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    进步钎焊金刚石东西质量的研讨进展

    摘要: 具体地介绍了当前国内外钎焊东西的研讨进展 ,首要包含 :钎料组分选用 ,激光钎焊 ,外表镀覆金刚石的选用 ,钎焊技术条件的优化 ,磨粒均匀 /有序排布的完成 ,钎焊内应力的消除等 ,最终提出了如今亟待解决的疑问。 文中对很多的钎料合金 ,按照钎焊联系的完成原理 ,分成了两大类 ,即碳化钛类和碳化铬类 ,比传统的以合金组分划分显得更为简单而明晰。 在新技术方面侧重介绍了选用激光束作为热源进行钎焊 ,激光钎焊加热速度快 ,能有用下降金刚石石墨化进程 ,并且能防止整体加热时工件易变形的特色 。

    关键字 : 钎焊金刚石东西 ;钎焊合金 ;激光钎焊;钎焊内应力

    1 前语

      钎焊金刚石东西是经过高温钎焊使钎料在金刚石与基体界面间发作溶解、分散及化合。与传统金刚石东西比较 ,它联系强度高 ,出刃高度大 ,耐磨削 、耐高温功能好 ,运用寿命长 ,这些优良的特性使其被广泛使用于石材 、精细陶瓷、有色金属等资料的加工。 特别是制成精度高 、抛光率安稳、寿命长的化学机械抛光垫修整器 ,常被用于硅片的切开与加工 ,中国台湾砂轮公司、日本松下、旭日公司 、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矩排布 ,冶金联系强度高 ,不脱粒 。长处杰出的一起也暴露了缺乏 ,因为钎焊温度高 ,金刚石受热损害而强度下降 ,在重负荷磨削过程中 ,金刚石常发作破碎 、开裂 ,乃至整颗掉落 ,钎焊后剩余应力的存在也常使东西过早失效。 为了推进钎焊金刚石东西行业的迅速开展 ,研讨者一向致力于质量进步的研讨上 ,近几年来成效显著 。这篇文章在国内外相关文献的剖析基础上 ,对于有用进步钎焊金刚石东西质量进行了较为悉数的介绍 ,除了独特地对钎料按焊后联系桥进行分类外 ,还着眼于金刚石外表镀覆 、颗粒排布 ,尤其是激光钎焊、内应力消除等新技术的引进 。联系完成了钎焊金刚石东西的重负荷磨削 。

      Chattopadhyay A K等选用 Ni-Cr合金作为钎料 ,氩气维护 ,将其火焰喷镀到基体上 ,再把不包衣金刚石布排于上 ,钎焊温度 1080℃,保温30s,钎焊时 Cr向金刚石外表富集而完成其金属化 。Wiand等选用 Ni-Cr合金粉加有机黏结剂制成钎焊漆 ,把包衣金刚石黏在钢基体上 ,再涂附钎焊漆 ,在真空炉中加热到1100℃摆布 ,保温 1h,钎焊中完成金刚石的外表金属化 。黄辉等选用 Ni-Cr合金粉为钎料 ,在空气中进行高频感应钎焊 ,磨粒出刃高达72% ,钎料对磨粒滋润杰出 ,金刚石外表无石墨化迹象 ,划擦中无整颗掉落。 姚正军 选用炉中氩气维护钎焊 ,用 Ni-Cr合金为钎料 ,真空感应30s,钎焊温度 1050 ℃。使用扫描电镜和 X射线能谱及衍射剖析 ,金刚石外表有 Cr3C2 和 Cr7C3 生成 ,对钎焊砂轮进行重负荷磨削 ,金刚石归于正常磨损 ,没有整颗掉落的景象。

      也有学者选用 Ni-Cr为基的多元合金 ,如 :马楚凡等在钢基体外表热喷涂一 层 N iCr 13 P9 合 金钎料 ,配以少数 Cr粉 ,在真空炉中高温 (950 ℃)加压的条件下进行钎焊 。扫描电镜调查及 X射线衍射剖析证真实联系面有 Cr3C2 生成 ,钎料熔化均匀 ,金刚石出刃高度大 。 钎焊砂轮耐用度及磨削效率较一般电镀砂轮明显进步 ,磨削后仅有少数金刚石掉落 。张发垒 选用粉状 Ni-Cr-B-Si合金钎料 ,在氩气维护下 ,高频感应钎焊制作出 0.8mm 钢丝直径的金刚石线锯 ,液态钎料对金刚石滋润杰出 ,在金刚石外表生成的条状 Cr7C3 可缓解界面间可能发生的应力。Wang C Y 选用 Ni-Cr-P合金为钎料 ,在950℃的真空炉中进行钎焊 ,金刚石外表有Cr3C2和Cr 7C3生成 ,与电镀金刚石东西比较 ,钎焊东西联系强度高 ,出刃高度大 。

      1. 1 低熔点合金钎料

      Ni-Cr合金也存在许多缺乏 ,如它的高熔点易使金刚石遭到热损害 。为了改进钎料熔点 ,研讨者选用 Ag-Cu或 Cu-Sn低熔点合金作为钎料 ,钎料对金刚石滋润性杰出 ,金刚石热损害小。低熔点合金钎猜中添加 Cr元素 ,在钎焊过程中构成铬化物联系桥 。低熔点合金钎料硬度不高 ,耐磨削 、耐高温功能差 ,虽是制作金刚石东西的抱负钎料 ,但使用规模遭到限制 。

      肖冰等分别选用加Cr和不加Cr的 Ag-Cu合金为钎料 ,在高频钎焊机上钎焊 35 s,温度约 780 ℃,天然冷却 。 X衍射剖析发现加 Cr的钎料在高温钎焊中金刚石表 面有CrC生 成 , 钎料与钢基体间 形 成FexCryC。对钎焊砂轮进行磨削试验 ,只要坐落边际的有些金刚石掉落 ,而不含Cr的钎料制成的砂轮 ,金刚石悉数掉落。周玉梅以Ag-Cu-Zn合金加 Cr粉为钎料 ,在氩气维护下进行高频感应钎焊。钎料对金刚石湿润性杰出 ,金刚石外表有 Cr7C3 生成 ,金刚石在接近钎料的有些构成石墨化层。 对钎焊磨头进行平面磨削花岗岩试验 ,磨削 45min后 ,只要边际的两颗金刚石掉落 。

      1. 2 TiC联系桥

      TiC是一种主要的资料 ,具有高熔点 、功能安稳 、高耐磨性等特色 (熔点 3140 ℃) ,也常被用来作为钎焊东西中的联系桥 。李丹等 以 Ag-Cu-Ti为钎料 ,在真空条件下进行钎焊 ,金刚石与钎料的界面处有TiC生成 ,碳化物的存在减小了界面张力 ,相对进步了钎料的湿润性 。 孙凤莲等 也证明了TiC的存在 。卢金斌等 发如今高温钎焊过程中 ,金刚石完好无缺 ,没有石墨化 。

      这一类钎猜中研讨较多的仍是铜锡合金 。Li WC等在研讨 Cu-Sn-Ti合金钎料时发如今金刚石的外表外延生长一层 40~60nm的TiC。Khalid FA 等证明TiC有两层构造 ,一层是立方形 ,一层是细长形或柱形 , TiC 的厚度与钎焊时刻有关 。刘心宇等以 Cu-Sn-Ti合金为钎料 ,钛的添加比例在 5%~15%之间选用 5个点 ,金刚石未镀膜 ,在真空炉中 ,钎焊温度为 800~900℃,时刻10~15min。金刚石与钎 料的界面处 生 成 的 TiC 和SnTi2C减小了界面处的张力 ,钎料合金的强度跟着Ti含量的添加而增大 ,当含 Ti的原子数分数x为10%和 Sn的原子数分数x为15%时达到最好 , Ti含量下降 , Sn含量增加时生成 CuSn3Ti5 和 SnTi3 ,反之生成 Sn3Ti5 和 Sn3Ti2。


    文章来源:金刚石工具 www.jm-nanhua.com
      孟卫如等采用自制的 CuSnNiTi钎料与市售的BNi2 (NiCrSiB)、BNi7(NiCrP) 钎料 ,钎焊温度分别为 900℃、1050℃和 950℃,保温 10min,在真空炉中进行钎焊 ,自制钎料对金刚石润湿性良好 ,在钎焊过程中 ,金刚石表面有 TiC生成 。对3种钎料制成的干切片试验 ,自制钎料的干切片 ,锋利度比普通烧结锯片高 1 倍而寿命相当 。基体对金刚石把持力大 ,钎料与石材适应性良好 ,切割过程中 ,钎料与金刚石的磨损同步 。

    2 提高金刚石工具质量的新途径 —  — 激光钎焊

      真空炉中钎焊或高频感应钎焊存在一定 的局限性 :结合强度有限 ,整体加热工件易变形 ,加热和降温时间长 。为了进一步提高金刚石工具的质量 ,研究者采用激光束作为热源进行钎焊 ,激光钎焊加热速度快 、功率密度高 、便于控制 ,有效降低了金刚石石墨化的进程 。目前 , 国内在这方面的研究较多 。

      杨卫红等以Cu-Sn-Ni-Ti-Si为 钎料 ,采用横流电激励CO2激光器 ,氩气保护 ,当粉末厚度0.5mm、光斑直径3mm、功率800W、扫描速度8.39mm/s时钎料熔化均匀 ,金刚石颗粒完整 ,界面间钎焊层达到最佳结合状态 。钟如涛等 在金刚石表面发现 TiC的存在 ,在钎焊样品表面随机取5颗金刚石进行抗压试验 ,颗粒抗压强度与焊前相比下降很少 。

      郭晓琴以Ni-Cr合金为钎料 ,利用800WYAG固体激光器 ,激光功率450~550 W ,光斑直径 2.0mm,扫描速度3~7mm/s,氩气保护下进行钎焊 ,适当控制工艺参数 ,当激光输入焦比能为0.05~0.06 kJ /mm2时 ,能保证焊接强度而金刚石不产生热损伤 ,钎料层均匀致密 ,金刚石表面有 Cr7C3 和 Cr3C2 生成。磨削试验中 ,对10颗金刚石进行跟踪 ,磨损形式主要为尖端出现磨耗平台、切削刃的破损 ,整个磨削过程几乎没有磨粒的整颗脱落。

      李嘉 以Ni-Cr合金为钎料 ,氩气保护 ,试验在Ji-H1-T500型横CO2数控激光器上进行 ,当钎焊温度在1000~1050℃,光斑尺寸3mm×6mm,功率600~1000W ,扫描速度8~20m/m in时 ,工具得到了较好的表面形貌 ,钎料与基体结合致密 ,金刚石浸润良好 ,无石墨化 ,界面处生成的 Cr3C2 强有力地把持住了金刚石。

      杨志波等采用预合金化的Ni-Cr合金钎料 ,在氩气保护下激光焊接 ,成功研制出国内外第一块激光钎焊金刚石固结磨料砂轮。当钎焊温度为1050℃、光斑尺寸 3mm×6mm、激光功率760W、扫描速率30m/min和比能量在 243.3~253. 5J/mm2 之间时 ,激光钎焊良好 ,钎料熔化充分 ,金刚石出刃高 ,无裂纹和石墨化现象 ,金刚石与钎料界面处有 Cr3C2 生成。对钎焊砂轮进行重负荷划擦 ,未发现磨粒整颗脱落。赵光亮在相同的工艺条件下对激光钎焊金刚石端面砂轮进行了研究 ,也取得了理想的效果 。

      激光钎焊优良的性能日益受到人们的青睐 ,激光束作为热源为钎焊金刚石工具开辟了一条新的途径 ,但由于工艺参数不易控制 ,激光钎焊金刚石工具目前还处于试验阶段。

    3 采用表面镀覆技术提高工具质量

      为了提高金刚石的抗氧化性 、热稳定性 ,保持其完整性 ,除了尽量选用稳定性好 、强度适中 、级别较高的磨粒外 ,还可以采用表面金属化技术来赋予镀覆金刚石许多新的特性 ,如提高对金属或合金液相的浸润性 ,弥补金刚石表面的微观裂纹缺陷 ,提高金刚石的强度并隔绝氧和热影响 。 钎焊金刚石工具磨粒表面镀覆的金属一般有Cr、Ti、Ni等 ,其中镀钛较为常用。

      王艳辉等采用金刚石复合镀钛-镍技术 ,先真空微蒸发镀钛 ,然后化学镀镍或电镀镍形成复合镀层。在钎焊时 , Ti首先与 C形成 TiC的化学键合 ,外层的Ni很容易与基体钎焊 , Ti镀层隔离了 Ni与金刚石表面接触 ,从而避免了金刚石在钎焊过程中的石墨化 , Ni镀层本身还有防止和减弱 Ti镀层及金刚石的氧化倾向 ,在漏镀部分 ,通过金刚石-镍-胎体的过渡 ,使胎体与金刚石黏结 。对钎焊砂轮进行强力磨削5m in,无金刚石脱落现象 。

      马伯江等 在氩气保护下进行无镀钛和镀钛金刚石的高频感应钎焊 ,以 Ni-Cr合金为钎料 ,试验在15s内升温至 1050 ℃,镀钛金刚石表面形成致密而法向生长的铬碳化物 ,而未镀钛的金刚石表面则形成疏松且切向生长的铬碳化物 ,在镀钛金刚石表面并未发现 TiC生成 。把镀钛和无镀钛金刚石分别放在无钎料的钢板上 ,在氩气保护下高频感应加热到 1000 ℃后冷却至室温 ,利用 SEM、EDS和 XRD 等分析手段显示镀钛金刚石表面有纳米级 TiC生成 ,正是这些纳米级 TiC提高了镀钛金刚石的界面结合强度。

      用DLC( diamond - like carbon)镀覆在胎体表面以防止酸性环境的侵蚀也是提高工具质量的有效途径 ,但是 DLC易氧化 ,从而产生裂纹甚至脱落 。

    4 金刚石均匀 /优化排布是提高金刚石工具质量的有效途径

      常规的钎焊金刚石工具 ,金刚石呈无序状态分布在金属胎体中 ,易产生偏析与聚集。 近几年 ,人们对金刚石的排布进行了大量的研究 ,对其排布方式、间距、粒度、排布密度等一系列参数进行优化。经过优化排布的金刚石工具 ,工作面上有效磨粒数增多 ,出刃均匀 ,使用性能优异。例如 ,在加工四川红花岗石板的性能对比试验中 ,经优化排布的单层钎焊金刚石锯片的寿命分别为未经优化排布的单层钎焊金刚石锯片和多层烧结金刚石锯片的 120 %和 81. 7 % ,加工效率则分别为 1. 5倍和 4. 9倍 。目前 ,实现磨料有序排布的主要技术有复制技术、点胶法、模板方式和激光快速成型技术等 。

      宋健民博士首先提出了钻石阵的概念并研制出钻石阵锯齿,这种技术是将金刚石有序排列应用到刀头、排锯和绳锯上。制成的绳锯 ,节约金刚石 20 % ,切削速度比常规串珠绳锯快约 3倍 ,而功率消耗只有后者的 1 /3。韩国 Shinhan公司研制出新一代 AR IX系列金刚石工具并投放市场 ,金刚石在胎体中自动定距排列成行并形成三维空间的形式 。采用金刚石有序排布和随意分布的锯片 ,分别对 3级花岗石进行切边修整 ,前者相对后者寿命提高 20 % ,功率消耗降低 15 % ,锯切性能稳定。

      日本 Noritake公司成功研制了新一代 Grit Ace金刚石工具 ,解决了金刚石有序排布问题 ,该工具已申请了 16项专利。该公司指出 ,有序排布金刚石可以提高磨削效率 ,并使其承受较小的载荷。金刚石散射呈星岛状布置的杯形磨轮应用效果非常突出 ,与电镀杯形磨轮相比 ,磨削效率提高 2倍且工件表面的粗糙度也有很大的改善。河南华晶工具公司采用了一种人工智能负压吸附装置及栅栏颗粒取向装置 ,此装置对颗粒吸附率达100 % ,对颗粒晶面 、晶棱择优取向达85 %以上 ,很好的解决了颗粒有序排列及择优取向问题。

    5 改善钎焊工艺 ,提高金刚石工具质量

      钎焊温度、时间和速度会明显影响金刚石工具的质量。适当钎焊温度可以使金刚石热损伤程度小 ,同时界面结合强度高 ;在保证金刚石与钎料冶金结合的前提下尽量减少钎焊时间 ,避免金刚石受到热损伤和侵蚀。过低的加热速度不仅降低生产率 ,也加剧金属的氧化 ,加热速度太高 ,钎料中各元素的线膨胀系数大 ,产生的热变形将使结合处产生热应力 ,金刚石有开裂的可能 ,采用二级加热工艺 ,可以减缓内应力的产生。

      高温钎焊时钎料的厚度影响应力的分布 。随着厚度的增加 ,钎料层上应力减小 ,基体与钎料界面靠近自由边缘处出现一定的应力集中 ,但未达到屈服应力 ,进一步增加厚度 ,应力集中区域不断扩大 ,金刚石附近出现了应力集中且其内部的应力影响区也随之增大。钎料太薄 ,金刚石出刃高而承受弯矩增大 ,较大的弯矩及工件对磨粒的剪切力导致金刚石结合部断裂 ,因此 ,合理选择钎料厚度是提高钎焊金刚石工具质量的关键。

      在高真空环境中钎焊对金刚石工具质量的提高较为有利 ,磨粒自身受热损伤的程度小 ,剪切力增加显著 ,高温低真空环境 ,磨粒受到热损伤,剪切力会降低。

    6 目前钎焊金刚石工具存在的问题

      (1)目前使用的钎料虽能实现界面间的冶金结合 ,但是高熔点钎料 ,钎焊时金刚石会受到不同程度的热损伤 ,低熔点钎料使用条件又受到限制 。因此 ,性能优良钎料的研制 ,还将是研究者努力的方向。

      (2)钎焊过程中受热的作用 ,工具钢基体会产生热变形 ,从而影响工具的尺寸精度。

      (3)钎料层厚度的实用化控制技术还未得到推广应用。

      (4)磨料的有序排列技术有待进一步优化及简化。


        文章来源: 金刚石工具www.jm-nanhua.com

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