過程中升溫10℃/min,保溫時間20min,然后隨爐冷卻。釬焊后采用如圖4所示的方式測試,壓頭下降速度為:1mm/min。強度測試結果如表2所示。


  

 

  
  圖4 強度試驗方法

  
  釬料合金的強度隨著鈦含量的增加而增大,在試驗過程中,斷裂發生在聚晶片于釬料的結合面,部分斷裂后在釬料表面分布著一層細小的金剛石,此處的金剛石為聚晶片中的金剛石微粉,也就是說,斷裂是發生在聚晶片中的金剛石微粉與填充料之間,在實際生產及使用過程中,釬料強度可能大于現在的測試結果。
  
  4 結論
  
  Cu-Sn-Ti合金是較理想的黏結劑,高溫下液相合金對金剛石完全潤濕;對金剛石有足夠的固結力黏結力;而且Ti可以與C反應生成TiC,釬料與金剛石形成冶金結合。
  
  (1)采用含有強碳化物形成元素Ti的合金釬料釬焊單層金剛石,釬料對金剛石的浸潤性好,碳化物形成元素在金剛石表面偏聚,使金剛石和釬料與基體之間產生化學冶金接合,提高了基體對金剛石的把持力。
  
  (2)銅基釬料釬焊后與鋼基體的實現高強度結合。
  
  (3)B5的最佳釬焊工藝是880℃~900℃,10min~15min即可達到工藝要求。

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