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金刚石钎焊的影响因素

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特点:

具有共价键结构的金刚石与一般的金属之间有很高的界面能,难以焊接,而一般的机械镶嵌、物理吸附没有足够把持力。自20世纪90年代初以来,国外及我国台湾地区先后研究采用高温钎焊工艺开发新一代金刚石工具,利用活性金属元素(如 Ti Cr Mo W等)在金属钎料与超硬磨粒界面处形成化学冶金结合,大大提高了结合剂对金刚石磨粒的把持强度,使砂轮使用寿命显著提高。

难点:

但钎焊金刚石工具仍存在金刚石易石墨化、金刚石钎焊界面脆性金属间化合物影响钎焊强度、钎焊接头残余应力集中等钎焊质量问题。 同时,由于高效精密制造技术的发展,对金刚石磨粒钎焊技术又提出了钎料能够根据磨粒磨损状态智能地控制金刚石脱落、钎料与金刚石之间磨损率匹配、提高钎焊接头散热性能和增大容屑空间等新要求。

评价方法:

主要从金刚石钎焊微观形貌特征、钎焊金刚石刀具摩擦磨损性能、金刚石钎焊强度、金刚石钎焊接头残余应力等方面来评判金刚石钎焊质量。

1. 微观形貌特征:金刚石表面形貌和钎料形貌,以及金刚石、钎料和基体三者之间的界面

化合物形貌等。其中,金刚石表面形貌可以反映出其热损伤或石墨化程度,钎料形貌可以反应出钎料对金刚石的润湿铺展程度,金刚石、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌可以反应出三者之间的化学冶金反应状态。

2. 摩擦磨损性能:在磨粒磨削加工过程中,磨粒承受来自工件的冲击作用和接触产生的

热载荷。倘若钎焊接头强度不足把持住高负荷加工状态的磨粒,磨粒将产生非正常脱离。根据此原理,开展金刚石磨粒摩擦磨损试验,其结果可以用来评判钎焊性能。

3. 强度:钎焊强度是高性能钎焊接头的重要直接评判标准,根据受力方向分为抗拉伸强度和抗剪切强度,抗拉伸强度虽然能直接反映材料界面上结合键的强弱,但抗剪切强度更符合磨粒磨削加工过程中受力状态。

4. 残余应力:残余应力是影响金刚石钎焊接头性能的重要因素,残余应力过大将导致钎焊

接头萌生裂纹,导致磨粒在加工过程中产生不正常脱落或磨损。

影响因素:

钎料粉末、镀覆金刚石类型、钎焊工艺参数(包括钎焊温度、保温时间、钎焊气氛等)钎料:

1 熔点:熔点不能高于金刚石石墨化温度,也不能过低,若熔点太低,则在磨削过程

中,可能因为较高的磨削温度导致钎料软化,造成磨粒过早脱落。目前, Ni-Cr钎料应用*广泛,但其钎焊温度较高( 900 以上), 金刚石有石墨化的倾向,影响钎焊金刚石的强度和工具寿命。

(常用钎料为镍基合金→钎焊温度太高使金刚石石墨化→通入磷蒸汽降低镍基合金熔点→含磷的钎焊把持力不够→用镀TiCr金刚石改善结合强度)

2)润湿性:钎料对金刚石具有良好的浸润、扩散作用。较好的浸润、扩散作用可以保证钎料与金刚石磨粒之间形成牢固的化学冶金结合,提高钎焊强度。张凤林等通过在钎料合金中添加 Cr Ti 金属粉,改善了钎料合金对金刚石的润湿性能。

3)稳定性:钎料应具有稳定、均匀的成分,以减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的损耗。

4)强度:钎料具有一定的强度和硬度。在磨削过程中,如果钎料强度和硬度不够,那么将导致自身快速磨损,失去对磨粒把持能力。Khalid 等通过分析金刚石、钎料和基体三者之间的界面,发现Ti 元素的加入也使钎料本身的强度增大,耐磨性增大,但是Ti含量过多,会导致合金熔点升高,以及金属化合物增多,钎焊接头脆性增大。

5)残余应力:避免由于物理性能的不匹配导致金刚石与钎料截面处产生较大的残余应力。

金刚石镀膜:

金刚石镀膜是指在金刚石表面镀覆一层亲和性金属, 并且使镀层与金刚石之间发生牢固的化学键合,降低金刚石的表面能,使之易于被金属结合剂所浸润,改善金刚石表面的可焊性,实现金刚石与金属之间的强力冶金结合。马伯江等通过使用表面镀覆了一层非晶态碳膜的金刚石颗粒进行钎焊实验,发现浸没在钎料层下面的金刚石表面生成了形核质点分布较均匀的铬碳化合物,钎料对金刚石具有良好的钎焊效果。邓朝晖等利用 Cu-10Sn-5Ti 钎料粉末在钢基体上真空钎焊镀 Ti 金刚石,发现金刚石由于镀 Ti 层的保护隔离作用,大大降低了热损伤和石墨化,且金刚石的晶型完整。

钎焊工艺参数:

虽然按金刚石钎焊过程加热不同,钎焊工艺可分为高温炉中钎焊,高频感应钎焊, 激光烧结钎焊等,但是不论那种钎焊工艺,对金刚石钎焊性能的影响都主要通过钎焊温度、保温时间、钎焊氛围等钎焊工艺参数来实现。

钎焊温度以及保温时间:

钎料的熔化填充,以及熔化的钎料与金刚石表面的化学冶金反应的过程都离不开钎焊温度大小和保温时间作用。向孙祖等认为钎焊温度对钎焊接头质量和磨粒分布均匀性,以及钎料在磨粒表面的爬升高度产生重要影响。徐正亚等研究了不同保温时间的钎焊金刚石试样磨削性能,得出了如果缺乏保温阶段,界面反应产物的量很少,只在金刚石磨粒的局部有少量的化合物生成,磨粒易脱落。

钎焊气氛:

由于金刚石在高温下易氧化和石墨化,金刚石的钎焊工艺一般是在真空或保护气氛下进行的,但不同的钎焊气氛对金刚石钎焊形貌、中间碳化物生成情况、金刚石石墨化及磨粒破损形式等的影响不同。陈燕等在真空和Ar气两种不同的氛围中,进行了炉中钎焊金刚石磨粒的试验研究,得出了不同的钎焊气氛导致不同金刚石磨耗特性等结论。伍俏平等人利用 Cu-10Sn-5Ti 钎料粉末,在空气、Ar气保护和真空气氛下分别对金刚石进行钎焊试验,发现在 Ar 气保护和真空钎焊时,钎料充分润湿和铺展,金刚石石墨化程度很小。

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