钎焊金刚石工具性能影响因素研究

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钎料性能影响因素

钎料性能影响因素

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 钎料应用最广泛,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。

一种思路:(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Ti、Cr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。

对目前金刚石磨具钎焊工艺分析

对目前金刚石磨具钎焊工艺分析

对目前金刚石磨具钎焊工艺分析金刚石磨具是一种高硬度、高强度的耐磨材料,具有优异的耐磨性、高热稳定性和化学稳定性,并且可以耐受极高的压力。

这使得金刚石磨具的应用范围非常广泛,如在磨削、修整、切割、打磨等领域都得到了广泛的应用。

金刚石磨具作为一种高精密度机械零部件,制作工艺对其品质和性能影响非常显著。

本文将对目前金刚石磨具钎焊工艺进行分析。

一、金刚石磨具钎焊概述金刚石磨具的加工采用的主要是钻头钻孔加工以及钎焊技术的应用。

传统的金刚石磨具的制作方法即是采用焊接技术,将金刚石和金属基体通过焊接的方法连接在一起。

在目前的金刚石磨具钎焊过程中,常用的金属基体包括钨、钼、钛、铜、铝等。

而金刚石多采用人造金刚石和天然金刚石。

钎焊工艺流程如下:1. 材料准备:金刚石、金属基体、钎料、流动剂。

2. 加热:将金属基体加热到钎料的熔点,使其熔化。

3. 布料:在金属基体上涂布流动剂,并将金刚石放置在其上。

4. 钎接:将熔化的钎料浸入流动剂中,形成钎接液,液体通过表面张力作用将金属基体和金刚石牢牢钎接在一起。

5. 冷却:冷却工件,使其形成坚固的结合。

二、不同金属基体对钎焊影响分析钎焊金刚石磨具时,不同金属基体的选择对钎接质量和加工性能都有很大的影响。

常见的金属基体有铜、铁、钨和钼。

1. 铜基体:铜基体钎焊早期应用非常广泛,其密度小,导热性好,热膨胀系数小,因此容易焊接,并且金刚石与铜的密合性很好,但其软度较高,难以满足高精度和高要求的应用。

2. 铁基体:铁基体钎焊容易,但其承受高负荷时容易发生变形,且铁基体可能难以与金刚石粘合,需要采用表面处理技术。

3. 钨基体:钨基体的加工精度和硬度非常高,其粘合能力较好,但密度大、抗腐蚀能力较差。

4. 钼基体:钼基体钎接效果最好,其具有高硬度、高强度、稳定性好、高耐腐蚀性和高温特性优点。

钼基体的金刚石磨具在应用中得到了广泛认可。

三、钎焊工艺常见问题及解决思路1. 粘接层脱落问题:在钎接过程中,粘接层的质量对工作效果有着决定性影响。

钎焊单层金刚石工具研究现状

钎焊单层金刚石工具研究现状

中 图分 类 号 :T 4 4 G 5
文献 标 志 码 :A
0 引 言
1 钎 焊 工 艺
硬 脆 材 料 ,如 石材 、玻 璃 、陶 瓷 等 普 通 建 筑 材 料 ,以及 宝石 、半导 体 、工程 陶瓷 、光 学 晶体 、磁性
材 料 、生 物 陶瓷等 高 档先 进 工程 和 功 能 材料 的加 工 ,
首 先要 对金 刚石 具有 足够 的活性 ,要 包含 强碳 化物形
其他 磨料相 比 ,具有 极 高的硬 度 、高相 对耐磨 性 、热
导 率 和抗 压 强 度 n。 因此 ,金 刚 石 工 具 是 硬 脆 材 料 ]
切 割 、磨 削 等 加 工 的最 常用 工 具 。在 金 属 结 合 剂 金
周 玉梅 张凤 林 .
( . 恺农 业 工 程 学 院 机 电 工程 学 院 ,广 东 广 州 5 0 2 ;2广 东 工 业 大 学 机 电工 程 学 院 ,广 东 广 州 5 0 0 ) 1 仲 12 5 . 10 6
摘 要 :与 单 层 电 镀 金 刚 石 工 具 相 比 ,钎 焊 单 层 金 刚 石 工 具 由 于金 刚 石 出刃 高 ,容 屑 空 间 大 ,金 刚 石 与 基 体 之 间 的 结合 强 度 高 而成 为 近 年 来 超硬 材 料 工 具 的 热 门研 究 领 域 。 本 文 分 别 从 钎 料 及 钎 焊 方 式 、 金 刚 石 有 序 排 布 、界 面微 观 结 构 及 界 面 热 力 学 与动 力 学 以 及 钎 焊 工
刚 石 工 具 的 制 造 工 艺 中 .烧 结 和 电 镀 是 2种 最 主 要 的
制 造 方 法 。 由 于金 刚 石 与 结 合 剂 之 间 的 结 合 强 度 较

金刚石工件的钎焊

金刚石工件的钎焊

金刚石工件的钎焊金刚石是目前世界上发现并在工业上能大量使用的最硬的材料。

它除了具有超硬特性外,有独特的力学、光学、声学、热学及电学性质,很难找到一种想金刚石这样集多种优异性能于一身的材料。

它既是一种重要的超硬材料,同时也是一种具有特殊用途的新型功能材料。

金刚石晶体结构中,碳原子拥有四价状态,即sp3杂化状态。

金刚石结构的基本特点是每个碳原子与四个邻近的碳原子共用四对价电子,形成4个共价键与周围的原子连接,形成一个四面体。

其键长均0.154mm,它们的方向性很强,分别指向以碳原子为中心的正四面体的四个顶角。

金刚石晶体是由许多四面体叠加而成。

共价键是饱和键,具有很强的方向性,因使金刚石具有很大的强度。

由于在结晶晶格中碳原子形成的正四面结构在空间的排列有两种形势,从而存在着立方晶系和六方晶系两种金刚石结构。

在金刚石的各种性能中,硬度、耐磨耗性和刚度性能最具特色。

金刚石是迄今地球上最硬的天然物质,在莫氏硬度,金刚石的莫氏硬度为10。

莫氏硬度1~9级之间几乎为等间隔的,而9~10级之间不符合这一等差排列梯度。

碳化硅(Sic)和刚玉(Al2O3)的莫氏硬度为9,碳化钨(WC)为9.5。

金刚石的硬度是刚玉硬度的5倍,石英的12倍,碳化钨的4.7倍,碳化硅的4倍,碳化硼的3.7倍,立方氮化硼的2倍。

需要注意的是,金刚石的硬度呈各向异性,不同晶面和不同方向上的硬度不同。

金刚石的体积弹性模量为5.42×105MPa,比公认体积弹性模量非常大的钨还要大。

虽然金刚石的抗压能力很强,而抗拉强度则不高(硬脆性)。

金刚石的磨耗量因摩擦方法不同而有很大变化,用于钻头的人造金刚石烧结体的磨耗比一般在1:3×104 ~ 1:8×10之间;用作拉丝模的磨耗比在1:105 ~ 1:3×105之间。

由于碳原子稳定特性,以及金刚石是强共价键结合,因而金刚石在常温下的化学性质非常稳定,耐磨碱及其他化学药物的腐蚀。

钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化

钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化

钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化石材异性制品中存在尤为突出的两个问题:加工成本高,加工效率低。

而在石材制品的加工过程中金刚石刀具是决定加工成本和效率的关键。

本课题首先选定Ag、Cu、Zn、Ni、Co、Mn作为钎料的主要组成元素焊料配方,共配制了6种合金,经过综合比较合金的熔化温度、抗剪强度和钎焊工艺性,最后选定3种合金作为钎焊单晶金刚石磨粒的钎料。

其中对Ag-Cu-Ti钎料以合金箔和AgCu共晶合金箔与Ti箔共同使用两种形式进行了焊接试验,在焊接试验中建立了二次感应钎焊新的工艺方法。

在数字显微系统下观察钎焊后工具的微观形貌,分析钎焊时间对钎焊质量的影响。

Ag-Cu-Ti合金箔钎料的溶化温度为890℃,钎焊温度为940℃,选择比钎料溶化温度高50℃的温度作为钎焊温度可使焊接界面达到较高的结合强度。

在940℃的钎焊温度下,真空钎焊无镀膜金刚石磨粒与45钢基体,用Ag-Cu-Ti合金箔钎料的焊接强度比用AgCu共晶合金箔与Ti箔复合钎料的焊接强度高。

在研究了金刚石的钎焊工艺和刀具磨损规律的基础之上,为了提高石材的加工效率并减少刀具磨损量,利用钎焊金刚石刀具加工花岗岩和大理石两种石材来进行对比试验研究。

在实验过程中,工艺参数选取切削速度、进给速度和切削深度三个因素,每个因素又选择三个水平,利用正交实验设计方法进行实验研究。

综合考虑大理石和花岗岩加工过程的切削力和切削效率的变化趋势,利用趋势图和极差分析,得出了莱阳绿大理石加工时切削力最佳的工艺参数组合为切削速度为15mm/s,进给速度为4.0mm/s,切削深度为3.0mm。

而巴西黑花岗岩的最佳工艺参数组合为切削速度17mm/s,进给速度为4.0mm/s,切削深度为2.0mm。

通过对实验结果进行方差分析,研究工艺参数对切削力和切削效率影响的显著性。

得出进给速度对切削效率和切削力有较大的影响,而切削深度有显著的影响。

通过回归分析,建立了切削力的数学模型。

钎焊技术在金刚石工具中的应用

钎焊技术在金刚石工具中的应用

钎焊技术在金刚石工具中的应用? 钎焊技术在金刚石工具中的应用钎焊技术在金刚石工具中的应用摘要:简要介绍了金刚石工具、工具分类及其制造过程中用到的钎焊技术,分析了金刚石颗粒与基体的连接原理与形式,就金刚石工具行业国内外发展状况评述了钎焊技术的相应发展,阐述了预合金粉末的扩散钎焊现象及有益作用,探讨了钎焊材料、钎焊工艺和钎焊设备的协同规律,提出了金刚石工具行业钎焊技术的发展方向,为国内金刚石工具和焊接行业发展研究提供参考。

关键词:金刚石金刚石工具钎焊材料钎焊技术 1 金刚石工具及其分类金刚石是集多种优异性能于一身的功能材料,它是迄今为止所发现的硬度最高的天然材料,它独特的光学、热学、力学特性又强化了它在功能材料中的地位。

金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两大类,其中人造金刚石又有单晶和聚晶之分,这三类金刚石均可用于制造金刚石工具。

近几年,全球人造金刚石产量已达到150亿克拉,中国的人造金刚石产量稳居世界第一。

中国的金刚石工具后发先至,近二十年得到了飞速发展,不仅产量居世界第一,而且发展了品种齐全的新型工具。

金刚石工具的应用领域非常广泛,主要用于石材加工、陶瓷改型、地质钻探、石油钻井和矿业开采行业,在建筑、建材、机械加工、光学玻璃和珠宝加工及电子电器行业也有重要地位[1]。

现代制造业对金刚石工具的需求越来越多,高端装备制造更是越来越依赖金刚石刀具的发展,高速、超速、高精、超精切磨,尤其是硬脆和高硬材料的加工已经离不开金刚石工具[2]。

根据用途,可将金刚石工具分为锯切工具、磨抛工具、刀具、钻探工具、拉丝模等。

金刚石锯切工具按照形状分为金刚石圆锯片、金刚石排锯、金刚石绳锯、金刚石线锯、金刚石内孔锯等[3]。

金刚石圆锯片是目前石材、建筑行业使用最普遍的锯切工具,广泛应用于花岗岩、大理石、陶瓷、混凝土等制品的切割。

在绿色制造大潮中,金刚石圆锯片向多片组合锯方向发展,组合锯与排锯是典型;排锯是将几十根金刚石锯条并排安装在锯机的框架上,切割效率比通常使用的加砂大锯高数倍,切出的板料截面光滑平整,可显著减少磨抛工作量。

Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的分析

Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的分析1. 引言介绍Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的意义和研究的背景。

2. Ni-Cr合金材料介绍Ni-Cr合金的特点、组成、性能等方面的知识,为后面的实验做准备。

3. 实验设计描述研究设计,包括实验样品的制备、实验条件、实验步骤等方面的内容。

4. 结果分析对实验结果进行分析,包括Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的焊接效果、金刚石与Ni-Cr合金结合的情况、金刚石和Ni-Cr合金的性能影响等方面进行分析。

5. 结论总结实验结果,提出Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的可行性、优缺点、未来发展方向等内容,并展望在金刚石磨具制造和应用领域的潜在应用价值。

一、引言随着现代科技的不断发展和进步,金刚石在制造和应用领域中扮演了越来越重要的角色。

然而,金刚石材料在实际应用中面临着一系列的挑战,例如它们容易破裂、具有复杂的形状、难以加工成百分之百的正确尺寸等问题。

为了解决这些挑战,科学家们进行了各种尝试,其中一种方法是利用Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石。

Ni-Cr合金是一种抗氧化、高温强度和耐腐蚀性能优良的金属合金。

此外,它具有相对较低的密度和良好的加工性能,使其成为制造各种工业设备和金属部件的重要材料。

然而,由于金刚石的硬度和稳定性,通常很难与其他材料牢固地结合在一起。

因此,保护气氛钎焊Ni-Cr合金和金刚石可能是一种有效的方法来解决这个问题。

本论文将对Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的研究进行分析。

第2节将介绍Ni-Cr合金的特点、组成、性能等方面的知识,为后面的实验做准备。

第3节将描述实验设计,涵盖实验样品的制备、实验条件、实验步骤等方面的内容。

第4节将对实验结果进行分析,包括Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的焊接效果、金刚石与Ni-Cr合金结合的情况、金刚石和Ni-Cr合金的性能影响等方面进行分析。

最后,第5节将总结实验结果,提出Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的可行性、优缺点、未来发展方向等内容,并展望在金刚石磨具制造和应用领域的潜在应用价值。

钎料合金对钎焊金刚石界面性能的影响

第33卷第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀超㊀硬㊀材㊀料㊀工㊀程V o l.33 2021年2月S U P E R HA R D MA T E R I A LE N G I N E E R I N G F e b.2021ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ钎料合金对钎焊金刚石界面性能的影响王光祖1,崔仲鸣2,冯常财2(1.郑州磨料磨具磨削研究所,河南郑州㊀450001;2.河南工业大学机电学院,河南郑州㊀450001)摘㊀要:在钎焊金刚石工具制造过程中,金刚石/钎料/基体之间的界面反应产物和微观结构决定了钎料钎焊金刚石与基体之间的结合强度㊂因此,对界面反应产物及组织微观结构进行研究,进而探讨钎焊工艺的优化十分重要㊂文章对钎料与基体界面显微组织形貌,高频感应钎焊界面微观,钎焊层的微观组织,钎焊金刚石微结构,钎焊接头界面组织,激光钎焊界面微结构等进行了阐述,以飨读者㊂关键词:钎料合金;钎焊金刚石;界面微观组织结构;金刚石工具中图分类号:T Q164㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1673-1433(2021)01-0007-05T h e e f f e c t o f b r a z i n g a l l o y o n i n t e r f a c i a l p r o p e r t i e s o f b r a z e dd i a m o n dWA N G G u a n g z u1,C U I Z h o n g m i n g2,F E N GC h a n g c a i2(1.Z h e n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t e f o rA b r a s i v e s a n dG r i n d i n g C o.,L t d.,Z h e n g z h o u450001,C h i n a;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,H e n a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Z h e n g z h o u450001,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fb r a z e dd i a m o n dt o o l s,t h e i n t e r f a c i a l r e a c t i o np r o d u c t s a n dm i c r o s t r u c t u r e a m o n g d i a m o n d,f i l l e rm e t a l a n dm a t r i xd e t e r m i n e t h e b o n d-i n g s t r e n g t hb e t w e e n b r a z e d d i a m o n d a n dm a t r i x.T h e r e f o r e,i t i s v e r y i m p o r t a n t t o s t u d yt h e i n t e r f a c i a l r e a c t i o n p r o d u c t sa n d m i c r o s t r u c t u r e,a n dt oe x p l o r et h eo p t i m i z a t i o no fb r a z i n gp r oc e s s.T h i s p a p e r h a s e l a b o r a t ed f o r t h em i c r o s t r u c t u re of t h e i n t e r f a c e b e t w e e nf i l l e rm e t a l a n dm a t r i x,t h em i c r o s t r u c t u r e o f h igh f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g i n t e r f a c e,t h em i c r o s t r u c t u r e o f b r a z e d l a y e r,b r a z e dd i a m o n dm i c r o s t r u c t u r e,b r a z e d j o i n t i n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r e,l a s e r b r a z i n g i n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r e a n d s oo n.K e y w o r d s:B r a z i n g a l l o y,B r a z i n g d i a m o n d,M i c r o s t r u c t u r e o f d i a m o n d,D i a m o n d t o o l1㊀引言钎焊工艺能在金刚石和钎料界面形成碳化物可以增加焊料对金刚石磨料的把持力,因此与传统的烧结和电镀结合剂金刚石磨料工具相比,钎焊金刚石磨料工具具有磨粒粘接牢固㊁出刃高度高等特点,在磨削过程中表现出好的磨削锋利度和长的使用寿命㊂金刚石/钎料/基体之间的界面反应产物和微观结构决定了钎料钎焊金刚石与基体之间的结合强度,其中钎焊料的合金成分起了关键的作用,本文基于该领域的最新研究成果,对在焊接金刚石磨料过程中的界面反应产物及组织微观结构进行系统的分析研究㊂收稿日期:2020-09-18作者简介:王光祖(1933-),男,教授级高级工程师,享受国务院特殊津贴㊂长期从事超硬材料研究和人才培养工作并做出了突出贡献,1989年国家科技进步二等奖,公开发表300余篇论文㊁译文㊂著书立说共13本,达800余万字㊂通讯作者:崔仲鸣(1962-),男,教授,中机生产工程分会委员㊁中机生产工程分会磨粒加工专业委员会常务委员㊁光整加工专业委员会常务委员㊁精密工程与微纳技术专业委员会委员㊂长期从事磨削加工及超硬磨料制品技术研究㊂引文格式:王光祖,崔仲鸣,冯常财.钎料合金对钎焊金刚石界面性能的影响[J].超硬材料工程,2021,33(1):7-11.2㊀钎料与基体界面显微组织形貌钎焊料与基体结合界面决定了钎焊磨料层与基体的结合强度㊂李奇林,苏宏华等[1]研究了采用A g-C u -T i 合金钎料超高频感应连续钎焊工艺金刚石界面结构及残余应力㊂借助扫描电镜,对钎焊后的金刚石界面微观结构进行了观察,图1为扫描速度约为0.5mm /s 条件下A g-C u -T i 合金与45#钢基体界面的显微组织㊂两者在界面处结合较为致密,无明显空洞和缺陷存在㊂从图1a 可以看到,钎料层组织内部黑色花纹状的相α为富A g 固溶体,以及枝晶状的β相为Cu 固溶体㊂超高频感应连续钎焊工艺能够细化A g -C u -T i 钎料晶粒的组织,有利于增强钎料层的强度,提高钎料对金刚石磨粒的把持力㊂枝晶状组织的产生,是由于钎料层快速冷却,内部原子的扩散过程落后于结晶过程[2],钎料合金的均匀化不够充分,因此,形成了枝晶状的非平衡组织㊂图1b 显示出45#钢基体与钎料结合面附近的晶粒为高温的奥氏体快速冷却后形成的板条状马氏体和珠光体组织,这能够提高基体与钎料层界面处的硬度㊂另一方面,基体表层的马氏体转变产生体积膨胀,在基体表层形成残余压应力,可以显著提高其疲劳强度和冲击强度,并降低缺口敏感性㊂图1㊀钎料-基体界面显微组织F i g.1㊀M i c r o s t r u c t u r e o f t h e s o l d e r -s u b s t r a t e i n t e r f a c e 3㊀高频感应钎焊料与金刚石界面微结构分析钎焊料与金刚石结合界面结合强度决定了对金刚石磨粒的把持作用,由于金刚石基本不与其它材料形成化学结合,所以把持力通常由焊料对金刚石磨粒包裹的机械力和通过化合物形成的黏附力组成㊂化合物的生成主要是通过焊料成分中的一些元素在金刚石表面的富集㊂图2是经过高频感应钎焊的金刚石试样在王水中深腐蚀后的S E M 形貌照片[3]㊂从图2a 可以看到高频感应钎焊后金刚石表面生成了一层反应产物,从图2b 中可以观察到沿金刚石表面切向生长的层状化合物,对该化合物的能谱分析结果见表1,在A 区域有C -C r 元素,其原子数量比约为2ʒ3,根据C -C r 相图可以推测此种切向生成的碳化物是C r 3C 2,在B 区域除了有C ㊁C r 元素存在,还发现有少量S i 元素㊂图2㊀金刚石磨粒表面碳化物形貌[3]F i g .2㊀S u r f a c e c a r b i d em o r p h o l o g y of d i a m o n da b r a s i v eg r a i n [3]8超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年2月表1㊀碳化物成分T a b l e1㊀C a r b i d e c o m p o s i t i o n区域化学成分(原子百分数)C C r S iA42.0157.990B42.9844.1712.85㊀㊀根据X射线衍射分析结果确定,沿金刚石表面切向生长的层片状化合物为C r3C2㊂该化合物可以缓解因金刚石和钎料层的线膨胀系数不同而产生的应力,同时由于液态钎料对C r3C2化合物层有良好的浸润性,极大地改善了液态钎料对金刚石的浸润性,提高了钎料对磨粒的把持强度㊂4㊀钎焊基体界面的微观组织分析图3所示是C u S n T i N i钎料的钎焊层和基体界面处扫描电镜组织[4],可以看出,在界面处有胞晶状㊁等轴晶形成,各点成分见表2,可知,钎料A处C u㊁S n 原子百分比分别为89.67%㊁6.29%,可以判断A处主要是固溶少量N i㊁S n的铜基固溶体,即α-C u,钎料与钢基体处B点的T i㊁F e元素含量高,说明在界面处δ处形成了T i F e类金属间化合物,C处主要有C u㊁S n等元素,F e在高温过程中由基体扩散到钎料中,结合B点判断,C上点可能是钢基体与钎料界面图3㊀钎焊层与基体界面组织F i g.3㊀M i c r o s t r u c t u r e o f t h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h eb r a z i n g l a y e r a n d s u b s t r a t e表2㊀钢基体与钎料结合界面各点成分分布(原子分数,%) T a b l e2㊀C o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o no f e a c h p o i n t a t t h eb o n d i n g i n t e r f a c e o f s t e e lm a t r i xa n d s o l d e r(a t o m i c f r a c t i o n,%)位置T i F e N i C u S nA0.433.6189.676.29B47.9452.06C11.070.3211.6751.1819.76反应形成T i F e类化合物后,δ相以其为核长大为树枝晶,可能为T i F e类化合物+δ-C u31-S n8㊂结合图3可以看出,C u S n T i N i钎料主要由α-C u固溶体㊁δ-C u31S n8构成㊂5㊀钎焊金刚石界面微结构为观察金刚石界面碳化物形貌和热损伤情况,对钎焊试样采用H2S O4进行了深腐蚀,金刚石颗粒的宏观形貌如图4所示,图4a显示其棱角清晰,晶体形态完整,没有微裂纹,说明金刚石受到的热损伤较小,这与钎料的化学成分有关㊂首先,C u元素为金刚石的非触媒元素,因此不会对金刚石起化学作用侵蚀,而镍基钎料会对金刚石引起溶解,使全金刚石的C 元素扩散进入钎科中,这适当增大了金刚石与钎料的界面反应,有利于金刚石的润湿性,对金刚石表面局部放大观察,发现有不均匀化合物生成,如图4b所示,可以看出,金刚石表面有不连续的㊁无规则形状的碳化物生成,对其进行E D S测试,其中C㊁T i㊁C u的原子分数分别为61.60%,28.00%,10.40%,可以看出,金刚石表面钛含量远高于钎料本身的钛含量,说明在高温钎焊过程中钎料中的T i元素向金刚石表面扩散富集㊂图4㊀钎焊金刚石的宏观形貌[4]F i g.4㊀M a c r om o r p h o l o g y o f b r a z e dd i a m o n d[4]9第33卷㊀第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王光祖等:钎料合金对钎焊金刚石界面性能的影响6㊀钎焊接头界面组织当钎焊温度为900ħ㊁保温时间为10m i n 时,C u-8S n -11T i 钎料钎焊金刚石颗粒的形貌如图5所示,从图5中可以看出,金刚石颗粒晶形完好且边缘被钎料合金所包覆,这表明C u -S n -T i 合金对金刚石颗粒表现出良好的浸润性,金刚石磨粒与钎料合金的结合界面形成了均匀㊁连续而致密的结合㊂图5㊀钎焊金刚石表面形貌F i g .5㊀S u r f a c em o r p h o l o g y of b r a z e dd i a m o n d 表3为金刚石与钎料结合界面的定点成分分析,从表3可以看出,金刚石表面的T i 元素浓度明显高于钎料本身的浓度,表明在高温作用下T i 元素从钎料中向金刚石表面扩散,与金刚石发生界面反应并与金刚石中的C 元素结合生成碳化物㊂从热力学角度分析,在高温真空条件下,T i -元素在金刚石表面的富集只有在金刚石中的碳与钎料中的钛反应后才继续扩散,金刚石与钎料界面在反应过程中产生三种现象,一是金刚石中的碳向界面扩散,二是钛元素向界面上坡扩散,三是碳和钛碳化物生成㊂表3㊀钎焊金刚石表面定点成分分析(质量分数%)T a b l e 3㊀A n a l y s i s d a t a o f s u r f a c e f i x e d -p o i n t c o m po s i t i o n o f b r a z e dd i a m o n d (m a s s f r a c t i o n %)CC rS nT i30.6847.146.1121.37㊀㊀为判断钎焊金刚石颗粒表面新生化合物种类,关砚聪等[5]用X 射线衍射进行分析,C u T i ㊁C u S n T i 3㊁C u S n 是粉状铜基钎料在钎焊过程中元素间相互作用形成的金属化合物,T i C 是新生产物,证明活性元素T i 与金刚石颗粒在钎焊过程中发生了化学反应㊂界面反应产物的形貌可反映钎料与金刚石颗粒在界面处相互作用的程度,如图6所示,金刚石颗粒表面被一层反应物所包裹,证明铜基钎料对金刚石与45#纲钢基体的润湿性都很好,钎料在铜基体表面完全铺展,并包裹住金刚石颗粒㊂图6㊀金刚石颗粒界面的微观形貌F i g .6㊀M i c r o s c o p i cm o r p h o l o g y of d i a m o n d p a r t i c l e i n t e r f a c e 7㊀激光钎焊界面微结构分析近年来,激光束的控制精度有了突破式的发展,激光焊接技术日趋成熟,采用激光钎焊金刚石具有激光束可控性好㊁能量密度大㊁加工热影响区域小,能够灵活地对形状复杂的工具进行钎焊等优点㊂图7为光纤激光钎焊N i -C r 合金钎料的焊缝S E M 形貌图[6]㊂由图7可知,焊缝上的N i -C r 合金钎料连续完整,对金刚石的包裹情況良好,金刚石磨粒晶形完整㊁轮廓清晰,且有一定的突露高度㊂横截面试样的S E M 观察发现,N i -C r 合金钎料包裹的金刚石晶形基本完整,钎料在金刚石表面进行了铺展㊁爬升,结合界面清晰,如图8所示㊂结果表明,N i -C r 合金钎料对金刚石磨粒具有较好的润湿㊂图9是光纤激光钎焊后金刚石磨粒的S E M 形貌图㊂由图9(a )可知,激光钎焊后金刚石磨粒表面包覆一层纤维状物质㊂进一步观察发现,包覆在金刚石磨粒表面的化合物交织存在片状和细条状两种形态,如图9(b)所示㊂图7㊀焊缝表面S E M 形貌F i g .7㊀S E Mt o p o g r a p h y ofw e l d s u r f a c e 01超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年2月图8㊀金刚石㊁钎料和钢基体横截面S E M形貌F i g.8㊀S E M m o r p h o l o g y o f c r o s s s e c t i o no f d i a m o n d,b r a z e d f i l l e rm e t a l a n d s t e e lm a t r i x图9㊀钎焊金刚石磨粒S E M形貌金刚石F i g.9㊀S E M m o r p h o l o g y o f b r a z e dd i a m o n da b r a s i v e g r a i n s 8㊀结语金刚石/钎料/基体之间的界面反应产物和微观结构决定了钎料钎焊金刚石与基体之间的粘接强度㊂在钎焊料与金刚石磨粒的结合界面上,通过元素扩散和反应出现了钎料中的参与反应,金属元素向金刚石表面扩散富集,可以在金刚石界面生成一层反应产物,如C r C㊁T i C等,从而提高了液态钎焊料对金刚石的浸润作用,增加了焊料对金刚石磨粒的把持强度;在焊料和基体界面,基体中的F e元素在高温过程中可以由基体扩散到钎料中,并在界面与焊料合金中的元素形成化合物,从而提高了焊料与基体的粘结强度,同时超高频和激光类这种快速焊接过程的高温和急速冷却条件下基体表层会形成残余压应力,并能细化钎料晶粒的组织,也提高了钎焊层的机械强度和抗冲击性能㊂㊀㊀文章收集资料和编写过程中感谢N F S C-河南省联合基金重点项目(U1604254)㊁国家自然科学基金(51775170)㊁湖南省重点实验室开放基金项目(E21850)的资助㊂参考文献:[1]㊀李奇林,苏宏华,等.基于A g-C u-T i钎料的超高频感应连续钎焊方式金刚石界面结构及残余应力[J].稀有金属材料与工程,2016(12):3250-3254.[2]㊀马伯江,徐鸿钧,付玉灿,等.两种钎焊金刚石工具微观结构的对比分析[J].机械工程材料,2005(7):10-13.[3]㊀徐正亚,徐鸿钧,等.镍基合金钎料高频感应钎焊金刚石试验研究[J].中国机械工程,2010(6):1977-1981.[4]㊀卢金斌,张旺玺,等.钎料真空钎焊金刚石[J].焊接学报,2017(6):125-128.[5]㊀关砚聪,郑敏利,等.铜基钎料焊接金刚石界面结构与强度[J].焊接学报,2012(7):65-68.[6]㊀朱彬,张明军,等.光纤激光钎焊金刚石磨粒工艺试验研究[J].应用激光,2019(5):840-846.11第33卷㊀第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王光祖等:钎料合金对钎焊金刚石界面性能的影响。

提高钎焊金刚石工具质量的研究进展


+ 基 金 项 目 :河 南 省 自然 科 学 基 金 (项 目编 号 0811051300);河 南 省高 校 青 年 骨 干 教 师 项 目资 金 资 助 。
32
金刚石与磨料磨具工程
总第 177期
下 、旭 Et公 司 、美 国 Abrasive Technology等 公 司 。 都 有各 自的 CMP系列 产 品 。CMP修 整 器 的磨 粒 多 以规 则排 布 ,冶金 结合 强度 高 ,不脱 粒 。
优点 突出 的同时也 暴露 了不 足 ,由于钎焊 温度 高 , 金 刚石受热损 伤 而强度 降低 ,在重 负荷磨 削 过程 中 ,金 刚石 常 发生 破碎 、断裂 ,甚 至 整颗 脱 落 ,钎 焊后 残余 应 力 的存 在也 常使工 具过 早失效 。为 了推 动钎 焊金 刚石 工具 行业 的快速 发 展 ,研 究 者一 直 致 力 于质 量 提 高 的 研究 上 ,近 几年来 成效 显著 。
Abstract Recent development in enhancing the properties of brazed diamond tools are presented in detail, including brazing alloy selection, laser brazing, application of coated diam ond, braz ing process optim ization, realization of uniform/array diamond grits distribution and elimination of internal stress caused during the braz ing process.Some problems existing in the brazing of diamond tools are proposed. It is suggested that the various braz ing alloys developed for diam ond tools SO far can be classified into two types nam ely TiC and Cr C according to the bonding bridge between diamond grains.This new idea of classification is m ore reasonable and clear er than the conventiona l one based on bra zing a lloys composition. A new laser bra z ing technique with laser beam a s heat source is suggested,which can prevent the diamond grains from being graphitized,and avoid deformation of the workpiece when they are wholly heated. Keywords brazed diam ond tools;brazing alloys;laser brazing;internal stress

钎焊金刚石工具技术

钎焊金刚石工具技术摘要:钎焊金刚石工具,金刚石出刃可以是金刚石高度的2/3 ,所以钎焊金刚石工具磨削效率高,且有利于冲刷磨屑,表面磨粒不易因堵塞而失去磨削能力。

与单层电镀金刚石工具相比,钎焊单层金刚石工具由于金刚石出刃高,容屑空间大,金刚石与基体之间的结合强度高而成为近年来超硬材料工具的热门研究领域。

本文分别从钎料选择、钎焊设备、钎焊工艺和金刚石有序排布四个方面来论述钎焊金刚石工具技术,并对该技术的前景进行了展望。

关键词:金刚石钎焊技术;钎料;钎焊专用设备;钎焊工艺;金刚石有序排布1.概述电镀金刚石工具中, 金刚石仅能用镍金属作机械包镶, 故易于脱落, 且金刚石无序排列, 凸出低、容屑空间小; 在孕镶烧结金刚石工具中, 金刚石无序排列, 出刃自锐问题难于解决, 金刚石与粉料也很难实现冶金结合。

这两种工艺都不能充分有效地利用金刚石的锯切性能。

而钎焊金刚石工具有上述两种金刚石工具无可比拟的优越性,所以近10年来金刚石钎焊工艺引起了人们的重视(见图1)。

图1.钎焊金刚石工具与电镀金刚石工具界面结合情况对比钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术,以活性钎料或镍基钎料焊接金刚石, 通过强碳化物形成元素或合金, 使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合, 这大大提高了金刚石的把持力,另外,金刚石可凸出2ö3,且不易脱落,又创造了切割锋利, 排屑好的有利条件,再加上金刚石在工具表面合理规则均布, 充分利用了金刚石的切割作用, 既能节省金刚石用量, 降低工具成本, 又提高切割效率。

可以说, 这一技术正好适应了我国国民经济发展的大力节约能源资源, 加快建设资源节约型、环境友好型社会的要求。

鉴于金刚石钎焊工具的极大优越性与良好的发展前景, 引起了国内高校、科研院所及企业的极大关注与参与, 并且正积极地开展研发工作, 根据钎料种类、钎料中活性元素加入方式、钎焊方式的不同,国内外对钎焊金刚石工具的研究成果见见表1。

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l 引 言
表 1 几种 不 同钎 焊 料 的优 缺 点
钎 焊金 刚 石工 具采 用 金 刚石 表 面金属 化 技术 ,以活 性 钎料 或镍 料 焊接 金 刚石 ,通过 强碳 化物形 成 元 素或 合 金 ,使 金 刚石 与工具 胎 体实 现 冶 金化 学结 合 ,提 高 了金 刚 石 的 把 持 力 ;另外 ,与 电镀 金 刚 石 工具 凸 出 1/3相 比 ,钎 焊 金 刚 石 工 具 可 凸 出 2/3,不易 脱 落 ,切 削 锋 利 ,排 屑 较 好 ,充分 利用 了金刚 石 作为 工具 材 料 的优异 性 能 ,既能 节 省金刚石材料用量 ,降低工具成本 ,又提高切削效率 l1。]。 因此 ,研究 影 响钎焊 金 刚石 _T具性 能 因素 非常 必要 。
刚 石与 金属 基 体的 结合 性 能 和钎 焊工 艺 。根 据元 素 与金 刚石 的结 合 原理 ,研 究 了组 成钎 焊料 的低熔 点 连接 元 素 (Ag、cu、Zn、Sn)、强碳 化物 形 成元 素 (rrj、cr、w)和 高 强 度 连接 元素 (Ni、Co、Mn、Si、B)在金 刚石 钎焊 中 的作 用 ,进 而 配制适 合 焊接 不 同钎 焊 条件 的金 刚石 颗粒 的钎 料合 金 ]。
类 型
优 点
缺 点
Nj—cr合金 Ni具有优 良的耐腐蚀性 和耐 800 ̄:时 易产生 石墨化
钎料
氧 化性 ;cr与金 刚石 中 的 c 转变 ,而钎焊 温度高达
反应生 成 CrTC ,此 钎焊料结 1080 ̄C,造成金刚石热
合强度高 ,可 以获得较 高的 损伤 。
把 持 力 。
热 损 伤 。
CuMn基含 预合金胎体中的 Ti原子 与金 控制 TiC层不能太厚且
Tj预合金 刚石表层 的 C原子反应生成 不能连续分布于金刚石
钎料
TiC,提高金刚石的把持力。 表面,否则会产生裂纹,
使金 刚石颗 粒脱 落 。
性 能有 着很 大 的影 响 ,对几 种 不 同类 型的 钎焊 料进 行 研 好的容屑能力 ;④钎料有良好的铺展性 ;⑤钎料有较低的
究 ,如 表 l。
熔 点 ,以 降低 钎 焊 温度 ,防止 金 刚 石 石 墨化 或 氧 化 ;⑥ 钎
表 l表 明 :金 刚石 焊 料 的选 择 对工具 的性 能有 很 大 料 有较 低 的成本 ,进 而 降低 钎焊 工具 成本 。
影 响 ,针对 具 体金 刚石 工 具应 用 条件状 况 ,对于 焊 料 的选 3 钎 焊气 氛对 其性 能影 响
焊金刚石工具性能影响因素研究
王 丽 卿 , 吴 占海 。 郭佳 f中航 工 业 沈 阳 飞 机工 业 (集 团 )有 限 公 司 ,沈 阳 J10850)
Study on Im pact on the Perform ance Factors of Brazed Diam ond Tools W ANG Li-qing, W U Zhan-hai, GUO Jia
Ag-Cu—Cr 钎料 中 的 c,与金 剐 石 中 C 钎焊 温度 低 于 80o ,
合金钎料 川 生 成 crC,与 钢 基 体 形 成 相反 会使 金 刚石石 墨
(Fe cr )C。具有较好 的把 持 化 和氧化 ;温度过低造
2 不 同钎 焊料 对工 具性 能影 响 金 刚石 工具 的 焊接 强 度主 要取 决 于钎 焊料 合 金对 金
择是不同的,对焊料的整体应用选择的原则为 ¨ J:①钎料
金刚 石钎 焊 的 温度较 高 ,在 空 气 中 ,能 使金 刚石 r『_=具
(AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 1 10850,China) Abstract:The performance of brazed diamond tools is directly affect the quality of machining workpiece and the tool life.It is researched by this paper that the different diam ond brazing m aterials,different brazing atmosphere.different brazing diamond interface structure and morphology.Studies have shown that different brazing mate x‘ials and different atm osphere on the role of hrazing diamond tools in real term s to generate a different brazing diamond inter face structure anti m icro-m orphology.It is directly reason that brazed diamond inter face structure and micro—morphology to affect the performance of diamond too1. Key words:brazed diamond tools;m aterials for vacuum brazin;brazing atm osphere;interface structure;m iercr-morphology
钎 料合 金 的不 同 配置 与配 比 ,对 钎焊 金刚 石 工具 的
力与结合强度。
成能 源浪费 。
Ag—cu_Ti 金 刚石表面生成 TiC,钎料能 Ag-cu i钎料制 备表
合金钎料 ” 与金刚 石实现 高强度 连接 。明:限于薄带状使用 ;Ag
钎焊温度较低 ,对金刚石无 含量较高,成本大。
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