CuMn基含Ti预合金钎焊金刚石的结合界面分析

收稿日期：2006 - 07 - 19 基金项目：陕西省工业攻关资助项目（2005K06 - G8） !参加此项研究工作的还有憨 勇
不可 避 免 地 造 成 热 损 伤。 市 售 的 BNi7 钎 料 在 950 C时虽对 金 刚 石 的 湿 润 性 很 好，但 发 现 在 金 刚 石与钎料间的结 合 界 面 内 易 出 现 裂 纹，从 而 降 低 了 结 合 强 度［4］。 AgCuTi 合 金 的 钎 焊 温 度 较 低（ 约 780 C），是钎 焊 制 造 金 刚 石 制 品 理 想 的 钎 料，但 仅 限 于 薄 带 状 使 用 ，迄 今 未 见 市 售 的 粉 体 材 料 ，且 因 使 用高 含 量 的 Ag 元 素（72 % 以 上 ），大 大 增 加 了 成 本［5］。 另 外 ，从 胎 体 材 料 的 组 成 看 ，目 前 所 使 用 的 胎 体 材 料 多 为 单 质 元 素 粉 末 ，这 些 粉 末 熔 点 大 不 相 同 ， 在 后 期 制 作 烧 结 温 度 相 同 时 ，无 法 完 全 合 金 化 ，且 胎 体 成 分 也 难 以 均 匀 ，制 约 了 金 刚 石 制 品 的 升 级 换 代 。 近年人们开始重视胎体粉末的预合金化问题。由于 预 合 金 是 预 先 熔 炼 合 成 ，然 后 才 制 成 粉 末 的 ，所 以 每 颗粉末中都包含了组成合金所需的各种金属元素， 这比机械混合多 种 单 一 金 属 粉 末 要 均 匀 得 多，且 预 合 金 化 粉 末 烧 结 温 度 低 ，流 动 性 好 ，能 有 效 调 整 胎 体 耐磨性，提高 胎 体 对 金 刚 石 的 把 持 能 力［6 - 8］。 法 国 Eurotungstene 公 司 研 制 的 NEXT 预 合 金 粉 末、德 国 Fritsch 公司研制的 Diabase 预合金粉末、比利时 Umicore 公司研 制 的 Cobaiite 系 列 预 合 金 粉 末 都 已 经 以 优 异 性 能 广 泛 应 用 于 金 刚 石 工 具 生 产［9］。 但 目 前 对 预合金粉末的研 究 主 要 集 中 在 粉 末 的 配 比 上，关 于 预合金粉末与金刚石界面的微观结构及其作用机制 尚未见报道。
续岛状白色物 质，借 助 EDAX 能 谱 仪 对 这 些 白 色 物 质做成分分析。
由!区成分分析结果可知这些白色物质含有 Ti 元素和 C 元 素，结 合 上 述 XRD 分 析 结 果，可 以 判 定 该白 色 岛 状 分 布 的 物 质 为 TiC，正 是 由 于 TiC 的 生 成，使得金属胎 体 与 金 刚 石 形 成 化 学 冶 金 结 合。 从 "区成分分析结果可知白色岛状物质以外的黑色区 域为金刚石，说明 TiC 是断续的分布于金刚石表面。 由图 6 还可以 看 出 TiC 具 有 一 定 的 厚 度，由 于 它 是 一种硬脆相，如 果 TiC 较 厚 且 连 续 均 匀 的 分 布 于 金 刚石表面，则在切 割 过 程 中 当 金 刚 石 颗 粒 受 到 冲 击 时 ，容 易 在 其 与 金 刚 石 界 面 处 产 生 裂 纹 ，使 金 刚 石 颗 粒脱落，因此 TiC 不 能 太 厚 且 不 能 连 续 分 布 于 金 刚 石表面，故还须 探 讨 控 制 TiC 厚 度 及 分 布 状 态 的 方 法。
鉴于 此，试 制 了 以 CuMn 合 金 为 基 的 含 Ti 元 素 预 合 金 粉 末 ，并 用 其 作 为 结 合 剂 ，在 粗 真 空 钎 焊 条 件 下对金刚石与 结 合 剂 的 粘 结 状 况 及 Ti 原 子 的 扩 散 机理进行了分析，为 预 合 金 粉 末 在 金 刚 石 工 具 中 的 工业应用提供理论和试验依据。
Fig . 4
图 4 溶解后的金刚石 Surface morphology of diamond grits，whose bonding matrix has been leached away with HNO3
为了检测金刚石与预合金粉末烧结后是否在界 面微区发生化学 冶 金 反 应，对 溶 解 出 的 金 刚 石 进 行 X 射线衍射分析，如图 5 所示，可以看出金刚石表面 有 TiC 存在，说明预合 金 粉 末 中 的 Ti 原 子 与 金 刚 石
2 试验结果与分析
2.1 预合金粉末形貌分析 图 1 为用高纯氩气雾化法自制预合金粉末的形
貌照片，从中看出粉末颗粒呈球状，粒径 小 于30 !m， 能谱分析显示制得的预合金粉末的成分与设计的成 分基本一致，成分也比较 均 匀，现 有 研 究 表 明［10］，粉 末均一的合金化结构有利于降低烧结致密化温度， 提高致密性和均 匀 性，从 而 改 善 金 刚 石 工 具 胎 体 的 磨损状态，同时提 高 胎 体 对 金 刚 石 的 包 镶 能 力 和 抗 冲击性能；均一微 结 构 还 能 防 止 人 工 混 料 时 的 混 合 不 均 匀 ，从 而 防 止 低 熔 点 金 属 过 早 流 失 与 偏 析 ，利 于 产品的质量稳定。
图 7 为金刚 石 与 胎 体 金 属 界 面 处 元 素 Ti 的 线 扫 描 图 ，可 见 ，在 金 刚 石 与 胎 体 之 间 的 界 面 微 区 有 很 明显的 Ti 元素谱线，说明元素 Ti 在金刚石与胎体界 面处富 集，Ti 原 子 在 烧 结 过 程 中 向 金 刚 石 表 面 扩 散，与金刚石界面层反应生成 TiC。
图 2 预合金粉末的 DSC 曲线 Fig .2 DSC curve of prealloyed powder
2.2 预合金与金刚石界面分析 图 3 为试样 的 断 口 形 貌，可 以 看 出 金 刚 石 与 胎
体间无明显缝隙，表 明 预 合 金 胎 体 能 够 很 好 地 把 持 金刚石。另外在金刚石表面上明显看到黏附有一层 物 质 ，为 分 析 这 层 黏 附 物 质 ，将 烧 结 试 样 浸 泡 合 金 溶 解 掉，如图 4 所示。
第 28 卷 第 6 期 2007年6月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Voi . 2 8 No . 6 June 2 0 0 7
Cumn 基含 Ti 预合金钎焊金刚石的结合界面分析
袁 洁， 赵 宁， 南俊马， 徐可为!
（西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室，西安 710049）
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1 试验材料与方法
焊接学报 铺展性能。
第 28 卷
采用 HERMIGA100 / 30VIR 型高压雾化设备制 备 预合 金 金 属 粉 末，雾 化 气 体 为 高 纯 氩 气。 用 SETARAM labsysTM型 高 温 差 示 扫 描 量 热 分 析 仪（ DSC） 测定预合金粉末 的 熔 点。 将 粉 末 与 金 刚 石（粒 径 约 0 . 25 ~ 0 . 30 mm，浓度 为 25 ）按 一 定 比 例 混 合 均 匀 后置 入 模 具 中 在 粗 真 空 钎 焊 工 艺 条 件（ 真 空 度 1 X 103 pa，温 度 1 151 K，升 温 速 度 80 K / min，压 力 35 Mpa，保温时间5 min）下烧结制 成40 mm X 4 mm X 8 mm的试样，钎焊 设 备 为 TLZK2001 型 真 空 钎 焊 炉。 用 JSM 5610LV 扫描电镜（SEM）及 EDAX 能 谱 仪 研 究预合金 胎 体 材 料 与 金 刚 石 之 间 的 成 分 及 结 合 状 况，用 XRD 7000S 型 X 射线 衍 射 仪 分 析 结 合 界 面 的反应产物。
图 3 金刚石试样的断口形貌 Fig .3 Fracture morphologies of diamond samples
图 1 预合金粉末形貌 Fig .1 Morphologies of prealloyed powder
图 2 为粉末的 DSC 曲 线，可 知 该 粉 末 的 熔 点 在 1 151 K左右，低 于 金 刚 石 的 碳 化 温 度，在 此 温 度 下 烧结能实现液相 烧 结，有 利 于 提 高 金 刚 石 制 品 的 致 密 度 和 强 度。 另 外，通 过 试 验 观 察 发 现，在 该 温 度 下，预合金粉末熔 化 后 在 石 墨 表 面 具 有 良 好 的 流 动
摘 要：设计并用气雾化法 试 制 以 CuMn 为 基 的 含 Ti 预 合 金 粉 末，以 此 为 粘 结 胎 体 在 粗真空钎焊条件下制备 金 刚 石 复 合 材 料，考 察 预 合 金 与 金 刚 石 之 间 的 界 面 结 合 状 况。 钎焊制备的主要依据是经差 热 分 析 测 定 的 预 合 金 熔 点（ 约 为 1 151 K）和 试 验 定 性 观 测 的流动性及铺展性。结果表明，在试验条件下伴随界面两侧成分的迁移变化，预 合 金 胎 体中的 Ti 原子与金刚石表层的 C 原 子 发 生 化 学 反 应 并 生 成 TiC，且 呈 非 连 续 岛 状 分 布 于 金 刚 石 表 面 ，这 有 助 于 提 高 金 刚 石 的 把 持 力 。 关键词：钎焊；结合界面；含 Ti 预合金粉末；冶金结合；金刚石 中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：0253 - 360X（2007）06 - 069 - 04
第6期
袁 洁，等：CUMD 基含 Ti 预合金钎焊金刚石的结合界面分析
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表面的 C 原子发生了化学反应。
图 5 金刚石表面 X 射线衍射图 Fig .5 X-ray diffraction pattern on diamond surface
为进一步观察 TiC 在金刚石 表 面 上 的 形 态 及 其 分 布 状 况 ，将 溶 解 出 的 金 刚 石 在 扫 描 电 镜 下 观 察 ，结 果见图 6，可以看出，沿金刚石表面 外 延 生 长 有 非 连
袁洁
0序 言
金刚石工具常用的制造方法是以金属粉末作为 结合 剂，混 入 金 刚 石 颗 粒，经 成 形、烧 结 获 得。 结 合 剂对金刚石颗粒的把持力是影响金刚石工具使用寿 命、切割效率等 性 能 的 最 关 键 因 素 之 一。 由 于 金 刚 石具有很高的化 学 惰 性，使 得 普 通 金 属 结 合 剂 与 金 刚石之间较难形 成 化 学 冶 金 结 合，而 是 以 机 械 镶 嵌 作用把持金刚石，因 而 在 切 割 过 程 中 金 刚 石 容 易 脱 落，缩短了 金 刚 石 工 具 的 使 用 寿 命，降 低 了 加 工 效 率。因此，如何改 善 结 合 剂 与 金 刚 石 间 的 界 面 结 合 状态，提高结合剂 对 金 刚 石 的 把 持 力 是 金 刚 石 工 具 制造中的核心问 题。 文 献［1］通 过 金 刚 石 表 面 金 属 化来提高基体与 金 刚 石 的 界 面 结 合 力，旨 在 通 过 金 刚 石 表 面 改 性 ，即 给 金 刚 石 外 表 镀 覆 各 种 金 属 层 ，以 增强胎体金属对 金 刚 石 表 面 的 浸 润 性，减 轻 金 刚 石 的热损伤，但仅仅 是 在 金 刚 石 表 面 包 裹 了 一 薄 层 金 属 衣 ，其 间 并 没 有 生 成 金 属 碳 化 物 过 渡 层 ，这 种 机 制 仍以机械包镶 为 主。 文 献［2，3］直 接 在 单 质 粉 末 中 添加碳化物形成元素（Ti，Cr，Zr，V 等）来提 高 结 合 剂 对磨料的把持能 力，虽 然 这 些 元 素 能 很 好 地 浸 润 金 刚石，但其熔化温 度 较 高，为 寻 求 冶 金 结 合，必 须 使 其达到熔融或半 熔 融 状 态，这 将 增 大 金 刚 石 石 墨 化 倾向，至少不同 程 度 影 响 了 金 刚 石 自 身 的 强 度。 目 前国内使用的 NiCrBSi 钎 料 虽 对 金 刚 石 具 有 较 高 的 把持 强 度，但 其 钎 焊 温 度 达 到 1 080 C ，会 对 金 刚 石