铜基钎料真空钎焊金刚石
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1 试验条件及工艺
基体材料为 45钢 ,钎料为 Cu2Sn2Ti合金 。试验钎 料配比采用了 A、B 系两个系列 。再以 A、B 合金为基 础改变钛的比例由 5% ～15%采用五个点进行实验 。 钎焊中的金刚石无镀膜 ,粒度为 45 /50目 ,均匀排布在 合金钎料上 。钎焊前对钢基体和金刚石表面去油污处 理 。钎焊试验在真空条件进行 ,钎焊温度高于熔点 30 ℃左右 ,保温一定时间后 ,随炉冷却至室温 。
( 3. Gu i L in M inera ls and Geology R esea rch Institu te, Gu ilin 541004, Ch ina)
Abstract The high2strength bonding between diamond grit and steel matrices was realized by using a Cu2based alloy under controlled brazing conditions. The interface between the Cu2based alloy and diamond grit was analyzed by using scanning electronic m icroscopes and X—ray diffraction. The formation mechanism of carbide layers was discussed. Testing results show that the Ti element in the alloy is accumulated onto diamond surface and reacts w ith C element the surface to form all TiC layer. A s a result, metallurgical bonding is p roduced between the alloy and the diamond grit. Keywords diamond grit; brazing; metallurgical bonding
Exper im en ta l research on vacuum braz ing of d iam ond w ith active Cu2ba sed a lloy
L iu X inyu1 Zha ng Ha nche ng1 L i Do ngp ing2, 3 ( 1. Gu ilin U n iversity of E lectron ic Technology , Gu ilin Guangx i 541004, Ch ina) ( 2. N a tiona l S pecia l M inera l M a teria l Eng ineering R esea rch Cen ter; Gu ilin; Guangx i 541004, Ch ina)
强度 钎焊温度
/M Pa
/℃
强度 钎焊温度
/M Pa
/℃
强度 /M Pa
1
950 114. 45064 950 116. 44108 950 110. 35068
2
910 115. 34634 950 118. 27229 910 111. 25893
3
910 116. 83917 910 119. 32723 910 112. 59632
4
880 117. 15764 910 122. 09395 880 114. 56283
5
880 121. 8949 880 123. 50717 880 117. 26513
钎料合金的强度随着钛含量的增加而增大 ,在试 验过程中 ,断裂发生在聚晶片于钎料的结合面 ,部分断
裂后在钎料表面分布着一层细小的金刚石 ,此处的金 刚石为聚晶片中的金刚石微粉 ,也就是说 ,断裂是发生 在聚晶片中的金刚石微粉与填充料之间 ,在实际生产 及使用过程中 ,钎料强度可能大于现在的测试结果 。
为了解在钎焊金刚石过程中 ,钎料的组织以及钎 料与钢基体的结合 ,对钎焊后的金刚石试样作能谱线 扫描分析如图 3。在两者的界面有 Ti元素富集 ,其他 元素 Cu、Sn在界面处的浓度梯度均呈现缓慢的过渡趋 势 。钎焊过程中 ,钎料与钢基体在钎焊温度下发生组
28
金刚石与磨料磨具工程
总第 159期
元间相互扩散 ,形成一个固相扩散区 ,当这个固相扩散 区成分接近共晶成分时会出现液相 ,这时钎料与钢基 体在界面上一起熔化 ,在随后的冷却过程中 ,钎料与钢 基体联生结晶 ,形成了固溶体及其化合物 ,从而实现钎 料与钢基体的高强度结合 [ 9 ] 。 2. 3 钎焊工艺
wk.baidu.com
第 3期
刘心宇等 :铜基钎料真空钎焊金刚石
27
的技术优势 ,因而它在今后工业生产实践中将成为传 统电镀砂轮的换代产品 ,且具有节能环保的重要意义 , 并将产生巨大的社会经济效益 。
金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面 能 ,不能被一般低熔点合金所浸润 , 可焊性很差 。研 究发现 , A l、Fe、Co 在液态时能浸润金刚石 , 但在能浸 润的温度下 , 它们对金刚石的侵蚀都很严重 。 Ti, Cr, W ,Mo等强碳化物活性元素能很好地浸润金刚石 ,但 其熔化温度高达 1600 ℃,在这个温度下金刚石将严重 石墨化 [ 4 ] 。所以寻找较低熔点的合金材料作为钎料 , 并考虑加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和 亲和性 ,达到既能黏接金刚石又能满足基体力学性能 好的目的是急需解决的问题 。本文采用铜基合金钎 料 ,就如何选择低熔点钎料 ,对具体钎焊效果进行探 讨 ,并运用现代理化分析手段对结合面微结构进行分 析 ,以验证钎料与金刚石的化学冶金结合 [ 5、6 ] 。
(1. 桂林电子科技大学 ,广西 桂林 541004) (2. 国家特种矿物材料工程技术研究中心 ,广西 桂林 541004)
(3. 桂林矿产地质研究院 ,广西 桂林 541004)
摘 要 采用铜基合金钎料 ,适当控制钎焊工艺 ,实现了金刚石与钢基体的高强度连接 。借助扫描电镜 ( SEM ) 、X 射线 能谱 ( EDS) 、X 射线衍射 (XRD )分析了真空加热条件下 ,对铜基合金钎料与金刚石之间的界面反应 ,钎焊面进行了表面 形貌和结构分析 。探讨了钎料与金刚石界面处碳化物的形成机理 。阐明了在钎焊过程中 Ti元素在金刚石界面形成富 Ti层并与金刚石表面的 C元素反应生成 TiC、SnTi C是实现合金层与金刚石有较高结合强度的主要因素 。钎料与钢基体 在钎焊温度下发生组元间相互扩散 ,形成了固溶体及其化合物 ,从而实现钎料与钢基体的高强度结合 ,并对一系列铜基 钎料进行了测试 。 关键词 金刚石 ;钎焊 ;化学冶金结合 中图分类号 TG454、TQ164 文献标识码 A
编号
C
Ti
Sn
Cu
1
33. 35
29. 48
5. 42
31. 75
2
10. 13
24. 77
10. 81
54. 26
3
7. 6
18. 33
12. 38
61. 69
4
6. 53
11. 88
17. 36
64. 41
5
5. 46
3. 84
19. 01
71. 69
为了进一步证明碳化物存在 ,对钎焊后的金刚石 磨粒采用 X射线衍射分析 ,确定了金刚石与钎料的焊 接界面处新生化合物的存在形式 。图 2为钎焊界面的 X射线衍射结果 。其中 Ti的化合物有 TiC、SnTi2C、 TiCu和 Cu2SnTi,而使得钎料与金刚石之间形成了冶 金连接的主要原因是新生化合物 TiC、SnTi2C的形成 , 它是由钎料中的 Ti和组成金刚石的 C相结合而形成 的 。正是由于 TiC、SnTi2C的形成 ,减小了金刚石与钎 料的界面张力 ,相对提高了钎料的润湿性 。 2. 2 钎料与钢基体的作用
一代单层金刚石工具 ,其出发点就是希望能藉助高温 钎焊时在金刚石 、钎料与母材界面上可能发生的诸如 溶解 、扩散 、化合之类的相互作用从根本上改善磨料 、 结合剂 (钎料合金 )和基体三者间的结合强度 [ 1 ] 。高 温钎焊工艺可实现金刚石 、结合剂 (钎焊合金材料 )和 金属基体界面上化学冶金结合 ,具有较高的结合强度 , 磨粒的裸露高度可达 70% - 80% ,因而钎焊砂轮锋 利 ,容屑空间大 ,不易堵塞 ,磨料的利用更加充分 。在 与电镀砂轮相同条件下 ,磨削力 、功率消耗和磨削温度 更低 [ 2、3 ] 。由于单层高温钎焊金刚石砂轮具有较明显
测试分 析 方 法 : SEM 及 能 谱 在 日 本 电 子 JSM 2 5610LV钨灯丝电子显微镜上进行 ;在济南试金集团有 限公司 WDW - E100微机控制电子式万能试验机上进 行强度试验 ; 钎料熔炼采用的是真空非自耗电弧炉进 行的熔炼 。
2 钎焊结果与分析
2. 1 金刚石与 Cu2Sn2Ti合金间界面分析 图 2为真空钎焊后 Cu2Sn2Ti合金与金刚石结合形
貌 SEM、BSE图 。从图 1 中可以看出金刚石边缘被很 多白色呈月牙型的合金包覆着 ,很明显 , Cu2Sn2Ti合金 对金刚石磨粒表现出良好的浸润性 ,这表明金刚石磨 料与熔融钎料发生了润湿反应 。从图中可以看出金刚 石出露高度效果较为理想 。如果当钎料层达到一定的 厚度 ,由于毛细作用 ,整个金刚石磨粒将被钎料包裹起 来 。然而 ,金刚石与 Cu2Sn2Ti合金之间是否有化学冶 金反应发生 ,仅凭形貌观察则无法确切判断 。此外 ,图 中可见钎焊后金刚石磨粒的晶形仍保持完整 。无裂纹 附加热损伤现象 。
图 1 Cu2Sn2Ti焊接 SEM、BSE图象
表 1为金刚石表面的钎料成分能谱分析的结果 。 金刚石表面金属中的 Ti元素浓度明显高于钎料本身
的浓度 ,表明钎料中的 Ti元素在钎焊温度的作用下 , 从钎料中向金刚石表面扩散 ,并与金刚石中的元素结 合生成碳化物 [ 8 ] 。
表 1 Cu2Sn2Ti钎料金刚石表面成分分布 (w t% )
2007年 6月 总第 159期 第 3期
金刚石与磨料磨具工程 D iamond & Abrasives Engineering
文章编号 : 1006 - 852X (2007) 03 - 0026 - 03
June. 2007 Serial. 159 No. 3
铜基钎料真空钎焊金刚石
刘心宇 1 张汉城 1 李东平 2, 3
4 结论
Cu - Sn - Ti合金是较理想的黏结剂 ,高温下液相 合金对金刚石完全润湿 ;对金刚石有足够的固结力黏 结力 ;而且 Ti可以与 C反应生成 TiC,钎料与金刚石形 成冶金结合 。
(1)采用含有强碳化物形成元素 Ti的合金钎料钎 焊单层金刚石 ,钎料对金刚石的浸润性好 ,碳化物形成 元素在金刚石表面偏聚 ,使金刚石和钎料与基体之间 产生化学冶金接合 ,提高了基体对金刚石的把持力 。
压剪强度实验方法 :在真空条件下 ,钎焊过程中升 温 10 ℃ /m in,保温时间 20 m in,然后随炉冷却 。钎焊 后采用如图 4 所示的方式测试 , 压头下降速度为 : 1 mm /m in。强度测试结果如表 2所示 。
图 4 强度试验方法 表 2 钎料强度关系表
A
B
C
序号 钎焊温度 /℃
0 前言
目前工业中使用单层金刚石磨具大多采用电镀制 品 ,由于镀层金属与基体和磨料的结合界面不存在牢 固的冶金化学结合 ,磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层 金属中 ,因而把持力不大 ,在负荷较重的高效磨削作业 中 ,磨具容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体 失效 ,为增加把持力就必须增加镀层厚度 ,其结果磨粒 裸露高度和容屑空间减小 ,砂轮易堵塞 。国外从 20世 纪 90年代初期开始 ,研究用高温钎焊替代电镀开发新
(2)铜基钎料钎焊后与钢基体的实现高强度结 合。
(3) B5 的最佳钎焊工艺是 880 ℃～900 ℃, 10 m in～15 m in即可达到工艺要求 。
参考文献
1 Sung C M. B razed diamond d: a revolutionary design for diamond with N i2 Cr hardfacing alloy under a n atmosphere[ J ]. Surface and Coating Tech2 nology, 1991 ( 45) : 293～298
基体材料为 45钢 ,钎料为 Cu2Sn2Ti合金 。试验钎 料配比采用了 A、B 系两个系列 。再以 A、B 合金为基 础改变钛的比例由 5% ～15%采用五个点进行实验 。 钎焊中的金刚石无镀膜 ,粒度为 45 /50目 ,均匀排布在 合金钎料上 。钎焊前对钢基体和金刚石表面去油污处 理 。钎焊试验在真空条件进行 ,钎焊温度高于熔点 30 ℃左右 ,保温一定时间后 ,随炉冷却至室温 。
( 3. Gu i L in M inera ls and Geology R esea rch Institu te, Gu ilin 541004, Ch ina)
Abstract The high2strength bonding between diamond grit and steel matrices was realized by using a Cu2based alloy under controlled brazing conditions. The interface between the Cu2based alloy and diamond grit was analyzed by using scanning electronic m icroscopes and X—ray diffraction. The formation mechanism of carbide layers was discussed. Testing results show that the Ti element in the alloy is accumulated onto diamond surface and reacts w ith C element the surface to form all TiC layer. A s a result, metallurgical bonding is p roduced between the alloy and the diamond grit. Keywords diamond grit; brazing; metallurgical bonding
Exper im en ta l research on vacuum braz ing of d iam ond w ith active Cu2ba sed a lloy
L iu X inyu1 Zha ng Ha nche ng1 L i Do ngp ing2, 3 ( 1. Gu ilin U n iversity of E lectron ic Technology , Gu ilin Guangx i 541004, Ch ina) ( 2. N a tiona l S pecia l M inera l M a teria l Eng ineering R esea rch Cen ter; Gu ilin; Guangx i 541004, Ch ina)
强度 钎焊温度
/M Pa
/℃
强度 钎焊温度
/M Pa
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强度 /M Pa
1
950 114. 45064 950 116. 44108 950 110. 35068
2
910 115. 34634 950 118. 27229 910 111. 25893
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910 116. 83917 910 119. 32723 910 112. 59632
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880 117. 15764 910 122. 09395 880 114. 56283
5
880 121. 8949 880 123. 50717 880 117. 26513
钎料合金的强度随着钛含量的增加而增大 ,在试 验过程中 ,断裂发生在聚晶片于钎料的结合面 ,部分断
裂后在钎料表面分布着一层细小的金刚石 ,此处的金 刚石为聚晶片中的金刚石微粉 ,也就是说 ,断裂是发生 在聚晶片中的金刚石微粉与填充料之间 ,在实际生产 及使用过程中 ,钎料强度可能大于现在的测试结果 。
为了解在钎焊金刚石过程中 ,钎料的组织以及钎 料与钢基体的结合 ,对钎焊后的金刚石试样作能谱线 扫描分析如图 3。在两者的界面有 Ti元素富集 ,其他 元素 Cu、Sn在界面处的浓度梯度均呈现缓慢的过渡趋 势 。钎焊过程中 ,钎料与钢基体在钎焊温度下发生组
28
金刚石与磨料磨具工程
总第 159期
元间相互扩散 ,形成一个固相扩散区 ,当这个固相扩散 区成分接近共晶成分时会出现液相 ,这时钎料与钢基 体在界面上一起熔化 ,在随后的冷却过程中 ,钎料与钢 基体联生结晶 ,形成了固溶体及其化合物 ,从而实现钎 料与钢基体的高强度结合 [ 9 ] 。 2. 3 钎焊工艺
wk.baidu.com
第 3期
刘心宇等 :铜基钎料真空钎焊金刚石
27
的技术优势 ,因而它在今后工业生产实践中将成为传 统电镀砂轮的换代产品 ,且具有节能环保的重要意义 , 并将产生巨大的社会经济效益 。
金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面 能 ,不能被一般低熔点合金所浸润 , 可焊性很差 。研 究发现 , A l、Fe、Co 在液态时能浸润金刚石 , 但在能浸 润的温度下 , 它们对金刚石的侵蚀都很严重 。 Ti, Cr, W ,Mo等强碳化物活性元素能很好地浸润金刚石 ,但 其熔化温度高达 1600 ℃,在这个温度下金刚石将严重 石墨化 [ 4 ] 。所以寻找较低熔点的合金材料作为钎料 , 并考虑加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和 亲和性 ,达到既能黏接金刚石又能满足基体力学性能 好的目的是急需解决的问题 。本文采用铜基合金钎 料 ,就如何选择低熔点钎料 ,对具体钎焊效果进行探 讨 ,并运用现代理化分析手段对结合面微结构进行分 析 ,以验证钎料与金刚石的化学冶金结合 [ 5、6 ] 。
(1. 桂林电子科技大学 ,广西 桂林 541004) (2. 国家特种矿物材料工程技术研究中心 ,广西 桂林 541004)
(3. 桂林矿产地质研究院 ,广西 桂林 541004)
摘 要 采用铜基合金钎料 ,适当控制钎焊工艺 ,实现了金刚石与钢基体的高强度连接 。借助扫描电镜 ( SEM ) 、X 射线 能谱 ( EDS) 、X 射线衍射 (XRD )分析了真空加热条件下 ,对铜基合金钎料与金刚石之间的界面反应 ,钎焊面进行了表面 形貌和结构分析 。探讨了钎料与金刚石界面处碳化物的形成机理 。阐明了在钎焊过程中 Ti元素在金刚石界面形成富 Ti层并与金刚石表面的 C元素反应生成 TiC、SnTi C是实现合金层与金刚石有较高结合强度的主要因素 。钎料与钢基体 在钎焊温度下发生组元间相互扩散 ,形成了固溶体及其化合物 ,从而实现钎料与钢基体的高强度结合 ,并对一系列铜基 钎料进行了测试 。 关键词 金刚石 ;钎焊 ;化学冶金结合 中图分类号 TG454、TQ164 文献标识码 A
编号
C
Ti
Sn
Cu
1
33. 35
29. 48
5. 42
31. 75
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10. 13
24. 77
10. 81
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7. 6
18. 33
12. 38
61. 69
4
6. 53
11. 88
17. 36
64. 41
5
5. 46
3. 84
19. 01
71. 69
为了进一步证明碳化物存在 ,对钎焊后的金刚石 磨粒采用 X射线衍射分析 ,确定了金刚石与钎料的焊 接界面处新生化合物的存在形式 。图 2为钎焊界面的 X射线衍射结果 。其中 Ti的化合物有 TiC、SnTi2C、 TiCu和 Cu2SnTi,而使得钎料与金刚石之间形成了冶 金连接的主要原因是新生化合物 TiC、SnTi2C的形成 , 它是由钎料中的 Ti和组成金刚石的 C相结合而形成 的 。正是由于 TiC、SnTi2C的形成 ,减小了金刚石与钎 料的界面张力 ,相对提高了钎料的润湿性 。 2. 2 钎料与钢基体的作用
一代单层金刚石工具 ,其出发点就是希望能藉助高温 钎焊时在金刚石 、钎料与母材界面上可能发生的诸如 溶解 、扩散 、化合之类的相互作用从根本上改善磨料 、 结合剂 (钎料合金 )和基体三者间的结合强度 [ 1 ] 。高 温钎焊工艺可实现金刚石 、结合剂 (钎焊合金材料 )和 金属基体界面上化学冶金结合 ,具有较高的结合强度 , 磨粒的裸露高度可达 70% - 80% ,因而钎焊砂轮锋 利 ,容屑空间大 ,不易堵塞 ,磨料的利用更加充分 。在 与电镀砂轮相同条件下 ,磨削力 、功率消耗和磨削温度 更低 [ 2、3 ] 。由于单层高温钎焊金刚石砂轮具有较明显
测试分 析 方 法 : SEM 及 能 谱 在 日 本 电 子 JSM 2 5610LV钨灯丝电子显微镜上进行 ;在济南试金集团有 限公司 WDW - E100微机控制电子式万能试验机上进 行强度试验 ; 钎料熔炼采用的是真空非自耗电弧炉进 行的熔炼 。
2 钎焊结果与分析
2. 1 金刚石与 Cu2Sn2Ti合金间界面分析 图 2为真空钎焊后 Cu2Sn2Ti合金与金刚石结合形
貌 SEM、BSE图 。从图 1 中可以看出金刚石边缘被很 多白色呈月牙型的合金包覆着 ,很明显 , Cu2Sn2Ti合金 对金刚石磨粒表现出良好的浸润性 ,这表明金刚石磨 料与熔融钎料发生了润湿反应 。从图中可以看出金刚 石出露高度效果较为理想 。如果当钎料层达到一定的 厚度 ,由于毛细作用 ,整个金刚石磨粒将被钎料包裹起 来 。然而 ,金刚石与 Cu2Sn2Ti合金之间是否有化学冶 金反应发生 ,仅凭形貌观察则无法确切判断 。此外 ,图 中可见钎焊后金刚石磨粒的晶形仍保持完整 。无裂纹 附加热损伤现象 。
图 1 Cu2Sn2Ti焊接 SEM、BSE图象
表 1为金刚石表面的钎料成分能谱分析的结果 。 金刚石表面金属中的 Ti元素浓度明显高于钎料本身
的浓度 ,表明钎料中的 Ti元素在钎焊温度的作用下 , 从钎料中向金刚石表面扩散 ,并与金刚石中的元素结 合生成碳化物 [ 8 ] 。
表 1 Cu2Sn2Ti钎料金刚石表面成分分布 (w t% )
2007年 6月 总第 159期 第 3期
金刚石与磨料磨具工程 D iamond & Abrasives Engineering
文章编号 : 1006 - 852X (2007) 03 - 0026 - 03
June. 2007 Serial. 159 No. 3
铜基钎料真空钎焊金刚石
刘心宇 1 张汉城 1 李东平 2, 3
4 结论
Cu - Sn - Ti合金是较理想的黏结剂 ,高温下液相 合金对金刚石完全润湿 ;对金刚石有足够的固结力黏 结力 ;而且 Ti可以与 C反应生成 TiC,钎料与金刚石形 成冶金结合 。
(1)采用含有强碳化物形成元素 Ti的合金钎料钎 焊单层金刚石 ,钎料对金刚石的浸润性好 ,碳化物形成 元素在金刚石表面偏聚 ,使金刚石和钎料与基体之间 产生化学冶金接合 ,提高了基体对金刚石的把持力 。
压剪强度实验方法 :在真空条件下 ,钎焊过程中升 温 10 ℃ /m in,保温时间 20 m in,然后随炉冷却 。钎焊 后采用如图 4 所示的方式测试 , 压头下降速度为 : 1 mm /m in。强度测试结果如表 2所示 。
图 4 强度试验方法 表 2 钎料强度关系表
A
B
C
序号 钎焊温度 /℃
0 前言
目前工业中使用单层金刚石磨具大多采用电镀制 品 ,由于镀层金属与基体和磨料的结合界面不存在牢 固的冶金化学结合 ,磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层 金属中 ,因而把持力不大 ,在负荷较重的高效磨削作业 中 ,磨具容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体 失效 ,为增加把持力就必须增加镀层厚度 ,其结果磨粒 裸露高度和容屑空间减小 ,砂轮易堵塞 。国外从 20世 纪 90年代初期开始 ,研究用高温钎焊替代电镀开发新
(2)铜基钎料钎焊后与钢基体的实现高强度结 合。
(3) B5 的最佳钎焊工艺是 880 ℃～900 ℃, 10 m in～15 m in即可达到工艺要求 。
参考文献
1 Sung C M. B razed diamond d: a revolutionary design for diamond with N i2 Cr hardfacing alloy under a n atmosphere[ J ]. Surface and Coating Tech2 nology, 1991 ( 45) : 293～298