金刚石的钎焊工艺

MNO# 并且断口处 <%9 和钎料的分布更加均匀弥散 ! ;’894 共晶
可作为应力释放层# 从而大大降低了由于冷却造成的应力! 因此该钎料发展很快 ! 金刚石钎焊的方法 在金刚石工具制造技术中# 基体与金刚石结合性能一直 是制约金刚石工具提高其使用性能和使用寿命的关键所在! 目前常采用基体与金刚石在高真空中进行钎焊的方法# 但也 有在惰性气体中进行钎焊的 ! 金刚石在高温下有很大的石墨化倾向# 这是选择钎焊方 法时必须加以注意的问题 ! 传统的低熔点钎焊工艺以 94 # ;’ #
;’89489:合金钎料及新型活性涂层钎料 ;’8948<%合金钎料等 ! 5.= 1% 基合金钎料 1% 基钎料可用于钎焊高温下工作的零件 # 因此 # 目前国外
利用 1% 中加入 9: 制成合金钎料来进行对金刚石砂轮 $ 即颗粒状 金 刚 石 % 的 钎 焊 >7? ! 1% 具 有 优 良 的 耐 腐 蚀 性 和 耐 氧 化 性 # 加 入
!" )工艺与新技术)
文章编号 !)$$#@$#%AD#$$% "$!($$#&($!
焊接技术
第 !" 卷第 ! 期 #$$% 年 & 月
金刚石的钎焊工艺
冯胜强 ! 杨立军 ! 刘照伟 ! 宁长利 ! 亢世江
’ 河北工业大学 材料科学与工程学院 " 天津 !$$)!$(
摘要 ! 在对金刚石钎焊润湿性研究的基础上 ! 论述了金刚石钎料及颗粒状和膜状等状态的金刚石钎焊的工艺特点 ! 详细分析了几 种 金 刚石钎焊方法的优缺点 " 关键词 ! 钎焊 ! 润湿 ! 钎料 ! 金刚石 中图分类号 ! 7B"%" 文献标识码 ! C
# $94%5D.@L # # $<% %0.7L ! <% 之 所 以 加 入 的 量 较 少 主 要 是 与 金
刚 石 中 的 9 形 成 <%9 # 使 金 刚 石 表 面 金 属 化 # 从 而 可 提 高 其 钎 焊强度 ! 加热温度为 G66 C 左右 # 并采取逐步冷却的工艺 # 以 减小内应力 ! 文 献 >AE 表 明 # ;’ 894 8<% 合 金 钎 料 的 抗 剪 强 度 达 到 =2A
5.2
9:合金与钢基体中的元素在结合处相互扩散形成冶金结合 ! 磨
削试验证明合金层及钢基体对金刚石有较高的把持力 ! 但该工艺较为繁琐# 在火焰喷涂过程中# 钢基体表面容 易被氧化 # 钎焊后结合剂层厚度不均匀 ! 真空感应钎焊 由 于 惰 性 气 体 保 护 下 的 钎 焊 工 艺 比 较 复 杂 # 文 献 >GE 便 采 用真空感应钎焊进行金刚石的钎焊 ! 真空感应 钎 焊 时 # 零 件 的 待 钎 焊 部 位 被 置 于 交 变 磁 场 中 # 这部分母材的加热是通过它在交变磁场中产生的感应电流的 电阻热实现的! 在线圈的交变磁场中导体内产生的感应电流 强度由下式决定 >==E’
目前" 金刚石钎焊润湿性的研究工作主要集中于加入活 性元素的 -:@49 钎料 $ 国内众多研究单位对钎料与金刚石的润 湿性作了大量研究 $ 文献 +#, 利用扫描电镜技术及 A 射线结构分 析 " 研 究 了 -:@49@78 钎 料 在 金 刚 石 上 的 润 湿 状 况 $ 经 过 能 谱 仪和电子探针对垂直于界面的方向进行定点成分分析" 可以 观 察 到 -: " 49 " 78 " 4 各 元 素 都 有 明 显 的 浓 度 梯 度 $ 经 过 A 射 线 结 构 分 析 " 表 明 界 面 上 有 784 生 成 " 从 而 降 低 了 金 刚 石 与 钎 料之间的表面张力 " 提高了金刚石表面的润湿性 $ 文 献 +!, 用 石 墨 代 替 金 刚 石 " 研 究 了 -:@49@78 钎 料 与 石 墨 的润湿性 $ 大量试验显示 78 与石墨中的 4 形成的 784 断口呈韧窝 状 " 证明了金刚石与 784 之间的结合强度和 784 内部的结合强度 相差不大 $ 文 献 +", 研 究 了 铜 合 金 对 金 刚 石 颗 粒 和 钢 基 体 的 润 湿 性 以 及润湿角 & ! 钎 焊 后 的 结 合 强 度 ! 钎 缝 硬 度 之 间 的 关 系 " 发 现 铜合 金 钎 料 中 " 如 果 45 含 量 提 高 " 钎 料 对 金 刚 石 的 润 湿 角 & 将 会减小" 这主要是由于在钎料与金刚石的界面上发生化学冶 金反应 " 生成了 45 的碳化物层 $
9:可使 1% 固溶体强化 !
此 种 钎 料 的 优 点 是 1%89: 本 身 的 结 合 强 度 高 # 这 主 要 是 因 为 9: 与 金 刚 石 中 的 9 反 应 生 成 9:@92# 并 且 1%89: 合 金 在 结 合 处 与钢基体由于扩散形成冶金结合# 从而钎焊后可以获得很好 的把持力 ! 然而 # 金刚石的热稳定性较差 # 在 ABB C 时容 易 发 生石墨化转变 # 当 钎 焊 温 度 达 到 = BAB C 时 # 容 易 造 成 金 刚 石 的热损伤而使结合强度降低 ! 为了降低钎焊温度 # 文献 >DE 研制了 1%8<% 合金钎料 ! 在显微 镜下观察得知 # <% 隔离了金刚石与 1% 的接触 # 避免金刚石的石 墨化 ! 试验时钎焊温度可控制在 DA6FG66 C 之间 # 从而可减小 金刚石发生石墨化的倾向 !
"
P& 等 作 为 金 刚 石 工 具 的 黏 接 剂 # 它 们 对 金 刚 石 的 润 湿 性 比 较
差# 连接强度低# 在工具使用中金刚石容易脱落! 因此倾向 于用熔点较高的钎料钎焊金刚石# 但是熔点太高# 会使金刚 石产生石墨化 # 因此必须综合考虑 !
5H5
;’89489: 合金钎料
目前# 对单层金刚石砂轮钎焊的设计" 制造是金刚石应
用的重要研究方向 ! 文献 >@E 用添加 9: 的 ;’894 合金作钎料用于 金刚石砂轮的钎焊取得了一定进展 ! 钎焊时 # 先对金刚石 " 金 属基体及合金钎料进行预处理 # 清洗表面的污渍等杂物 ! 对钎 焊后的结合处进行能谱分析和电镜扫描 # 发现合金钎料中的 9: 与金刚石中的 9 生成 9:9 # 与 钢 基 体 界 面 结 合 处 形 成 $I"!9:"%9 # 从而使钎焊后的砂轮有很好的把持力和结合强度 ! 钎料的缺点是钎焊温度只能控制在 A66 C 以下 # 如 果 高 于 此 温 度 #会 使 金 刚 石 石 墨 化 和 氧 化 &温 度 过 低 会 使 钎 焊 时 间 很 长 # 造成能源浪费 ! 活性涂层 ;’8948<% 钎料 近 年 来 #9JK 金 刚 石 膜 技 术 日 益 成 熟 # 以 制 造 容 易 " 成 本 低 等优点具有重大应用价值 ! 因此 # 钎焊 9JK 金刚石膜制作工具的 技 术 受 到 广 泛 关 注 # 利 用 ;’8948<% 合 金 钎 料 钎 焊 9JK 金 刚 石 膜 # 是目前重要的研究方向 !
-. 对 金 刚 石 有 明 显 的 侵 蚀 作 用 & -. 在 ) $$$ / 以 下 时 " 润 湿 角
&23$* " 对 金 刚 石 不 能 润 湿 $ " 过 渡 族 金 属 ’ 45 " 65 " 78 等 ("
可与金刚石中的碳形成碳化物" 因此容易对金刚石润湿" 但 它 们 的 熔 点 都 高 于 ) &$$ / " 此 温 度 易 使 金 刚 石 石 墨 化 和 氧 化 $ # 在 含 有 对 金 刚 石 呈 惰 性 的 低 熔 点 金 属 ’ 49 " -:" ;< "
由于金刚石具有极高的硬度! 高导热性和低热膨胀系数 等优良的性能" 因此" 它是制造切削刀具的最佳材料# 金刚 石既硬又脆" 难以单独作刀具使用" 必须与其它韧性较好的 材料连接" 常采用钎焊的方法实现$ 然而" 金刚石的钎焊性 极差" 用普通的钎焊工艺难以实现金刚石与其它材料连接" 从而大大影响了金 刚 石 工 具 的 使 用 性 能 和 寿 命 $ 主 要 原 因 有 %
=> 等 ( 的 钎 料 中 加 入 少 量 活 性 元 素 ’78 " 45 " ? 等 过 渡 族 强 碳
化物形成元素 (" 在钎焊时可改变金刚石表面的润湿性 $
! 金刚石和一般金属及其合金之间具有很高的 界 面 能 & " 大
多数常用钎料对金刚石难以润湿或根本不能润湿& # 金刚石 的线膨胀系数远低于大多数金属材料& $ 在高温下金刚石很 容易被石墨化和氧化& % 钎焊温度受金刚石石墨化转变温度 的限制 " 难以得到高强度接头 $ 纵观 我 国 制 造 的 各 种 金 属 基 体 的 金 刚 石 工 具 ’锯 片 ! 砂 轮等 (" 利用镶嵌 法 制 成 的 金 刚 石 颗 粒 仅 是 机 械 地 镶 嵌 在 金 属 基体上" 在使用中非常容易脱落$ 有关数据表明" 镶嵌式金 刚石工具中金刚石的利用率仅为 &$’ " 这就意味着我国每年要 白白浪费数千万克拉的金刚石" 造成很大的损失$ 因此" 寻 求性能优良的钎焊金刚石用合金钎料和探索合金钎料对金刚 石的润湿机理" 以实现金刚石与合金钎料的有效连接" 增大 金属基体对金刚石颗粒的把持能力" 是节约资源! 提高我国 金刚石工具制造水平的关键问题之一 $ 金属合金与金刚石表面的润湿性 润湿性是钎焊研究的最基础问题" 而钎料对金刚石的润 湿性是研究金刚石 钎 焊 的 主 要 问 题 $ 从 物 理 化 学 的 知 识 得 知 " 将某液滴置于固体表面 " 若 液 滴 和 固 体 界 面 的 变 化 能 使 液 ( 固 体系自由能降低" 则液滴将沿固体表面自动流开铺平" 这种 现 象 称 为 铺 展 $ 图)中&为 润 湿 角 " 其 大 小 与 各 界 面 张 力 的 数 值有关 $ 一般情况下 " 钎焊时希望钎料的润湿角小于 #$* $ 关 于 金 刚 石 的 润 湿 性 问 题 " 文 献 +), 作 了 系 统 分 析 " 归 纳 后 可 总 结 如 下 几 点 % ! 非 过 渡 族 金 属 元 素 中 只 有 -. 能 对 金 刚 石润湿 " 由于 -. 在 ) $$$ / 以上时的润湿角 &01%* " 因此 -. 只在
!
金刚石钎焊时的钎料 在金刚石刀具的钎焊过程中有许多困难! 针对钎料制备
料 # 并且其熔点较低 # 不仅可以使应力得到释放 # 并且使 <% 溶 于其中 # 提高接头强度 ! 目 前 # 在 国 内 ;’8948<% 合 金 的 成 分 一 般 为 # $;’%DAHAL #
过程中存在的钎料制备过程复杂" 成形困难等问题# 开发了 制 备 过 程 简 单 " 钎 焊 效 果 好 的 涂 层 钎 料 1%89: 和 1%8(% 钎 料 "
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) $$$ / 以 上 才 能 对 金 刚 石 有 一 定 的 润 湿 性 " 而 在 此 温 度 下 "
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34&. 5667
(工艺与新技术(
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的 机 械 钉 轧 作 用 结 合 在 一 起 的 ! 由 于 ;’894 合 金 是 高 塑 性 材
9:Βιβλιοθήκη Baidu金粉末作为钎料 # 利用氧乙炔焰喷涂技术将此粉末喷涂在
钢基体上 # 用陶瓷块压住金刚石磨粒 # 在 ;: 气保护辐射加热炉 中进行钎焊! 适当控制钎焊温度" 保温时间和冷却速度# 成 功地实现了颗粒状金刚石的钎焊 ! 试 验 表 明 # 金 刚 石 四 周 被 呈 月 牙 形 的 1%89: 合 金 包 覆 # 有 良好的润湿性能! 该钎焊工艺可确保合金层与金刚石及钢基 体之间都能获 得 较 高 的 结 合 强 度 # 主 要 是 由 于 钎 焊 过 程 中 1%8
>AE
2H= ;: 气保护钎焊
颗粒状金刚石钎焊现主要用于磨削用的砂轮! 国外钎焊 颗 粒 状 金 刚 石 砂 轮 的 研 究 始 于 56 世 纪 A6 年 代 末 # 但 由 于 工 艺 复杂至今也不完善 ! 国 内 也 进 行 了 相 应 的 研 究 # 钎 焊 的 设 计 " 制 造 技 术 日 益 进 步 ! 文 献 Q=6E 采 用 07R 钢 作 为 金 属 基 体 # 以 1%8